探究變溫干燥對稻谷特性與干燥品質(zhì)的影響

張亞偉, 尹 君, 渠琛玲

(河南工業(yè)大學(xué)糧食和物資儲備學(xué)院,糧食儲運(yùn)國家工程實(shí)驗(yàn)室1,鄭州 450000)

(國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院糧食儲運(yùn)國家工程研究中心2,北京 100037)

新收獲的稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,需要干燥至目標(biāo)水分方可進(jìn)入下一環(huán)節(jié),因此干燥是稻谷收獲后處理的必要和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。淀粉是稻谷的主要成分之一,其作為一種非晶態(tài)物質(zhì),在干燥全過程中,會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。加之,稻谷也是一種熱敏性物質(zhì),不合理的干燥工藝易導(dǎo)致籽粒形成裂紋和爆腰[1]。Cnossen等[2]提出玻璃化轉(zhuǎn)變理論可以闡明稻谷干燥過程中出現(xiàn)裂紋和爆腰的現(xiàn)象。劉木華等[3]研究表明,稻谷產(chǎn)生裂紋與其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度密切相關(guān),且其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與水質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)。因此,在干燥過程中可根據(jù)稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系制定合理的變溫干燥工藝。

研究表明變溫干燥是行之有效的節(jié)能工藝方式[4]。霍巖[5]設(shè)計(jì)的薄層干燥實(shí)驗(yàn)臺,實(shí)現(xiàn)了稻谷變溫干燥過程的自動測控,結(jié)果表明干燥速率和能耗均優(yōu)于恒溫干燥工藝,但稻谷干燥后的爆腰率較高,由于在線監(jiān)測參數(shù)的精準(zhǔn)度不高和控制系統(tǒng)遲滯性較大,還有待進(jìn)一步優(yōu)化。鄭先哲等[6]開展稻谷變溫干燥實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,稻谷處于橡膠態(tài)下干燥,可有效降低稻谷籽粒內(nèi)部水分梯度,減少裂紋的形成。有研究提出稻谷分程變溫干燥工藝,相較于傳統(tǒng)恒溫干燥工藝,稻谷干燥后品質(zhì)更佳[7,8]。Xu等[9]研究了干燥溫度、變溫時刻、變溫溫度、變溫時長、變溫次數(shù)等實(shí)驗(yàn)因素對稻谷干燥特性與干燥后品質(zhì)的影響規(guī)律,結(jié)果表明,采用循環(huán)變溫干燥可獲得較好的干燥品質(zhì)。王潔等[10]對比分析了兩級變溫干燥與50 ℃恒溫干燥,結(jié)果表明,兩級變溫干燥的干燥時間縮短,爆腰率降低,脂肪酸值降低,直鏈淀粉降低,也驗(yàn)證了兩段變溫干燥是一種先進(jìn)的熱風(fēng)干燥方法,既保證了稻谷干燥后的品質(zhì),又提高了干燥速率。

因此,基于玻璃化轉(zhuǎn)變理論,根據(jù)稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,通過變溫干燥工藝與恒溫的對比,探究初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、變溫幅度、熱風(fēng)風(fēng)速等因素對稻谷干燥速率和干燥后品質(zhì)的影響,以期實(shí)現(xiàn)稻谷干燥高效率與高品質(zhì)的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以稻花香五優(yōu)稻4號為實(shí)驗(yàn)材料,產(chǎn)自黑龍江省五常市,初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.5±0.2)%(本研究中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)均指濕基水質(zhì)量分?jǐn)?shù))。實(shí)驗(yàn)前,用人工調(diào)水法,即分多次加入一定質(zhì)量的蒸餾水,每次均勻噴灑蒸餾水與稻谷中并進(jìn)行5～10次晃動;調(diào)濕后的稻谷裝入雙層自封袋中,并置于6 ℃冷藏庫。水平平衡期間每12 h搖晃均勻1次,直至水分平衡,以獲得不同水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(22%、24%、26%)的稻谷樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

JK-LB1799型多參數(shù)可控原位精確干燥實(shí)驗(yàn)臺,Q2000差示掃描量熱儀(DSC),PQ-520型Kett(凱特)米麥單粒水分計(jì),JDMZ-100稻谷出米率檢測儀,JMWT-12大米外觀品質(zhì)檢測儀,DGG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,YP30002電子天平。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測定稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

