受冻水稻低温干燥特性研究

高 雪，车 刚，万 霖，王 鑫

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

东北地区土壤肥沃，是我国重要的水稻主产区之一，随着国内外稻米市场对东北大米需求的日益增加， 粳米价格一路上扬[1-2]。国家“十三五规划”提出绿色兴农，推动农业发展绿色化，实现农业资源的高效利用和提升农产品质量。由于东北地区的种植期积温较低，水稻生育迟缓，导致减产不可避免，所以提高优质粳稻产后品质尤为重要。东北三省水稻在种植面积、产量、单产及成本收益等方面增长最为明显[3]。很多学者利用热风干燥技术，研究了常态下水稻干燥特性，并建立了数学模型，分析了干燥后稻米品质，但对室外零度以下暂存的水稻的干燥特性研究较少。东北地区大量收获的水稻不能及时干燥，在室外会受冻，降低了稻米的经济收益。目前，缺乏对受冻水稻干燥特性的研究。鉴于此，本文在多次试验的基础上，研究自然温度-0～-5℃时受冻水稻低温干燥特性，并分析干燥后稻米品质，为寒地水稻干燥工业提高经济效益提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

1)实验材料。水稻由黑龙江八一农垦大学实验基地提供，品种为垦粳5号。室外-5℃处理材料，将样品脱粒、除杂，24h后进行试验。3种样品分别测定初始含水率3次，平均结果分别为19.6%、19.0%、18.2%。

2)实验仪器。薄层干燥试验台如图1所示。

1.恒温恒湿机 2.手动调风门 3.风机 4.加热器机架 5.加热器 6.第一温湿度传感器 7.第1阀门 8.热风管道 9.管道固定支架 10.第2阀门 11.第1风速传感器 12.第2温湿度传感器 13.第3温湿度传感器 14.第2风速传感器 15.第3阀门 16.第4阀门 17.工作台 18.称重传感器 19.容料室 20.干燥室 21.电控系统 22.数据处理系统图1 薄层干燥试验台结构

实验仪器还有：MB45专业型水分测定仪，美国奥豪斯公司；SATAKE米饭食味计；ES-1000谷粒判别器；FC-2K砻谷机；VP-32精米机，日本佐竹公司； FOSS 近红外谷物品质分析仪，丹麦 FOSS公司。

1.2 试验方法

薄层干燥试验设备采用水平送风、垂直称重设计，以提高数据精确度。数据处理系统利用各点温湿度传感器、风速传感器、称重传感器对实时信号进行采集，分析处理后可绘制不同参数之间的变化曲线。

每次试验称取样品 100g放入容料室， 10min记录1次质量，并计算出含水率。每个试验重复3次，取平均值。当受冻水稻含水率(湿基)低于14%左右时停止试验。试验因素为初始含水量、热风温度、热风表现速度。以干燥速率、爆腰增值率为干燥特性评价指标，整精米率、直链淀粉含量、粗蛋白含量及米饭食味品质为烘后评价指标。

1.3 测量方法

1)稻谷在干燥过程中含水率为

(1)

式中G0—干燥样品初始质量(g)；

M0—干燥样品初始含水率(%)；

G(t)—干燥一段时间后样品的质量(g)；

M(t)—干燥t时间后样品的含水率(%)。

2)脱水速率为

RA=(W0-Wt)/T

(2)

式中RA—脱水速率(%/h)；

W0—物料的初始含水率(%)；

Wt—干燥t时刻物料的含水率(%)；

T—干燥过程总时间(h)。

3)干燥水分比为

(3)

式中MR—水分比；

M(t)—水分含量(%，干基)；

M0—初始水分含量(%，干基)；

Me—平衡水分(%，干基)。

1.4 统计分析

采用Excel、Origin 7.5软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 干燥条件对受冻水稻干燥特性的影响

2.1.1 热风温度对干燥特性的影响

确定风速为0.1m/s,初始含水量为19.0%，研究热风温度对受冻水稻干燥特性的影响。温度对稻谷干燥特性曲线的影响如图2所示。由图2可知：在干燥时间50～160min期间，谷物的干燥速率没有较大差别，含水量下降较快；干燥温度越高，谷物干燥速率越快，用时越短；热风温度为40℃时，干燥效果最为明显；将谷物含水量将至安全储藏水分需要300min。

