不同干燥技术对稻谷品质影响的研究综述

熊书剑++孙卫红

摘要：干燥是稻谷收获后的重要处理环节，干燥对稻谷品质的影响也是评价干燥工艺的关键因素。总结了国内外关于干燥技术的研究，如热风干燥、远红外干燥、微波干燥、真空干燥、太阳能干燥、过热蒸汽干燥，阐述了不同干燥技术的特点和研究进展，其中对稻谷分程干燥技术进行了重点介绍。还分析了稻谷的外观品质、加工品质、蒸煮食味品质的评价指标及影响机理，论述了我国稻谷干燥技术的发展趋势。

关键词：稻谷；干燥；品质

中图分类号： TS210.3；S511.09文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）02-0018-04

我国稻谷的播种面积、总产、单产均高于其他粮食作物。2009年我国稻谷产量为1.95亿t，占全球稻谷产量的37%，在全世界100多个生产稻谷的国家中占第1位[1]。我国稻谷种植分布极广，大致可以秦岭、淮河为界，分为南、北2个大的分布区域，南方地区稻谷种植较多。一般根据气候和地域不同，田间收获后的稻谷含水率都有所不同，北方地区一般在较为干燥的秋季收获稻谷，南方地区的稻谷则一般在夏季高湿环境下收获，造成南方地区稻谷含水率更高。含水率过高会造成稻谷贮藏过程中品质劣变，为保证收获后和贮藏过程中稻谷品质的稳定性，对收获后的稻谷进行干燥处理已经成为稻谷加工过程中一项必要的处理环节。一般要求将收获后的稻谷干燥至安全水分，即含水率降到14%～15%（湿基）[2]。在稻谷收获季节，收获后的大批量稻谷须要及时进行干燥处理。近年来随着稻谷产业的发展，稻谷干燥研究也取得不少进展。相比于传统的自然干燥，稻谷干燥机械化能够较大程度满足大批量生产要求，并通过工艺参数设置降低粮食损失，保证稻谷干燥品质[3-4]。目前稻谷干燥技术主要包括热风干燥、红外干燥、微波干燥、真空干燥、太阳能干燥、过热蒸汽干燥。热风干燥是应用最为广泛的机械干燥技术，具有节能、干燥品质高等优势。

稻谷是一种假果，其颖果籽粒外层由起保护作用的谷壳包裹[5]。结构致密的外壳一方面对颖果起保护作用，另一方面却会阻碍其内部水分转移，加大了干燥难度。同时，由于稻谷还具有热敏性，干燥速度过快、温度过高等不恰当的工艺条件都会引起稻谷品质下降，如，气味和色泽变差、爆腰增加而导致碎米增多、食味下降等，最终降低其经济价值。总的来说，稻谷干燥技术研究对稻谷生产加工意义重大，世界各国学者都开展过大量相关研究工作。本文综合国内外学者在稻谷干燥技术研究方面取得的成果，综述近年来稻谷干燥品质研究进展，以期为今后研究提供依据。

1主要稻谷干燥技术

1.1热风干燥

热风干燥是目前工业化运用最为广泛的传统稻谷干燥技术之一，该技术一般采用一定量的热空气经过物料表面带走水分，以达到干燥目的[6]。该干燥技术操作简单、易控制，传统热风干燥方式主要分为高温快速干燥和低温慢速干燥。高温干燥速度快，但高温往往会造成爆腰严重，且食味品质下降[7-8]。出于对稻谷干燥品质的追求，通常也会采用低温慢速干燥工艺。较低的热风温度条件在一定程度上可以保证稻谷干燥后的品质[9-10]，但也存在干燥速率低的缺陷，会造成收获后不能及时干燥的稻谷损失严重。