通過DSC分別測定不同初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)稻谷的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。實(shí)驗(yàn)前,根據(jù)GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于18%)和GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于16%)測定稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù),然后將其磨成粉末狀,稱取(10.0±0.1)mg樣品,置于樣品坩堝內(nèi),以空坩堝作為對照。載氣與冷卻樣品為50 mL/min高純氮?dú)狻＠肈SC自帶軟件控制升溫速率為10 ℃/min,升溫范圍由-20～120 ℃。從熱流曲線上得到開始(Tgi)、中點(diǎn)(Tgm)和終點(diǎn)(Tge)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,通常取中點(diǎn)Tgm作為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,記為Tg。每組樣品實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)流程與設(shè)計(jì)

干燥實(shí)驗(yàn)開始前,將每組約為500 g稻谷均勻平鋪在篩網(wǎng)上,稻谷層厚度為1.5 cm。選取初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%、(26.0±0.5)%、變溫幅度(4、6、8 ℃)、熱風(fēng)風(fēng)速(1.2、1.5、1.8 m/s)為實(shí)驗(yàn)因素,以爆腰增率、整精米率為實(shí)驗(yàn)品質(zhì)指標(biāo),探究實(shí)驗(yàn)因素對稻谷干燥速率、爆腰增率、整精米率等的影響規(guī)律。當(dāng)?shù)竟人|(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.5±0.2)%時,停止干燥實(shí)驗(yàn)。將干燥后的稻谷裝入自封袋中,并在室溫(28±2)℃放置48 h,記錄爆腰增率,測定整精米率,對比變溫干燥工藝與恒溫的干燥后爆腰增率和整精米的變化。

橡膠態(tài)變溫干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):橡膠態(tài)變溫干燥工藝的溫度變化范圍為36～56 ℃,變溫幅度分別為4、6、8 ℃。根據(jù)稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線設(shè)定稻谷起始干燥溫度,確保稻谷一直處于橡膠態(tài)。在干燥過程中,每5 min稱量稻谷質(zhì)量,通過設(shè)定公式獲得稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù),目標(biāo)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.5±0.2)%時,結(jié)束干燥實(shí)驗(yàn)。在干燥過程中保證稻谷處于橡膠態(tài),以稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.3%為例,稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為39 ℃,然后分別以變溫幅度4、6、8 ℃進(jìn)行變溫,起始干燥溫度分別為43、45、47 ℃。當(dāng)起始干燥溫度達(dá)到稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降時對應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度方可進(jìn)行變溫,使干燥溫度高于稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,確保稻谷處于橡膠態(tài)(稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.3%、25.7%的變溫操作類似)。

玻璃態(tài)變溫干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):玻璃態(tài)變溫干燥工藝的溫度變化范圍為32～48 ℃,變溫幅度分別為變溫幅度分別為4、6、8 ℃。根據(jù)稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度擬合曲線設(shè)定稻谷起始干燥溫度,確保稻谷處于玻璃態(tài)。在干燥過程中,每10 min稱量稻谷質(zhì)量,通過設(shè)定公式獲得稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù),目標(biāo)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(14.5±0.2)%時,結(jié)束干燥實(shí)驗(yàn)。在干燥過程中保證稻谷處于玻璃態(tài),以稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.5%為例,稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為39 ℃,起始干燥溫度為39 ℃,下一次變溫溫度為43 ℃,以變溫幅度4 ℃進(jìn)行變溫。稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降時對應(yīng)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為43 ℃時開始變溫,使干燥溫度低于稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,確保稻谷處于玻璃態(tài),變溫幅度為6、8 ℃操作類似(稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.9%、26.2%的變溫操作類似)。

恒溫干燥實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):干燥溫度設(shè)定為45 ℃,稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%和(26.0±0.5)%,熱風(fēng)風(fēng)速分別為1.2、1.5、1.8 m/s進(jìn)行兩因素三水平全面實(shí)驗(yàn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)指標(biāo)測定

1.4.1 稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定

參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測定》(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于18%);GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》(水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于16%)。

