稻谷真空干燥工艺参数对糙米爆腰增率的影响

徐泽敏，谢修鸿，牟 莉

(长春大学 食品科学与工程学院，长春 130022)

0 引言

稻谷相较其他谷物而言难于去除内部水分，由于其结构的特殊性，稻谷外部坚硬的颕壳在干燥升温过程中，将阻止热量向内部传导及糙米内部水分的由内向外扩散，温度差、湿度差的产生，将导致内应力增大。如若干燥工艺参数选择不适，会使糙米内外温度和湿度梯度产生较大变化，容易导致溶质失散和食味感观品质降低以致爆腰的产生[1-3]。烘干时，热风温度不宜过高[4-6]，否则易使糙米组分中淀粉糊化和变性，也极易发生蛋白质、氨基酸变性，使应力裂纹增大、爆腰粒增多[2,7]、大米品相差、食味品质下降、深加工产品得率低，经济效益受到直接影响。因此，宜采用低温缓苏工艺，利用现代的智能技术手段，优化干燥工艺参数组合，烘干出最佳的糙米品质[4,8]。稻谷烘干是通过传热传质去除其内部水分的过程，也是其水分由内向外迁移从液相变为气相的变化过程[2,9]。在低温真空条件下，可以加速反应进程且节能环保[10]。目前，应用连续真空干燥技术烘干稻谷的报导甚少，主要受到装备关键技术和成本的制约。

笔者在全面实验分析的基础上，利用二次正交旋转组合方案，试图建立以爆腰增率为目标函数的数学模型，为探索稻谷低温真空干燥工艺路线及真空干燥机的参数设计提供借鉴。

1 原材料、设备及试验检测方法

1.1 试验材料

选用吉林省种植的市场售新鲜粳稻，测试水分为22.1%，测爆腰率2.3%。

1.2 试验设备及仪器

ZK—82A型真空干燥箱，工作温度室温～200℃，真空度267Pa；JA10002电子天平，精度为0.01g，最大荷载1 000g；202-3型电热恒温干燥箱，温度为范围5～300℃，控温精度±1.0℃；CLS、JLG—1型砻谷机，取样量20～50g；谷物筛子，方孔2.0mm×2.0mm、1.0mm×1.0mm；分析盘、镊子；放大镜。

1.3 试验检测检验方法

稻谷的参数指标依据GB5009.3-2016食品安全国家标准食品中的水分测定方法 ，采用电热烘干箱法测出含水量为22.1%。根据GB5496-85粮食、油料检验糙米裂纹粒的检验法，取50g稻谷用实验砻谷机脱壳后，不加挑选地取整粒糙米100粒放入分析盘中，用放大镜进行鉴别，用镊子拣出有裂纹的米粒，拣出的粒数即爆腰率。测得新鲜粳稻爆腰率为2.3%。

将含水量为22.1%的稻谷每组称200g试样，分为3组平行实验，分别装入网眼平底圆盒中，一起放入真空干燥箱里；打开阀门启动真空泵，使干燥箱内压力达到设定压力并保持；然后，关闭阀门并进行加热，箱内的温度由温控仪调温控制。干燥开始后，每间隔20min称1次质量，直至达到所设定的干燥时间，3组试样测定的数据取平均值。以稻谷的爆腰(裂纹)增率作为检测指标，即真空干燥后测得的爆腰率减掉2.3%。

2 二次旋转正交试验设计及实验结果分析

2.1 正交设计实验方案

本次试验是在玉米薄层真空干燥[9，11]和稻谷降水真空干燥试验[2,7]的基础上，制定试验指标和方案。以爆腰增率为目标函数(Y)，影响真空干燥工艺效果的参数主要有干燥温度(V1)、真空度(V2)、干燥时间(V3)。为了确定影响主次和优化参数，采用了二次回归旋转正交设计，三因素三水平，中心试验次数为9，总的试验次数为23，数学模型[12]为

(1)

正交试验的各变量关系和各水平编码如表1所示。

表1 试验因素各水平编码关系表Table 1 Test factors each level coding relational table

2.2 正交设计实验结果

根据正交实验各因素的编码数值组合对水分为22.1%的原稻谷进行真空干燥，测得不同干燥参数影响下的爆腰增率(y)实验数据,如表2所示。

表2 二次正交旋转实验设计及测得数据Table 2 Design and data of quadrature orthogonal rotation experiment