图2 温度对稻谷干燥特性曲线的影响

干燥后期，由于水稻内部水分迁移困难，不同温度条件下的水稻的干燥速率均有降低，呈现降速干燥阶段。干燥温度越低，降水速率越低。总之，热风温度对谷物降水速率影响较大。

2.1.2 风速对干燥特性的影响

确定热风温度为35℃,初始含水量为19.0%，研究热风表现速度对受冻水稻干燥特性的影响，如图3所示。

图3 风速对稻谷干燥特性曲线的影响

由图3可知：温度为40℃时,谷物初始含水率为19.6%；在0～40min期间，谷物含水量下降变化不明显，受冻谷物外部吸收热量，热量还没向谷物内部传递，水分蒸发没有开始；60～220min期间，温度逐渐向谷物内部转移，加速了干燥速率；风速为0.5m/s的脱水速率明显快于风速为0.1m/s的谷物降水速率，物料处于恒速干燥阶段；干燥后期100min内，谷物降水幅度迟缓；风速为0.5m/s时干燥时间最短。

2.1.3 初始含水量对干燥特性的影响

确定风速为0.3m/s,热风温度为35℃%，研究初始含水量对受冻水稻干燥特性的影响，如图4所示。

图4 初始含水率对稻谷干燥特性曲线的影响

由图4可以看出：在不同的初始含水量条件下，谷物完成干燥时间有着明显差异，初始含水量和干燥时间呈正相关。试验证明：谷物含水量为19.0%比19.6%时干燥消耗时间短；含水量为18.2%时，干燥时间最短，干燥速率最快；在低温干燥条件下，干燥速率在干燥初期较大，随水稻含水率的递减，干燥速率递减较快，基本呈线性变化。

2.2 干燥后稻米品质分析

稻米品质可以分为外观品质和内部品质[4]。本文分析受冻水稻烘后爆腰增值率、整精米率、直链淀粉含量及粗蛋白含量，评价稻米食用品质。

2.2.1 外部品质分析

2.2.1.1 爆腰情况分析

干燥过程中，如果稻谷的干燥速度过快，则会形成爆腰[5]。水稻干燥后爆腰率与原始爆腰率的差值定义为爆腰增率[6-7]，也可以称为爆腰增值率，如图5所示。分析谷物试验后的爆腰增值率，对研究谷物干燥特性更有意义。

图5 爆腰增值率分析

图5(a)表明：初始水分含量相同、热风温度为30℃和 35℃时，稻谷爆腰增值率很小；干燥温度增加，稻谷的爆腰增值率增加较快。其中，热风温度为40℃、风速为0.5m/s时，爆腰增率更大，为3.6%；在热风表现速度相同的条件下，稻谷爆腰率随着干燥温度的升高而增加；受冻谷物在 30℃和35℃干燥温度下，风速对爆腰增率的影响不显著。

图5(b)表明：在介质温度确定为30℃时，稻谷爆腰增值率随着初始含水率的增加而增加，但变化不显著；图5(c)表明：风速越高，稻谷爆腰增值率越大；当风速为0.5m/s、风温为40℃时，爆腰增率高达3.6%。由此可见，风速与爆腰增率呈正相关性。综上分析，干燥温度对受冻稻谷干燥爆腰的影响是最大的，风速次之[8]。

2.2.1.2 整精米率分析

整精米占净稻谷试样质量的百分率称为整精米率[9]。整精米率是评价稻米外部品质一个重要指标。将不同干燥条件下样品得到的图像，利用Excel将数据进行处理并分析，结果如图6～图8所示。

图6 初始含水量对整精米率的影响

由图6(a)可知：在干燥温度相同条件下,初始含水量越高，整精米率越低；风温为40℃、初始含水量为19.6%时，整精米率低至52%。

图6(b)是风速为0.5m/s时初始含水量与整精米率间的曲线关系。35℃时，初始含水量为18.2%时，整精米率是51%；初始含水率为19.6%时，样品整精米率下降为48%。

综合分析得知：当风速相同时，热风温度越高，整精米率随着初始含水率降低而下降的变化趋势越明显。

图7 风速对整精米率的影响

由图7(a)可知：当初始含水率相同时,热风风速增大，整精米率随之下降；当风速最低0.1m/s时,整精米率最大是57%；热风速度相同时,初始含水量越高，整精米率越低。

由图7(b)可知：稻米整精米率随风速的升高而降低，变化不明显。初始含水量与整精米率呈负相关。初始含水率为19.6%、风速为0.5m/s时，整精米率最低，为46%。结合图7(a)与图7(b)分析可知：相同含水量条件下，风速对整精米率的影响低于热风温度对整精米率的影响。

