稻谷热风与真空干燥特性及其加工品质的对比研究

稻谷热风与真空干燥特性及其加工品质的对比研究张玉荣，刘诺阳，周显青（河南工业大学粮油食品学院，河南郑州450052）水分为26.5的稻谷进行热风和真空千燥试验，研究热风千燥和真空千燥对稻谷的千燥特性和其加工品质的影响。结果表明：千燥温度越高，稻谷的平均降水速率越大，且真空千燥平均大降水速率大于热风千燥平均大降水速率；热风千燥在千燥开始后的510min降水速率出现大值，真空千燥在千燥开始后的515min降水速率出现大值。随着千燥温度的升高，稻谷的爆腰率上升，出糙率和整精米率下降；相同的千燥温度下，真空千燥稻谷的加工品质优于热风千燥稻谷的，其中爆腰率为明显。对于高水分稻谷采用真空千燥可以提高稻谷的加工品质。
通讯作者：周显青（1964-），男，博士，教授，硕士研究生导师，研究方向为谷物科学、品质检测分析及产后加工利用稻谷干燥是当前我国农业生产中的一个薄弱环节，一般刚收获的稻谷含水率较高，需通过干燥降低水分才能达到安全贮藏要求。稻谷是热敏性物质，籽粒由坚硬的外壳和糙米组成，干燥时，外壳起着阻碍粮粒内部水分向外表面传递的作用，相对其他谷物而言较难干燥。在干燥过程中，干燥参数选择不当，易产生较大的温度梯度和水分梯度，易造成品质下降和溶质失散现象而形成爆腰，直接影响稻谷的出米率及其米饭外观与食味2.因此，研究稻谷干燥特性和干燥后稻谷加工品质对干燥参数的选择具有重要意义。徐泽敏等3研究了稻谷真空干燥中工艺参数与降水幅度的关系，研究结果表明各参数对干燥过程的影响的次序为：干燥温度、干燥时间、真空度，且均与降水幅度呈正相关。尹丽妍等4对低温真空干燥机理进行了研究，依据水势理论，建立了谷物低温真空干燥的数学模型。该模型能够同时反映粮食的初始水分、平衡水分、干燥温度、介质压力、介质湿度等对干燥过程的影响规律。刘友明等5研究了不同干燥方式对稻谷爆腰率的影响，认为经过不同干燥方式处理后，稻谷的裂纹率以及吸湿产生裂纹的敏感性存在差异，阴干处理的稻谷其裂纹率和吸湿产生裂纹的敏感性低，热风干燥的稻谷裂纹率和吸湿产生裂纹的敏感性高。ChenH等研究认为，品种和干燥介质是影响整米率下降的主要因素。热风干燥和真空干燥是目前常用的稻谷干燥方法，前人对玉米热风和真空干燥进行了研究，但针对稻谷热风干燥和真空干燥对比的研究尚未报道。本试验对高水分稻谷在不同温度下的热风干燥和真空干燥进行了研究，以自然干燥为对比分析比较两种干燥方式的干燥特性和品质指标的变化规律，旨在为稻谷干燥的品质分析及干燥参数的选择提供依据。
1材料与方法1.1试验材料高水分稻谷样品：粳稻（水分26. 5），2010年，上海产，样品经清理后存放于冰箱中。
1.2仪器与设备DZF-6050真空干燥箱、SL101FAR-1型电热鼓风干燥箱、LG-45砻谷机、FSIM00A电动粉碎机、B210S电子分析天平、MN-3型精白机。
1.3试验方法1.3.1稻谷干燥特性试验自然干燥：将高水分稻谷样品混合均匀，称取约200g样品，于室内自然晾晒（2011-04进行试验），每隔6h翻动1次粮面，并称取稻谷质量，直至水分降至14左右所对应的质量为止，干燥后的样品放入4C冰箱备用。
热风干燥：将高水分稻谷样品混合均匀，称取约200g样品，均匀平摊于托盘上，分别置于45、60、75、90C的电热鼓风干燥箱CT1C）中鼓风干燥，稻谷放入开始计时。开始干燥后每隔5min称1次稻谷质量，40min后每隔10min称1次（每次操作时间控制在1min以内，尽量减少对温度的影响），计算对应的水分含量和降水速率，直至水分降至14左右为止。干燥后的样品冷却后放入4C冰箱备用。
真空干燥：将高水分稻谷样品混合均匀，称取约200g样品，均匀平摊于托盘中，置于45、60、75、90C的真空干燥箱CT士1C）中，使真空度迅速达到-0.09MPa，开始计时。取样称重时间间隔同热风干燥。取样时先关闭真空阀门，再关闭真空泵，后开启放气阀，等真空度为0时，立即取出称重，直至水分降至14左右为止。干燥后的样品冷却后放入4C冰箱备用。
1.3.2干燥后稻谷品质指标的测定3.1中各干燥方式的干燥参数干燥稻谷，将稻谷从初始水分（26. 5）降至安全水分（14）左右，干燥后样品于30C下缓苏，缓苏时间：干燥时间=3：1，将稻谷冷却后室温下放置24h测定品质指标。