续表2

150009.02160008.59170008.78180008.97190008.52200008.77210009.16220008.56230008.45

2.3 统计分析及数学模型的建立与检验

2.3.1 爆腰增率回归模型的取得

根据表1、表2变量关系试验方案测得的稻谷爆腰增率的测试数据，采用数据统计分析方法，用统计软件SPSS分析计算，得出编码空间的回归二次方程为

y=8.8255+3.7448x1-0.5353x2+2.8324x3-

0.145x1x2+1.354x1x3+0.57x2x3+

(2)

2.3.2 模型的显著性分析

获得的二次回归方程，用软件同时进行方差显著性检验及回归系数|t|检验，结果如表3所示。表3数据表明：方程的回归性明显，证明模型(2)与实际真空干燥测得的结果有较好的拟合。

为此，二次回归方程式(2)可作为稻谷爆腰增率编码空间的数学模型。

表3 方程的回归系数检验检测表Table 3 The regression coefficient of equation is tested

续表3

3 影响爆腰增率的因素分析

通过对数学模型(2)进行降维应用分析，确定各参数之间的相互作用关系对稻谷爆腰增率的影响，通过图形来分析说明。

3.1 干燥时间对爆腰增率的作用

以编码模型为分析对象，针对真空度和干燥温度处于因素水平中间3个区间时进行对比作图分析。图1显示了干燥温度为恒温40℃时干燥时间对爆腰增率的影响。由图1可知：随着干燥时间的延长，爆腰粒在增多；不同真空度下，爆腰增率有些许变化，真空度越大，稻谷爆腰增率越小，但随干燥时间的增加，减小的幅度越来越小最后趋于一致。因此，干燥加热时间对稻谷爆腰影响较大，大于真空度对其的影响，应尽量缩短干燥时间；但在温度不变的条件下，干燥稻谷到安全水分，如若缩短烘干时间，就要相应地提高真空度。

图1 干燥时间影响曲线Fig.1 The drying time affects the curve

3.2 真空度对爆腰增率的作用

图2为干燥时间4h时3种不同温度下真空度对稻谷爆腰增率的影响曲线。由图2可知：随着真空度的增大，爆腰增率在缓慢减小，3条曲线斜率皆较小，真空度对其影响较弱；而3条曲线间隔较大，温度对其影响较明显，尤其45℃曲线与40℃间隔更大，爆腰粒更多，说明干燥温度不宜过高。

图2 真空度影响曲线Fig.2 The vacuum degree affects the curve

3.3 干燥温度对爆腰增率的作用

图3所示为真空度0.05MPa时不同的干燥时间条件下干燥温度对爆腰增率的影响曲线。由图3可知：爆腰增率随干燥温度的上升而显著上升，同样温度下，干燥时间越长，爆腰粒越多；当温度低于35℃时，3条曲线斜率较小，尤其干燥时间3h曲线几乎处于水平，爆腰率无大变化；温度高于45℃，曲线越陡峭，斜率越大。

图3 干燥温度影响曲线Fig.3 The drying temperature affects the curve

3.4 实验因素排序主次分析

根据以上回归模型的降维分析及回归系数t检测统计得出：稻谷真空干燥时应力裂纹(爆腰)的程度受干燥时间、真空度和干燥温度3个因素的交互作用；在实验区间范围内，3因素对爆腰增率的作用由强至弱的次序可排列为：干燥温度(x1)>干燥时间(x3)>真空度(x2)。

4 结论

1)利用正交旋转回归设计方法，建立了以干燥时间、真空度和干燥温度为参数的稻谷爆腰增率的二次回归模型，通过统计分析显著性检验，确定模型的可行性。

2)采用单因素降维分析，诠释了三因素对稻谷爆腰增率的交互作用影响，绘制了三因素的影响图表，直观地反映出真空干燥过程中稻谷爆腰增率的指标。

3)利用t值检验和图表分析，确定了三因素对目标函数的影响。影响稻谷爆腰增率的主次因素依序应为干燥温度、干燥时间、真空度；爆腰增率正相关于干燥温度和干燥时间，负相关于真空度。