在恒温条件下，稻谷干燥过程和其他干燥过程一样，分为预热升温阶段、等速干燥阶段、降速阶段[11]，若直接采用恒温干燥条件，其单位耗能高，且干燥强度低[12]。分程干燥是一种在不同稻谷干燥阶段采用不同热风温度、湿度、风速等干燥条件进行分段干燥的干燥方式。20世纪70年代后期，国外就兴起对变风温干燥工艺的研究[13]，认为其能显著提高能量利用率。Wiset等研究了较高水分干燥段不同热风温度对3种泰国香米内部淀粉性质的影响，同时对比完全自然通风干燥过程，结果表明其中2个品种干燥前期在100、125 ℃条件下干燥后稻米的整精米率都比自然通风干燥高[14]。这也证明，如果合理设置干燥条件，先高温、后低温的干燥方式也可以获得较高的干燥品质。之后又有研究先采用较高温（40～80 ℃）热空气将含水率20%～25%的稻谷干燥到含水率18%之后，再存放于温度18～30 ℃、相对湿度60%～70%的通风仓内进行就仓干燥至含水率低于14%，结果证实该两程干燥方式对高湿稻谷干燥能量利用率高[15]。相对而言，国内相关研究较为滞后，大多数干燥机仍是以恒定的干燥条件进行设计，对于南方地区高水分稻谷的干燥，这并不满足最有效的操作工艺要求。一些学者对高湿谷物变温干燥进行了研究，认为：高湿稻谷采用逐步升温干燥工艺干燥，在保证品质的前提下，可大大降低干燥能耗[16-18]。随后有人提出了稻谷分程干燥工艺模型[19]：高水分稻谷经高温（50～90 ℃）干燥至水分为18.0%～18.5%，再进行通风暂存，最后对暂存仓中的低水分稻谷进行低温（45～65 ℃）干燥，并通过分程干燥工艺和恒温干燥、变温干燥的对比，发现该分程干燥模型在生产效率和节能方面均显示出优势。为了解决高温快速干燥效率和稻谷干燥后品质之间的矛盾，杨国峰等研究了干燥-通风联合干燥工艺参数对稻谷品质的影响，结果发现当干燥温度较高时（>60 ℃），整精米率可以通过延长缓速时间达到较高水平，但是最终的食味品质总体上会随着干燥温度的升高而降低[20]。目前大部分对稻谷分程干燥的研究仍然是从能耗角度分析分程干燥的优势，有关分程干燥对稻谷干燥品质的研究大部分停留在爆腰率和含水率的比较方面，因此笔者等目前的研究工作主要从不同工艺参数的设置对稻谷品质的影响等方面着手。

1.2远红外干燥

稻谷在吸收红外线时，辐射能量被转化为热量，物料水分随之蒸发出来，从而达到干燥目的。在红外线干燥过程中，物料表面的水分持续蒸发吸热，造成其表面温度较低而内部温度较高，这样就形成了与物料内部水分梯度和温度梯度方向相同的情形，相比于热风干燥，可以大大提升干燥速度[21]。

远红外辐射的热能远大于近红外辐射，自从日本在20世纪90年代初开始推广远红外干燥设备以来，这种高效、节能、环保的干燥方式正逐步被应用在稻谷及其他粮食的干燥设备中。远红外主要结合热风一起对稻谷进行干燥，Meeso等设计试验，在流化床干燥后对稻谷进行远红外辐射干燥，最后进行适当缓苏，结果显示在流化床干燥阶段稻谷含水率下降至23%后就会对稻米造成损伤，但是若结合远红外干燥，稻谷水分即使低至21%，其品质也无明显变化[22]。之后又建立了远红外-流化床分段干燥过程中质热耦合传递模型，并指出远红外辐射干燥对高湿稻谷干燥效率比低湿稻谷干燥效率更高[23]，[JP3]为确定远红外干燥条件提供了理论依据。罗剑毅通过对稻谷的远红外干燥特性和工艺研究，得出远红外干燥稻谷干燥温度、初始含水率、装载量的最佳组合及影响规律[24]。运用远红外干燥稻谷，干燥后品质好，设备干燥效率高，占地面积小，但是对大型谷物干燥机运用红外线干燥还存在一定技术障碍。

