红外玉米穗干燥试验研究

魏忠彩，孙传祝，苏国粱，石东岳，王法明

(山东理工大学 a.农业工程与食品科学学院；b.机械工程学院，山东 淄博　255091)



红外玉米穗干燥试验研究

魏忠彩a，孙传祝b，苏国粱b，石东岳b，王法明b

(山东理工大学 a.农业工程与食品科学学院；b.机械工程学院，山东 淄博255091)

摘要：为研究红外辐射干燥条件下收获期玉米穗干燥的水分迁移规律，利用自制红外玉米穗干燥试验台对玉米穗进行了恒温和变温干燥试验，探讨了多种温度条件下玉米穗的红外辐射干燥特性及对干燥后玉米穗外观品质的影响规律。结果表明:初始含水率、干燥温度、干燥用时和辐射距离是影响玉米穗干燥效率和外观品质的主要因素；当恒温干燥玉米穗的干燥温度为58℃、辐射距离为150mm时，干燥速率达2.25%/h，且玉米籽粒的外观品质最好；变温干燥玉米穗时，较佳的干燥温度范围为55～65℃，且采用逐渐升温干燥时的干燥品质较好。本研究为研制红外辐射玉米穗干燥机研发奠定了坚实基础。

关键词：红外；玉米穗；恒温干燥；变温干燥

0引言

玉米是国内重要的粮食作物，其种植面积仅次于小麦和水稻，已经成为一种可再生绿色能源作物[1]。玉米收获时含水率较高，收获后的干燥问题是确保玉米安全储藏的一个重要环节。因此，近年来国内外高校和科研机构围绕玉米的干燥技术与设备进行了大量研究与探索[2-6]。

目前，常用的玉米干燥方法有太阳能、热风和真空冷冻干燥等；但往往受自然条件的限制或易产生“爆腰”等现象，影响干玉米的感官品质，或工艺复杂、成本较高，用户难以接受。而红外辐射加热技术由于可对物料内外同时加热、脱水效率高、清洁无污染，已逐渐成为国内外干燥技术发展的主要方向之一[7、8]。

目前，国内外关于红外辐射加热技术的研究与应用主要集中在果蔬干制[9-11]和药材加工[12]等方面；而关于玉米穗干燥方面的研究、特别是利用红外辐射加热技术对玉米穗实施干燥方面的研究尚未见报道。因此，笔者研制了一种红外玉米穗干燥试验台，并利用该试验台对收获期玉米穗进行了试验研究。

1试验台结构及原理

1.1试验台基本结构

自行研制的红外玉米穗干燥试验台主要由箱体、传动装置、输送装置、辐射装置、托料装置、料斗及出料口等组成，如图1所示。料斗设置在试验台顶部一端，出料口设置在试验台同一端底部，箱壁内设有保温层。箱体内沿长度方向设有带拨料杆的双面输送装置，并通过传动装置驱动运转。输送装置的上、下两段直线段下方设有表面带凹凸状花纹的托料装置，上方设有高低可调的辐射装置，并单方向朝着托料装置向下辐射红外线。箱体内红外辐射装置下方设有温度传感器，以便在线测量红外辐射元件的辐射温度。

1.料斗　2.张紧装置　3.出料口　4.箱体　5.辐射装置

1.2试验台工作原理

试验前，设定输送速度、辐射距离、加热温度后，红外辐射加热管通电，当箱体内温度达到设定时，启动传动装置通电；并通过链条带动拨料杆运行。试验时，从料斗加入的玉米穗有序进入输送装置相邻的两拨料杆之间，并承托在托料装置上吸收红外辐射热。由于托料装置上表面设有凹凸状花纹，玉米穗在与托料装置之间摩擦力的作用下边滚边滑，因此能够保证玉米穗各处籽粒均匀地吸收热量，迫使玉米穗内部水分向外溢出。与此同时，向外溢出的玉米穗内部水分通过设置在箱体顶部和底部的通气孔向外对流散失。当玉米穗运行至托料装置末端时，由于失去支承而沿导料槽落到下面输送装置相邻的两拨料杆之间，并承托在下面的托料装置上，朝着与初始运行方向相反的方向运行。玉米穗经一次干燥从出料口流出后，若含水率未达到要求可再次加入料斗重复干燥，直到达到最佳脱粒含水率为止。

2材料与方法

2.1试验材料及试验设备

试验用收获期玉米穗购自于淄博市农田，要求新采摘无霉变，购买后带皮储藏于冰箱5℃环境下。试验设备包括自行研制的红外玉米穗干燥试验台(见图1)、美国康州HZ的HZQ-A10000电子天平和自行研制的红外干燥试验箱。