图8 热风温度对整精米率的影响

由图8(a)可知：初始含水量相同时，干燥温度越高，整精米率越低；在同一干燥温度下,整精米率与初始含水率的呈负相关；干燥温度为30℃时,整精米率最大为76%，初始含水率为18.2%的样品其整精米率变化趋势比较平稳。从图8(b)可知：如果初始含水率相同,干燥温度升高，整精米率却随之下降,初始含水率为19.6%的样品，其整精米率下降趋势比较明显。图8(a)、(b)表明，初始含水率越高，整精米率越低。

2.2.2 内部品质分析

2.2.2.1 直链淀粉含量分析

直链淀粉含量越高，米饭质地越硬，食味越差[10-11]。本文利用Foss近红外品质分析仪，测得受冻水稻干燥后稻米直链淀粉的含量，如表1所示。

表1 不同干燥条件下直链淀粉含量

由表1可知：温度是影响干燥后稻米直链淀粉含量的主要因素；干燥温度越高，直链淀粉链断裂越严重，含量越少；初始含水率越低，直链淀粉含量越多。

2.2.2.2 粗蛋白含量分析

粗蛋白含量高的稻米,其米饭粘性小,硬度大,具有较高的咀嚼性[12]。蛋白质与稻米蒸煮食味品质呈负相关关系,过高的蛋白含量会使稻米食味较差[13]。稻米干燥后粗蛋白含量如表2所示。

表2 稻米干燥后粗蛋白含量

由表2可知：热风温度为30℃和35℃时，稻米干燥后粗蛋白含量含量在7%与9%之间，能够满足人们食味需求。随着热风温度的升高，粗蛋白含量随之升高，降低了米饭食味性。

2.2.2.3 米饭食味品质分析

粳稻材料可以利用食味计来快速、准确地评价稻米食味品质[14]，结果如表3所示。

表3 米饭食味值

对编号7、8、9样品在热风温度为40℃、不同初始含水率和风速条件下进行米饭食味品质测试。由表3可以看出：样品9号在香气、光泽、完整性、味道、口感等方面的综合评分最低，为77.4。

4 结论

通过受冻水稻薄层干燥试验，得出受冻水稻适合低温干燥，干燥时间相对于常温水稻干燥时间较长。单因素试验得出：受冻水稻干燥速率先快后慢，热风温度越高，干燥速率越快，干燥时间短。初始含水量越高，干燥时间越长。受冻水稻爆腰增值率与热风温度和表现速度呈正相关性，热风温度为30℃，热风表现速度为0.1m/s,初始含水率为18.2%，爆腰增值率最小为0.3%；整精米率最高68%；初始含水率越高，整精米率越低，热风温度不能高于35℃，米饭食用品质下降，热风温度对整精米率的影响较大。

热风温度为30℃和35℃时，稻米干燥后粗蛋白含量在7%～9.5%之间；米饭食味值随着干燥温度和风速的增加，综合得分呈下降趋势。热风温度为30℃、热风表现速度为0.3m/s、初始含水率为19.0%时，测得米饭食味综合得分最高。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0162-EA

Abstract： For large output of rice in northeast China, it has the problem of easily freezing after harvest in the process of storage and quality decreased after drying. This paper studies the frozen rice drying characteristics. Drying frozen rice through reasonable drying technology, under the premise of ensuring the quality of rice drying, reducing moisture content to safe moisture, so as to improve the economic benefits of rice in northeast China and provide reference and technical support for rice drying industry in cold region. In this paper, take frozen rice NO.5 of japonica as testing object, carrying out thin-layer drying experiment. Through single factor experiment, take hot air temperature, air speed, initial moisture content as the test factors, deal with and analysis the experimental results with Matlab and Origin, making evaluation on dry frozen rice quality. The test results show that the hot air temperature is 30℃, hot air velocity is 0.1 m/s and initial moisture content is 18.2%, the whole polished rice rate is higher, waist increment rate is the lowest, hot air velocity and temperature have a great influence on frozen rice drying characteristics. The higher the drying temperature, the lower amylose content; the amylose content increased with the decrease of initial moisture content; the taste value of rice with the drying temperature and wind speed increase, the comprehensive score shows a trend of decline.

Keywords： frozen rice； low temperature drying； drying characteristics