燃?xì)獯呋郊t外干燥工藝參數(shù)對(duì)稻谷平均干燥速率及其爆腰率的影響

高 揚(yáng) 管立軍 李家磊 張志宏王崑侖 嚴(yán) 松 盧淑雯 張莉莉

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所1，哈爾濱 150086)(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄉(xiāng)村振興科技研究所2，哈爾濱 150086)

遠(yuǎn)紅外輻射加熱技術(shù)作為一項(xiàng)新型技術(shù)優(yōu)點(diǎn)眾多，已被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域。而利用遠(yuǎn)紅外輻射加熱技術(shù)干燥糧食作物即快速高效又節(jié)約能耗，具有很好的應(yīng)用前景[1～2]。紅外干燥分為傳統(tǒng)的電加熱紅外干燥和新型的燃?xì)獯呋郊t外干燥。傳統(tǒng)的電紅外輻射耗能大，運(yùn)行費(fèi)用較高[3～4]。催化式燃?xì)饧t外輻射是將可燃?xì)怏w與空氣同時(shí)通入紅外發(fā)生器內(nèi)，燃?xì)庠诖呋瘎┳饔孟屡c空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線、CO2和水蒸氣。燃?xì)獯呋郊t外輻射產(chǎn)生的紅外線其主要波段為3～7 μm，谷物在3、6 μm等紅外區(qū)域有較大吸收，水在3 μm、5～7 μm也具有較強(qiáng)吸收帶[5-7]。因此，燃?xì)獯呋郊t外輻射技術(shù)非常適合用于谷物的干燥。

本研究以自制燃?xì)獯呋郊t外干燥實(shí)驗(yàn)裝置為設(shè)備基礎(chǔ)，對(duì)稻米所謂紅外干燥工藝參數(shù)的確定進(jìn)行研究，探討催化式紅外干燥工藝參數(shù)對(duì)稻谷平均干燥速率以及爆腰率的影響規(guī)律，并通過(guò)相應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)獲得回歸方程，并分析得到平均干燥速率與爆腰率之間相關(guān)性。為燃?xì)獯呋郊t外干燥技術(shù)在谷物干燥中的推廣使用提供了一定的參考價(jià)值和研究依據(jù)[3,4]。

1 材料與方法

1.1 材料

全部實(shí)驗(yàn)所用稻米均來(lái)自黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)院五常水稻研究所培植的松粳12號(hào)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品加工研究所自行研制的燃?xì)獯呋郊t外干燥實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。干燥物料時(shí)，需要將物料均勻放置在可調(diào)式網(wǎng)狀載物平臺(tái)9上，并通過(guò)調(diào)節(jié)載物平臺(tái)9和燃?xì)獯呋郊t外輻射器10的位置，來(lái)改變物料與輻射器之間的輻射距離。可調(diào)式網(wǎng)狀載物平臺(tái)9帶有重量傳感器，可以進(jìn)行物料的自動(dòng)稱重，干燥過(guò)程可以通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)3實(shí)時(shí)監(jiān)控物料的干燥失水過(guò)程，及時(shí)得到物料的實(shí)時(shí)含水率。干燥過(guò)程開(kāi)始后，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)3開(kāi)啟送氣泵，將儲(chǔ)氣倉(cāng)4內(nèi)的燃?xì)馑偷焦艿?內(nèi)，通過(guò)壓力表1觀測(cè)管道6內(nèi)燃?xì)鈿鈮骸Ｈ細(xì)馔ㄟ^(guò)管道6送入到紅外輻射器10內(nèi)，燃?xì)庠谄鋬?nèi)部發(fā)生催化反應(yīng)釋放熱能，對(duì)物料進(jìn)行干燥。干燥過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)3設(shè)定所需干燥的溫度，當(dāng)干燥室8的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，其內(nèi)部的溫度傳感器7將信號(hào)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)3，控制系統(tǒng)3通過(guò)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥12來(lái)控制燃?xì)饬髁康亩嗌伲M(jìn)而對(duì)紅外輻射器10的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。干燥室8內(nèi)的隔熱層11可以防止空間內(nèi)熱能的損失，達(dá)到節(jié)能及提高干燥效率的作用。干燥過(guò)程中所產(chǎn)生的濕氣可通過(guò)干燥室8上方的排氣扇13排出，從而達(dá)到除濕的效果，提高干燥效率。