2.2试验方法

2.2.1处理方法

取出冰箱中玉米穗放置室温环境下，待玉米穗恢复至常温后剥皮。

2.2.2试验方法

将处理好的玉米穗每次取20个，从每个玉米穗上取少许籽粒放入料盘中称重，在红外干燥试验箱中测定新鲜玉米穗初始含水率；将玉米穗加入已经达到设定温度的红外玉米穗干燥试验台箱体内进行干燥，每出料一次按照上述方法取样测定落料后玉米穗的含水率；重复以上步骤，直到玉米穗干燥至最佳脱粒含水率范围内停止。

2.2.3试验方案

影响收获期玉米穗红外干燥特性的因素主要有辐射温度、初始含水率、辐射距离及干燥用时等。本文研究多种温度条件下玉米穗的红外辐射干燥特性，对比玉米穗在恒温和变温条件下红外辐射干燥后的含水率变化规律及外观品质，探索玉米穗红外辐射干燥条件下的最优参数。

2.3测定指标及其计算方法

1)初始含水率的测定。

笔者按照GB5009.3-2010的要求，对所采购的收获期玉米穗测定的含水率如表1所示。玉米穗籽粒取样称重后放入红外干燥试验箱中干燥，每隔30min称重1次，直至两次质量相差值小于0.1g时，认定为玉米籽粒为绝干状态。同一次试验的玉米籽粒取自同一农田的不同玉米穗，用于水分测定的玉米穗均取自淄博市3个不同地区。

表1　收获期玉米穗的含水率

2)玉米穗含水率为

wt=(Mt-Mc)/Mt

(1)

式中wt—玉米籽粒干燥至t时刻的含水率(%)；

Mt—玉米籽粒干燥至t时刻的质量(kg)；

Mc—玉米籽粒绝干物质的质量(kg)。

3)玉米穗干燥速率为

vt=(wt-wt+1)/Tt

(2)

式中wt+1—玉米籽粒干燥至t+1时刻的含水率(%)；

Tt—t+1与t时刻之间的时间间隔(h)。

3结果与分析

干燥温度是影响玉米穗干燥效率及干燥后品质的首要因素。因此，试验中首先在辐射距离为150mm、玉米穗单次干燥用时为60min的条件下，进行了红外玉米穗的恒温干燥和变温干燥试验；然后，改变辐射距离后进行了对比试验，此选取几组有代表性的试验对试验数据进行分析。

3.1恒温干燥对干燥效果的影响

红外玉米穗恒温干燥试验含水率变化规律及总干燥速率如表2所示，试验NO4-NO7的含水率变化曲线如图2所示。由于设定的单次干燥用时Ti=60min，玉米穗每从出料口流出测定1次含水率，因此测定含水率的时间间隔为60min。试验NO1-NO3的干燥用时均为300min，而试验NO4-NO7的干燥用时均为360min。

表2　红外玉米穗恒温干燥试验数据统计表

图2　红外玉米穗恒温干燥含水率变化曲线

由表2看出：试验NO1-NO4干燥5次后的含水率已达到或接近玉米穗的最佳脱粒含水率18%[13]，干燥速率也显著高于其它试验。这说明干燥温度越高，干燥用时越少，干燥效率也越高。但试验中发现，试验NO1-NO4干燥后产生大量裂纹，并伴随有明显的变红、甚至变黑等颜色变化，因此不能满足实际生产需要。由表2和图2看出：试验NO6和NO7虽然在干燥后无任何裂纹和颜色变化，但经6次干燥后含水率分别为26.5%、26.9%，仍未达到玉米穗的最佳脱粒含水率要求，且干燥效率过低，因此也无法满足实际生产需要。试验NO5即干燥温度为58℃时，6次干燥后含水率已达到最佳脱粒含水率要求，干燥速率达2.25%/h，不仅干燥效率高，而且干燥后的玉米穗品质好。因此认为， 红外玉米穗恒温干燥时较佳干燥温度为58℃。

3.2变温干燥对干燥效果的影响

红外玉米穗变温干燥试验含水率变化规律及总干燥速率如表3所示，试验NO9和NO13的含水率变化曲线如图3所示。变温干燥试验过程中，玉米穗每干燥1次即重新设定干燥温度，测定含水率的时间间隔仍为60min。试验NO8、NO9、NO11和NO13的干燥用时均为360min，试验NO10和NO12的干燥用时均为420min。

由表3和图3可见：试验NO13干燥360min后含水率下降了13.4%，干燥速率为2.23%/h；而试验NO9含水率仅下降了9.7%，干燥速率为1.62%/h，说明红外干燥玉米穗升温干燥比降温干燥脱水速率更快。试验NO11和NO12均为升温干燥，但前者比后者提前60min达到玉米穗最佳脱粒含水率，进一步说明了干燥温度对干燥效率的影响程度。试验NO11和NO8干燥60min后均达到了玉米穗的最佳脱粒含水率18%，但试验NO11玉米穗未产生裂纹和颜色变化，而试验NO8虽然玉米穗籽粒的颜色变化不明显，发现少量裂纹。因此，认为采用红外变温干燥时，其温度范围在55～65℃内，且为逐渐升温变化时干燥效果较好。