1.4.2 干燥速率的計(jì)算

式中 :v為干燥速率/%/min;Mi為干燥前稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;Mt為干燥t時刻稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%;Δt為干燥時間/min。

1.4.3 爆腰增率測定

實(shí)驗(yàn)前隨機(jī)抽取原始完整的稻谷300粒,每100粒為1組,手工剝殼后檢測其中有裂紋的糙米均為爆腰粒,取其3組均值為初始爆腰率。干燥實(shí)驗(yàn)結(jié)束48 h后,任意抽取100粒為1組待測,測其裂紋粒數(shù),每組樣品做3次平行實(shí)驗(yàn),取其均值與初始爆腰率之差為稻谷爆腰增率[11]。

1.4.4 整精米率測定

參照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗(yàn)法》執(zhí)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS和Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系

稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系:Y=75.689 99-1.670 12X,R2=0.987 04。當(dāng)干燥溫度高于稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,稻谷處于橡膠態(tài)區(qū)域;當(dāng)干燥溫度低于稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,稻谷處于玻璃態(tài)區(qū)域[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)由22%降至15%,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由38 ℃上升到50 ℃,呈線性負(fù)相關(guān)。因?yàn)樗且环N增塑劑,對高分子材料中非晶態(tài)高聚物有增塑效應(yīng),會影響體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[13]。

2.2 變溫干燥與恒溫干燥對稻谷干燥速率和干燥品質(zhì)的影響

由圖1和表1可知,干燥前期,恒溫干燥速率最快;干燥后期,橡膠態(tài)變溫干燥速率保持最快直至目標(biāo)水分;玻璃態(tài)變溫干燥速率最慢。這是由于玻璃態(tài)變溫干燥時,稻谷籽粒內(nèi)的淀粉處于玻璃態(tài),其籽粒內(nèi)外水分梯度小,內(nèi)部水分流動性弱,水分?jǐn)U散速率慢,水分從內(nèi)部擴(kuò)散到表面速率較慢,籽粒內(nèi)外的水分梯度小,產(chǎn)生的應(yīng)力小,干燥后爆腰率低,保證了整精米率。恒溫干燥條件下,在干燥前期(稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于18%),干燥溫度較高,籽粒內(nèi)部的水分梯度較大,水分?jǐn)U散速率較快,隨著干燥進(jìn)行,稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,籽粒內(nèi)部水分?jǐn)U散速率變慢,此時稻谷玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高,稻谷發(fā)生了玻璃化轉(zhuǎn)變,其籽粒內(nèi)部形成較大的應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,爆腰增率增加。橡膠態(tài)變溫干燥,稻谷籽粒處于橡膠態(tài),隨在干燥溫度升高,其內(nèi)部水分?jǐn)U散動力增大,干燥速率加快。因此,在干燥后期(稻谷水質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于18%)橡膠態(tài)變溫干燥速率大于恒溫干燥。由表1可知,橡膠態(tài)變溫干燥條件下,變溫幅度為8 ℃時,爆腰增率有所增加,整精米率下降,因此要合理控制變溫幅度才能保證該條件下稻谷干燥后的品質(zhì)。在干燥速率方面,橡膠態(tài)變溫干燥工藝更占優(yōu)勢。在干燥后品質(zhì)方面,玻璃態(tài)變溫干燥工藝更占優(yōu)勢,這與劉坤等[7]研究結(jié)論一致。

表1 變溫與恒溫干燥后稻谷干燥品質(zhì)對比表

圖1 變溫與恒溫稻谷干燥速率變化曲線

2.3 橡膠態(tài)變溫干燥速率和干燥后品質(zhì)分析

綜合考慮稻谷干燥速率和干燥后品質(zhì),選擇橡膠態(tài)變溫干燥工藝探究初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、變溫幅度、熱風(fēng)風(fēng)速對干燥速率和干燥品質(zhì)的影響規(guī)律。

2.3.1 初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對稻谷干燥速率和干燥品質(zhì)的影響

由圖2和圖3可知,在變溫幅度6 ℃、熱風(fēng)風(fēng)速1.5 m/s的條件下,稻谷初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于不同水平時,其干燥速率隨水質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而加快。這主要是因?yàn)榈竟瘸跏妓|(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,其內(nèi)部以自由水結(jié)合形式的水分維持在較高水平,水分從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的速率較快。同時稻谷籽粒內(nèi)外的水分梯度大,形成的內(nèi)外應(yīng)力大,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,爆腰率增加,整精米率下降[14]。