注：1 壓力表； 2 工作臺(tái)框架 ；3 自動(dòng)控制系統(tǒng)； 4 儲(chǔ)氣倉(cāng)； 5 送氣泵； 6 燃?xì)夤苈罚?7 溫度傳感器； 8 干燥室； 9 可調(diào)式網(wǎng)狀載物平臺(tái)； 10 燃?xì)獯呋郊t外輻射器； 11 隔熱層； 12 氣體流量調(diào)節(jié)閥； 13 排濕裝置。圖1 燃?xì)獯呋郊t外干燥實(shí)驗(yàn)裝置

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在預(yù)備實(shí)驗(yàn)研究工作基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(36組實(shí)驗(yàn))，研究紅外干燥工藝參數(shù)對(duì)稻谷平均干燥速率以及爆腰率的影響(表1)。各組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值，利用SAS 9.1軟件分析試驗(yàn)結(jié)果。并通過(guò)相應(yīng)曲面試驗(yàn)獲得回歸方程，通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到平均干燥速率與爆腰率之間的相關(guān)性。

表1 因素水平編碼表

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 實(shí)驗(yàn)流程

稻米→去雜→稱重→測(cè)量稻米水分→調(diào)節(jié)稻米水分→再次稱重→紅外干燥處理

1.4.2 水分測(cè)定

水分的測(cè)定：GB/T 21305—2007進(jìn)行測(cè)定。

1.4.3 平均干燥速率測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，按式(1)計(jì)算平均干燥速率：

式中：W1為稻米的初始含水率；W2為稻米儲(chǔ)藏安全水分14%；T為干燥到安全水分14%所需要的時(shí)間。

1.4.4 爆腰率測(cè)定

將干燥結(jié)束后的水稻隨機(jī)取300粒，每100粒為一組。快速手工剝殼，把剝殼后的稻谷放在爆腰燈下觀察水稻的初始爆腰率。在觀察時(shí)把被觀察的米粒放到玻璃板上，打開(kāi)玻璃板下面的白熾燈，從上面觀察水稻的爆腰粒數(shù)，即為爆腰率，取三次爆腰率的平均值為試驗(yàn)值。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用響應(yīng)曲面分析法進(jìn)行優(yōu)化。以x1(初始含水率)、x2(干燥溫度)、x3(輻射距離)、x4(處理量)4因素為自變量，以平均干燥速率為響應(yīng)值y1，爆腰率為響應(yīng)值y2，響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

根據(jù)表3中F值大小可得到，各因素對(duì)平均干燥速率的影響程度的主次關(guān)系為：x2>x3>x4>x1，即干燥溫度>輻射距離>處理量>初始含水率。通過(guò)SAS9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型為：

表3 回歸與方差分析結(jié)果

根據(jù)表4中F值大小可得到，各因素對(duì)爆腰率的影響程度的主次關(guān)系為：x3>x2>x1>x4，即輻射距離>干燥溫度>初始含水率>處理量。通過(guò)SAS9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，建立二次響應(yīng)面回歸模型為：