爆腰率测定：从经过干燥处理的稻谷籽粒中随机取出100粒，剥壳后从中挑出有裂纹的粒数，即为稻谷的爆腰率，测3次取其平均值为实验结果。
2结果与讨论2.1稻谷热风和真空干燥特性的对比211稻谷水分变化稻谷的水分随干燥时间变化的特性曲线描述了在不同干燥方式和不同干燥温度下，稻谷水分随干燥时间的变化趋势。（a）、（b）分别为不同温度下热风干燥和真空干燥的稻谷水分变化特性曲线。
水分所需的时间越短，曲线斜率越大。由（a）可知，热风干燥为45C时，稻谷达到安全水分所需时间为80min，而干燥温度为90C时仅需15min.由（b）可知，在相同的温度下，真空干燥稻谷的水分下降较快，在45C时真空干燥降至安全水分所需温度E热MIT- S真空千堍时间为70min，90C干燥至15min热风干燥水分为14.28，而真空干燥水分为13. 2.1.2干燥速率变化为不同干燥方式下稻谷降水速率的变化曲线，其中（a）、（b）分别为不同温度下的热风和真空干燥稻谷平均降水速率随时间的变化曲线。
（真空干燥干燥稻谷降水速率曲线由可以看出，不同干燥方式的稻谷降水速率均呈先上升后下降的总体趋势，这说明在干燥初期，主要除去的是稻谷内部自由水，这部分水存在于表面和粗毛管中与稻谷结合松弛，以液态存在易于蒸发，容易去除。由（a）、（b）可看出，干燥温度越高，稻谷的降水速率越大；热风干燥温度为45、60、75和90C时的大平均降水速率分别为0452/min和0.752/min，0.862/min和1.09/min；同样温度下真空干燥的大降水速率干燥的大平均降水速率大于热风干燥的大平均降水速率，且大平均降水速率均出现在自由水的去除阶段。同时在相同的温度下，热风和真空干燥的大平均降水速率出现的时间不同，4 5C热风干燥时，大平均降水速率出现在10min，真空干燥出现在15min，75C热风干燥时大平均降水速率出现在10min，真空干燥出现在5min.随着干燥的进行，75和90C时稻谷的降水速率迅速下降，45和60C时，降水速率缓慢下降，终趋于平缓。
从稻谷干燥特性曲线可看出，不同干燥方式下干燥初期都呈现加速趋势，是由于稻谷表面存在着大量的自由水分，这部分水分很容易去除，干燥初期主要去除的是自由水分。稻谷水分在18以上时，主要去除自由水，由可看出，在这一干燥阶段，真空干燥降水速率大于热风干燥降水速率，这是由于真空干燥条件下，水的沸点降低，物料内的水分在较大的压力梯度下水分移动速度加快，蒸发速度变快。随着干燥的进行降水速率下降，接着趋于平缓，是因为这个阶段开始去除稻谷中的结合水分，稻谷水分在1016时，主要为结合水，而结合水包括稻谷细胞壁内的水分、稻谷内毛细管中的水分及以结晶水的形态存在于固体物料之中的水分等。这种水分由于结合力强，其蒸汽压低于同温度下纯水的饱和蒸汽压，致使干燥过程的传质推动力下降，故去除结合水分较困难，降水速率下降8.而在这干燥阶段，真空干燥降水速率和热风干燥降水速率基本趋于同一水平。本文研究得到的热风干燥速率曲线与邱学兰9的研究基本?致，得到的真空干燥速率曲线与前人得到的曲线有所不同，徐泽敏得到的真空干燥速率曲线有较长的恒速阶段，而本文得到的没有明显的恒速阶段，可能是由于稻谷品种和初始含水率的不同造成的。
2.2热风和真空干燥稻谷加工品质的对比为了探索不同干燥强度下稻谷品质指标的变化，对初始水分为26.5的稻谷在不同温度下进行热风和真空干燥试验，然后测定干燥后稻谷的爆腰率、出糙率、整精米率，并对测定数值进行数据分析，结果见。
2.2.1爆腰率爆腰率是判定干燥后稻谷品质的一个重要指标，而爆腰主要是由于干燥应力诱导而产生的。干燥、缓苏及冷却过程中由于籽粒内部存在温度梯度和水分梯度，形成热应力和湿应力，这两种应力总称为干燥应力。当干燥应力超过籽粒胚乳的破坏强度极限时，就会产生爆腰。
□邑然干燥干燥温度对稻谷爆腰率的影响由可看出，随着干燥温度的升高，热风干燥和真空干燥稻谷爆腰率增大的趋势非常明显。干燥温度对爆腰率的影响很大，主要是由于谷粒局部受热不均，造成局部收缩不均和表面干燥速率过快，导致内外湿度梯度过大造成了爆腰。干燥温度为45C时，热风和真空干燥后稻谷的爆腰率均低于30，干燥温度为90C时热风和真空干燥后的稻谷的爆腰率分别为66和52.干燥温度为45°C时，稻谷热风干燥爆腰率为29，而真空干燥的为21；75C时，热风干燥的爆腰率为59，而真空干燥的为41，由此可见，相同干燥温度下，真空干燥的爆腰率明显低于热风干燥的爆腰率；随着干燥温度的升高，真空干燥稻谷的爆腰率也低于热风干燥的爆腰率。