1.3微波干燥

近年来微波干燥技术发展迅速。微波即波长范围为 1 mm～1 m 的电磁波，常用于加热的频率为915、2 450 MHz[25]。物料在微波场作用下，内部分子运动加剧，相邻分子间相互作用可使物料温度迅速上升，加热时间短且均匀[26]。将热风、微波薄层干燥对稻谷品质的影响进行对比，发现稻谷微波间歇干燥的干燥速度更快，所需能耗小，且对稻谷的霉菌、细菌有一定抑制作用[27]。当前我国微波干燥技术仍处于探索阶段，在实际运用中仍存在诸多困难，如加热功率、工作频率控制不当会引起物料干燥速度过快或加热不均匀等，严重影响物料加工和食用品质。

1.4真空干燥

真空干燥是将物料置于密闭的真空干燥室内，物料内部的水分由于压力差或浓度差扩散到物料表面，再分散到真空室内的低压空间由真空泵抽走，从而达到干燥目的。低温真空干燥能克服传统热风干燥造成的溶质散失和品质下降问题，适用于稻谷等热敏性物料的干燥。稻谷真空干燥中工艺参数对降水幅度影响的研究表明，干燥时间、真空度、干燥温度是影响谷物干燥降水幅度的3个最主要因素，都与降水幅度呈正相关[28]，其影响大小依次为干燥温度>干燥时间>真空度。但由于目前该设备成本高、能耗高，真空干燥还没有得到广泛应用。

1.5太阳能干燥

随着人们资源节约意识不断增强，太阳能作为清洁能源已经被运用到诸多领域，以节省或替换其他不可再生能源。将太阳能作为热量来源也可以很好地解决干燥过程能耗过多的问题。

对于稻谷干燥而言，利用太阳能进行干燥的意义还体现在提高稻谷干燥品质方面。为了使稻谷尽快干燥，并保证干燥后稻谷的加工品质，Meas等对收获后的稻谷进行了当地传统的田间干燥试验，结果表明谷层厚度越薄、翻动频率越高、干燥速率越慢、空气流速越小，稻谷的整精米率越高[29]。这也证明，即使是利用太阳能的自然干燥过程，干燥条件变化对稻谷的影响也是存在的。虽然及时进行田间干燥能在一定程度上保证稻谷新鲜度，但这种干燥方式的不可控因素较多，干燥后稻谷品质不统一，并不适合大规模生产[30]。在用透明材料建造的温室中构建混合的自然对流方式，模拟自然晾晒过程，不仅能耗小，并且可以得到较好品质的稻谷，尤其适合水稻种植面积大、日照时间较长的东南亚国家[31]。Paterson等先后针对不同太阳能干燥模式建立了相关模型[32]。

国内利用太阳能进行稻谷干燥的研究相对较少，应用也不多，原因主要是干燥温室占地面积大，在偏远农村地区即使有较大场地条件，也主要依靠自然晾晒进行干燥，所以该技术在我国实用性不高。

1.6过热蒸汽干燥

过热蒸汽干燥是一种现代干燥技术，以水蒸汽作为干燥介质，通过过热蒸汽与物料直接接触以减少物料内部水分，使物料得以干燥[33]。这种方式最大的优势在于干燥后的废气潜热可以回收，大大提高了能源利用率。另外，过热蒸汽传热系数大，干燥过程也没有传质阻力，所以干燥效率要显著高于热风干燥[34]。Rordprapat等通过在稻谷流化床干燥中使用热风、过热蒸汽2种不同干燥介质进行对比，发现后者干燥的稻谷整精米率比前者高，主要是由于过热蒸汽干燥前期稻谷温度满足其内部淀粉颗粒从玻璃态转向橡胶态的条件[35]。