表3　红外玉米穗变温干燥试验数据统计表

图3　红外玉米穗变温干燥含水率变化曲线

3.3辐射距离对干燥效果的影响

图4为不同辐射距离、58℃恒温干燥时的含水率变化曲线，干燥60min后的含水率分别为15.9%、17.8%和19.8%。

图4　不同辐射距离时含水率变化曲线

由图4可以看出：辐射距离为140mm时干燥效率最高，说明辐射距离越近干燥效率越高，但干燥后玉米籽粒产生裂纹，且伴有颜色变化；而辐射距离为160mm时虽然干燥品质好，但含水率尚未达到最佳脱粒含水率。因此，较佳的辐射距离为150mm左右。

4结论

1)初始含水率、干燥温度、干燥用时和辐射距离是影响玉米穗干燥效率和外观品质的主要因素，相同干燥温度时初始含水率越高，玉米穗越容易产生“爆腰”或者颜色变化。

2)玉米穗采用恒温红外干燥时，干燥温度为58℃、辐射距离为150mm时的干燥速率达2.25%/h，且玉米籽粒的外观品质最好。

3)玉米穗采用变温红外干燥时，较佳的干燥温度范围为55～65℃，且采用逐渐升温干燥时的干燥品质较好。

参考文献：

[1]周聪，王新华.中国玉米产量主要影响因素的协整分析[J].粮食科技与经济，2014，39(1)：9-12.

[2]任丽辉，赵学工，王赫，等.玉米平流薄层干燥特性研究[J].粮食加工，2014，39(2)：65-66.

[3]赵罘.筒式玉米干燥机烘干过程的计算机模拟[J].北京工商大学学报：自然科学版，2011，29(3)：55-58.

[4]曹崇文.玉米干燥中应力裂纹的生成、扩展、检测和预防分析[J].干燥技术与设备，2009，7(4)：153-158.

[5]董宏宇.谷物干燥的红外辐射陶瓷材料及红外干燥机理研究[D].长春：吉林大学，2008.

[6]Jyoti Hundal, Pawan Singh Takhar.Experimental study on the effect of glass transition on moisture profiles and stress-crack formation during continuous and time-varying drying of maize kernels[J].Biosystems engineering, 2010, 106(2): 156-165.

[7]高扬，解铁民，李哲滨，等.红外加热技术在食品加工中的应用及研究进展[J].食品与机械，2013，29(2)：218-222.

[8]李树君，林亚玲，潘忠礼.红外技术用于农产品灭酶和脱水干燥的研究综述[J].农业机械学报，2008，39(6)：109-112.

[9]Hasan T.Simple modeling of infrared drying of fresh apple slices[J].Journal of Food Engineering, 2005, 71(3): 311-323.

[10]张丽丽，王相友．红外辐射加热蒜片的薄层干燥特性研究[J].食品科技，2013，38(11)：87-90.

[11]曾目成，毕金峰，陈芹芹，等.猕猴桃切片中短波红外干燥特性及动力学模型[J].现代食品科技2014，30(1)：153-159，199.

[12]刘云宏，朱文学，刘建学．地黄真空红外辐射干燥质热传递分析[J].农业机械学报，2011，42(10)：135-140.

[13]王长春，冯卫东，卢贤继.两级干燥工艺在玉米种子收获中的应用研究[J].农业机械学报，1998，29(2)：179-180.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0247-EA

Research on the Experiment of Infrared Corncob-drying

Wei Zhongcaia, Sun Chuanzhub, Su Guoliangb, Shi Dongyueb, Wang Famingb

(a.School of Agricultural and Food Engineering；b.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091,China)

Abstract：With the aim to research the moisture migration regularity of harvest corncob, isothermal or variable temperature experiments were done by using the self-made infrared corncob drying test-bed, which explored the infrared drying characteristics and the appearance quality. The results showed that the initial water content, drying temperature, drying time and radiation distance were the main factors which affected the drying efficiency and appearance quality; the drying efficiency could be up to 2.25 %/h when the isothermal drying temperature was about 58℃and the radiation distance was about 150mm, and the quality of corn grain could be best; the better variable temperature range was 55～65℃, and the quality of the dried corn could be better if the drying temperature was gradually improved. It could lay a good foundation for infrared radiation corncob dryer.

Key words：infrared; corncob; isothermal drying; variable temperature drying

文章编号：1003-188X(2016)01-0247-04

中图分类号：S375；S226.6

文献标识码：A

作者简介：魏忠彩(1990-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)weizc2011sdut@163.com。通讯作者：孙传祝(1959-),男，山东青岛人，教授， (E-mail) suncz@sdut.edu.cn。

收稿日期：2014-12-17

专利项目：国家发明专利(201410227754.0)