曹崇文、吴文福等的研究表明，干燥介质温度对谷物裂纹率有很大的影响。本文的研究也表明，在热风干燥过程中，高温热风使稻谷表面温度快速升高导致其表面的水分快速汽化，谷粒内部组织水分向表面转移的过程是种渗透过程，这过程比较缓慢，这样在谷粒的表面和内部组织结构之间形成个水分梯度，边界层水膜就会破裂，谷粒表面就会出现局部干裂现象，形成爆腰。稻谷降水速度过快会使爆腰率增加，降水速率过快时稻谷内部水分变化引起的拉应力超过了自身的抗拉强度极限后，裂纹就会产生。若过大的拉应力出现在谷粒表面，则裂纹出现在表面，若谷粒心部承受过大的拉应力，则裂纹首先在心部出现。周显青等研究认为热风温度大于80C时玉米裂纹率大于50，真空干燥玉米裂纹率均在48以下，干燥时间短时主要以单裂为主，随着时间的延长，双裂数、龟裂数逐渐增加。ZhangQinghuaH等的试验表明相对湿度较高时，在相同温度条件下，稻谷的爆腰率有减小的趋势，由于热风干燥散失的水分及时被热空气带走，所以热风干燥时相对湿度较真空干燥的低，因此真空干燥在相同温度下产生的爆腰粒较小，后续加工碾磨产生的碎米较少，对稻谷品质损伤较小，所以稻谷热风干燥造成的品质下降幅度要大于真空干燥。2.2.2出糙率出糙率是衡量稻谷加工品质的重要指标之。
由可知，热风干燥温度分别为45、60、75、90°C时，稻谷的出糙率分别为75. 12、74.36、74.21、74.42；真空干燥的出糙率分别为77.12、6.67、76.04、76.97.自然干燥条件下出糙率仅略低于45C真空干燥稻谷的出糙率，高于热风干燥和60、75、90C真空干燥稻谷出糙率。随着干燥温度的升高，出糙率都有所下降，但幅度不是很明显，但温度为9 0C时，稻谷的出糙率又略微上升。可能是因为90C时干燥时间比较短。而且相同的干燥温度下，真空干燥比热风干燥的稻谷出糙率高。
2.2.3整精米率整精米，即糙米碾磨成精度为国家标准一等大米时，米粒产生破碎，其中长度仍达到完整精米粒平均长度的四分之三（含四分之三）以上的米粒。整精米率即整精米占稻谷试样质量的百分率，是国家粮食标准定等指标之，是衡量稻谷加工品质的重要指标。
表明，自然干燥的稻谷整精米率高于热风和真空干燥，是由于自然干燥时间长，降水速率低，产生的爆腰粒数少。热风干燥和真空干燥随着温度的升高，整精米率呈下降趋势。相同干燥温度下，真空干燥比热风干燥的稻谷整精米率高。这是由于随着干燥温度和降水速率的增大，稻谷降水速率增大，较高温度造成稻谷内部水分梯度相差很大，产生裂纹增加，在加工过程中糙米更容易破碎，从而使整精米率降低。在45、60和75C时，热风干燥整精米率比真空干燥低约4个百分点，因为真空干燥过程中水的沸点降低，使水分散失时谷粒的实际温度比热风干燥时的低，因此真空干燥对稻谷的加工品质影响要小于热风干燥。但当温度过高达到90C时，整精米率相差不大，而且都未达到35.这是因为90C干燥时稻谷爆腰率都很高，碾磨过程中产生的碎米多，对稻谷整精米率影响很大。徐泽敏研究了真空干燥对稻谷品质的影响，整精米率与干燥温度、干燥时间呈负相关，与本文研究一致。
3结论干燥温度越高，稻谷降水速率越大；相同干燥温度下，真空干燥平均大降水速率大于热风干燥平均大降水速率，热风干燥在干燥开始后的5lOmin降水速率出现大值，真空干燥在干燥开始后的515min降水速率出现大值。
随着干燥温度的升高，稻谷的爆腰率上升，出糙率和整精米率下降，在干燥温度为9OC时，稻谷的出糙率增大，可能是由于干燥时间较短造成的；相同干燥温度下，真空干燥稻谷比热风干燥稻谷的品质变化小。
已有很多学者研究了干燥后稻谷的品质变化，但由于影响因素较多，机理仍不够明确，同时该领域的研究还不够深入。本文研究了干燥温度和干燥方式对稻谷加工品质的影响，今后还应进步开展这方面的研究，为稻谷干燥工艺提供更全面的技术支持。
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