对稻谷这种热敏性物料进行干燥时，须要在低压环境下进行过热蒸汽干燥才能避免由于温度过高造成的损失。Kozanoglu等对稻谷低压过热蒸汽干燥过程进行了动力学分析，结果显示蒸汽过热化程度是影响干燥过程的最关键因素，当过热化超过30 ℃后对干燥过程几乎没有作用，不适用于热敏性物料的干燥[36]。过热蒸汽干燥虽然在节能和干燥品质方面都存在优势，但是对于大批量的稻谷干燥，压力、温度都须要调试，技术要求高；此外，要求完全密封的蒸汽环路，也会增加设备的运行和维修成本。

2稻谷干燥品质研究

稻谷作为粮食和商品，干燥过程要求的不仅是去除水分，还须要保证干燥后稻谷的外观品质和食用品质不受破坏。因此，评价一种干燥技术的优劣，其对稻谷干燥后品质的影响是必要的评判依据之一，其中爆腰率最为重要。但是，仅以控制爆腰率和干燥速率为干燥工艺参数设计标准不够客观和全面。近几年国内外学者对干燥后稻米品质的变化及检测指标开展了很多研究。

2.1外观品质

2.1.1色泽、气味

色泽、气味是最直接影响稻谷作为商品销售的品质之一。干燥后的稻谷，首先须要检测的就是色泽、气味，目前主要依靠感官进行评定。热损伤或焦糊会造成稻米色泽、气味的明显变化。刘诺阳研究认为，稻米光泽随着干燥温度或干燥功率的升高有变暗趋势，初始含水量26%的粳稻、籼稻在热风90 ℃干燥时会产生轻微的不正常气味[37]。

2.1.2爆腰

爆腰是稻谷干燥过程中的常见现象，稻谷在经过复杂的热量、质量传递后，如果干燥条件控制不当，稻米颗粒就会产生可见裂纹，增加碾米过程中的碎米率，降低产品品质。所以，国家规定稻谷干燥机对稻谷的爆腰率增值低于3%[38]。对于爆腰产生机理存在不同的理论解释：传统理论认为是水分梯度产生的内部应力超过其本身抗拉强度而导致[39]；玻璃化裂纹理论认为外层玻璃态和中心橡胶态交界处产生的裂纹是由于内层、外层热特性、吸湿性、膨胀系数的差异所造成[40]；李栋也从多方面分析了稻谷的应力裂纹产生机理，并提出采用低温、大风量及慢速冷却、低温贮藏等措施使稻谷的单裂纹、双裂纹、龟裂纹、总裂纹均降低[41]。

许多学者研究了不同干燥条件对稻谷爆腰的影响。刘冬梅等研究证实，干燥速度控制在5%以下，采用低温干燥，避免过度干燥，可较好地控制爆腰率[42]。但是这种低温干燥周期长、效率低，不能完全满足生产要求。有关单程干燥过程稻谷干燥品质的研究显示，在高湿条件下高温干燥也可以实现，同时适时的缓苏工艺也可有效减少爆腰产生[43]。有学者针对缓苏工艺对干燥品质影响的研究表明，缓苏温度越高，缓苏效果越好，对爆腰抑制效果越好[44]。也有学者通过试验得出，对于高水分稻谷（含水率24%左右），缓苏工艺对爆腰率影响明显，但是缓苏时间大于2 h时，稻谷的爆腰率趋于稳定，由此制定了最佳工艺参数为干燥温度50～60 ℃，缓苏温度60～70 ℃，缓苏时间120～160 min[45]。稻谷的爆腰并不单纯产生于稻谷干燥过程，在整个稻谷生产过程，如收割、贮藏、加工都有可能产生爆腰[46]，所以研究干燥条件对稻谷爆腰率的影响时也应注意控制其他变量，才能获得更准确的结果。