注:圖中不同字母表示有顯著差異。余同。

2.3.2 變溫幅度對稻谷干燥速率和干燥品質(zhì)的影響

由圖4和圖5可知,在初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)24.3%、熱風(fēng)風(fēng)速1.5 m/s,隨變溫幅度增加,稻谷干燥速率加快,爆腰增率增加,整精米率變化與之相反。這主要是因?yàn)榈竟仍诟稍飼r主要以對流、熱傳導(dǎo)等方式進(jìn)行傳熱[15]。稻谷籽粒存在各向異性,隨著干燥進(jìn)行,籽粒內(nèi)外的水分分布不均勻,變溫幅度增加時,干燥溫度升高,水分?jǐn)U散速率加快。同時,籽粒內(nèi)部的水分梯度變大,形成的干燥應(yīng)力增大,超過了稻谷籽粒所承受的極限強(qiáng)度,則產(chǎn)生裂紋,導(dǎo)致爆腰率增加,整精米率下降。變溫幅度較低時,有利于稻谷籽粒在干燥全過程不同階段(干燥和緩蘇)水分平衡,使其內(nèi)部的水分梯度減小,降低籽粒內(nèi)外產(chǎn)生的應(yīng)力,進(jìn)而降低爆腰增率,保證整精米率。

圖4 不同變溫幅度稻谷干燥速率變化曲線

圖5 變溫幅度對爆腰增率和整精米率的影響

2.3.3 熱風(fēng)風(fēng)速對稻谷干燥速率和干燥品質(zhì)的影響

由圖6和圖7可知,在初始水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.3%,變溫幅度為6 ℃條件下,干燥速率隨熱風(fēng)風(fēng)速增加而加快。這主要是因?yàn)闊犸L(fēng)風(fēng)速影響稻谷籽粒表面水分的擴(kuò)散速率,在所選取的參數(shù)范圍內(nèi),熱風(fēng)風(fēng)速越大,籽粒表面水分蒸發(fā)速率越快,從而使干燥速率加快。同時,熱風(fēng)風(fēng)速增大,稻谷籽粒表面水分的蒸發(fā)速率大于內(nèi)部的水分?jǐn)U散速率,籽粒表面的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比其內(nèi)部的高,故在同一干燥溫度下,籽粒外部處于玻璃態(tài),而內(nèi)部處于橡膠態(tài),內(nèi)外形成的拉壓力變大,導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生,爆腰增率上升,整精米率下降。

圖6 不同熱風(fēng)風(fēng)速稻谷干燥速率變化曲線

圖7 熱風(fēng)風(fēng)速對爆腰增率和整精米率的影響

3 結(jié)論

基于玻璃化轉(zhuǎn)變理論,研究了變溫干燥工藝對稻谷干燥速率和干燥后品質(zhì)的影響,并與恒溫干燥工藝進(jìn)行對比,結(jié)果表明:處于一種狀態(tài)(橡膠態(tài)或玻璃態(tài))的稻谷變溫干燥工藝下,理論上講,因稻谷不發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變,干燥后的爆腰增率明顯降低,整精米率增加,但實(shí)際上因稻谷籽粒個體存在差異,部分稻谷籽粒會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變,在干燥后會出現(xiàn)爆腰增加的現(xiàn)象。相比于恒溫干燥工藝,橡膠態(tài)變溫工藝干燥速率較快,變溫幅度為4 ℃和6 ℃時,爆腰增率降低,整精米率增加,干燥后品質(zhì)有所改善。玻璃態(tài)變溫干燥速率最慢,但其干燥后品質(zhì)最優(yōu),考慮到干燥速率和能耗的因素,玻璃態(tài)變溫干燥工藝不宜采用。因此,綜合考慮稻谷干燥速率和干燥后品質(zhì),采用橡膠態(tài)變溫干燥工藝,合理控制變溫幅度和熱風(fēng)風(fēng)速,可實(shí)現(xiàn)高干燥速率和高品質(zhì)的目標(biāo)。