表4 回歸與方差分析結(jié)果

由圖2可以看出各因素對(duì)平均干燥速率的影響規(guī)律。平均干燥速率隨著稻谷初始含水率x1的增加而加快，糧食中的水分一般分為結(jié)合水和自由水，當(dāng)?shù)竟瘸跏己瘦^高時(shí)，其實(shí)是自由水的含量較高，自由水與糧食中干物質(zhì)之間結(jié)合比較松弛，干燥過(guò)程中容易以蒸汽形態(tài)排出，因此糧食的初始含水率愈高，其中的自由水就愈多，平均干燥速率也就越快[8]。平均干燥速率隨著干燥溫度x2的增加而加快，干燥過(guò)程中紅外輻射所釋放的能量一部分用來(lái)提升稻谷溫度，另一部分用來(lái)將稻谷表面的水分除去，隨著溫度的升高，使稻谷溫度升高的能量逐漸減少，用來(lái)蒸發(fā)水分的能量增加，因此，平均干燥速率逐漸加快[8，9]。平均干燥速率隨著輻射距離x3的增加而降低，被干燥的物料距離紅外發(fā)射器越近，物料所接受到紅外輻射能量越大，被干燥的物料升溫就越快，平均干燥速率隨之加快[9-11],[12]。平均干燥速率隨著處理量x4的增加而逐漸降低，處理量越大，其平均干燥速率越小，這是因?yàn)殡S著處理量的增加，單位質(zhì)量的稻谷吸收遠(yuǎn)紅外輻射的功率下降，因而平均干燥速率降低[8，9]。

圖2 各因素對(duì)平均干燥速率的降維分析圖

由圖3可以看出各因素對(duì)爆腰率的影響規(guī)律。爆腰率隨著稻谷初始含水率x1的增加而增大，其他干燥條件不變的情況下，當(dāng)?shù)竟瘸跏己瘦^高時(shí)，稻谷的水分降幅較大，導(dǎo)致爆腰率增大[13]。爆腰率隨著干燥溫度x2的增加而增加，隨著溫度的升高，用來(lái)蒸發(fā)水分的能量增加，水分的蒸發(fā)速度加快，稻谷內(nèi)部的水分遷移過(guò)快，水分梯度的產(chǎn)生不可避免，導(dǎo)致爆腰率增加[14]。爆腰率隨著輻射距離x3的增加而降低，被干燥的物料距離紅外發(fā)射器越遠(yuǎn)，物料所接受到紅外輻射能量越小，被干燥的物料升溫就越慢，爆腰率隨之降低[15]。爆腰率隨著處理量x4的增加而逐漸降低，這是因?yàn)殡S著處理量的增加，單位質(zhì)量的稻米吸收遠(yuǎn)紅外輻射的能量下降，因而爆腰率降低[16]。

圖3 各因素對(duì)爆腰率的降維分析圖

2.2 平均干燥速率與爆腰率之間的關(guān)系

通過(guò)SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)平均干燥速率與爆腰率進(jìn)行分析，對(duì)兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，如表5所示分析得出平均干燥速率與爆腰率之間存在正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)在0.01的顯著水平(雙邊檢驗(yàn))上都非常顯著[17]。

表5 相關(guān)性分析

為了更清晰、直觀的觀察兩組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)，我們繪制平均干燥速率與爆腰率的散點(diǎn)圖。通過(guò)圖4可以看出，平均干燥速率與爆腰率之間存在正相關(guān)關(guān)系，平均干燥速率越快，爆腰率越高，這因?yàn)楣任飪?nèi)部的水分的蒸發(fā)速度越快，水分從內(nèi)部向外部的遷移速度越快，稻谷內(nèi)部的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變及水分梯度的產(chǎn)生不可避免，導(dǎo)致爆腰率增加。

圖4 平均干燥速率與爆腰率的散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

催化式紅外干燥工藝參數(shù)對(duì)稻谷平均干燥速率的影響程度依次為：干燥溫度、輻射距離、處理量、物料初始含水率。平均干燥速率隨著稻谷初始含水率、干燥溫度的增加，呈現(xiàn)出加快的趨勢(shì)；隨著輻射距離、處理量的增加，呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。催化式紅外干燥工藝參數(shù)對(duì)稻谷爆腰率的影響程度依次為：輻射距離、干燥溫度、初始含水率、處理量。爆腰率隨著稻谷初始含水率、干燥溫度的增加，呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)；隨著輻射距離、處理量的增加，呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。平均干燥速率與爆腰率之間存在正相關(guān)關(guān)系，平均干燥速率越快，谷物內(nèi)部的水分的蒸發(fā)速度越快，水分從內(nèi)部向外部的遷移速度越快，稻谷內(nèi)部的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變及水分梯度的產(chǎn)生不可避免，導(dǎo)致爆腰率增加。