2.2加工品质

加工品质别称碾米品质，是在稻谷碾米过程中表现的品质特征，包括出糙率、整精米率、碎米率。出糙率主要是由遗传因素决定的，受干燥条件影响较小。曹崇文指出，爆腰的稻谷不一定出现碎米，爆腰率并不能作为干燥品质限制的唯一标准，还应以整精米率作为稻谷干燥品质的另一指标[47]。郑先哲等研究表明，爆腰严重的稻谷才会引起整精米率显著下降，同时还建立了爆腰率和整精米率的关系[48]。但是整精米率检测繁琐、耗时，一般采用直接碾米后整米占毛谷试样的比例作为整米率进行近似检测。吴建明对采用整米率作为稻谷加工工艺品质检测指标的可行性进行了分析，结果表明该方法的检测结果合理且更直观地表现稻谷的整体品质[49]。干燥条件对整精米率的影响和对爆腰率的影响相似，较高的初始含水率和较高的干燥温度都会引起整精米率下降[50-52]。国外研究表明，适当控制谷层厚度也可有效减少整精米率的降低[53]。

2.3蒸煮食味品质

蒸煮食味品质是指稻米在蒸煮、食用过程中体现的品质，如色泽、黏度、弹性、酸度、口感等。稻谷干燥条件变化会对稻谷蒸煮特性和食味品质产生一定影响，所以稻谷干燥后的蒸煮食味品质研究对于稻谷干燥工艺改良和稻谷生产加工也非常重要。一般认为，稻谷食味品质和其发芽率存在一定线性关系，发芽率越高，稻谷新鲜度越高，食味品质越好[54]。研究证实，20 ℃储藏条件下稻谷的储藏水分在14%左右时，稻谷发芽率随着储藏时间的延长并没有明显变化[55]，这说明稻谷的干燥终了水分保持在14%左右即可保证稻谷在储藏过程中的食味品质。保持稻谷新鲜度的最直接方式是将收获的稻谷及时干燥后保存，研究发现，及时干燥的稻谷食味品质明显高于延时干燥的稻谷[56]，存在的主要问题是无法满足大批量稻谷的及时干燥任务。稻谷的一系列理化性质也是构成其蒸煮食味品质的关键因素，如水分含量、淀粉种类及含量、蛋白质含量、脂肪含量等。其中直链淀粉含量是决定稻米蒸煮食味品质的关键因素[57]。研究表明，稻谷经过高温（>45 ℃）干燥后，米粒内部的淀粉结构由有序排列变得杂乱，最终导致稻米食味下降[58]。干燥温度也会对脂肪酸含量产生影响，高温会致使酯解酶活性升高，造成储藏期的稻米产生游离脂肪酸，并进一步分解为醛基化合物，从而产生不良气味，使食味下降[59]。因此，对稻谷干燥品质的检测不能仅在干燥后，还应时刻关注稻谷储藏期间稻米品质变化，这样才能更全面掌握干燥工艺对稻谷品质的影响。

对大米蒸煮食味品质的评判过程非常复杂，除了依靠感官评定外，往往涉及很多参数的测定，一些学者利用稻米淀粉的RVA特征谱进一步探讨其与稻米食味品质的相关性[60-62]，使过程得到简化。有研究将干燥后测定的稻谷理化指标与感官评定值建立起相关关系[39]，可以排除感官评定的主观因素影响。

3结论与讨论

在干燥技术方面，国内仍然以热风干燥为主、其他干燥方式为辅的发展模式进行研究，近年来相关研究已经取得不少成就，变温干燥、分程干燥等干燥方式也因其展现的优势而逐渐得到重视。但总体来讲，国内对这些新兴干燥方式下干燥品质的系统分析还不够深入，须要开展更多关于其工艺参数设置对品质影响的研究才能更全面评价该技术的适用性。

目前对干燥品质的评判指标还不够完善，对稻谷干燥后的品质缺少整体性评价，因为各特征指标间往往具有相关性，单个指标并不能完整体现稻谷品质的好坏。所以，今后我国稻谷干燥的研究重点之一就是完善稻谷品质的评判体系。

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