燃气催化式红外干燥工艺参数对稻谷平均干燥速率及其爆腰率的影响

高 扬 管立军 李家磊 张志宏王崑仑 严 松 卢淑雯 张莉莉

(黑龙江省农业科学院食品加工研究所1，哈尔滨 150086)(黑龙江省农业科学院乡村振兴科技研究所2，哈尔滨 150086)

远红外辐射加热技术作为一项新型技术优点众多，已被广泛应用于其他领域。而利用远红外辐射加热技术干燥粮食作物即快速高效又节约能耗，具有很好的应用前景[1～2]。红外干燥分为传统的电加热红外干燥和新型的燃气催化式红外干燥。传统的电红外辐射耗能大，运行费用较高[3～4]。催化式燃气红外辐射是将可燃气体与空气同时通入红外发生器内，燃气在催化剂作用下与空气中的氧气发生氧化反应，并产生远红外线、CO2和水蒸气。燃气催化式红外辐射产生的红外线其主要波段为3～7 μm，谷物在3、6 μm等红外区域有较大吸收，水在3 μm、5～7 μm也具有较强吸收带[5-7]。因此，燃气催化式红外辐射技术非常适合用于谷物的干燥。

本研究以自制燃气催化式红外干燥实验装置为设备基础，对稻米所谓红外干燥工艺参数的确定进行研究，探讨催化式红外干燥工艺参数对稻谷平均干燥速率以及爆腰率的影响规律，并通过相应曲面实验获得回归方程，并分析得到平均干燥速率与爆腰率之间相关性。为燃气催化式红外干燥技术在谷物干燥中的推广使用提供了一定的参考价值和研究依据[3,4]。

1 材料与方法

1.1 材料

全部实验所用稻米均来自黑龙江农业科学院五常水稻研究所培植的松粳12号。

1.2 实验设备

本实验采用黑龙江省农业科学院食品加工研究所自行研制的燃气催化式红外干燥实验装置，如图1所示。干燥物料时，需要将物料均匀放置在可调式网状载物平台9上，并通过调节载物平台9和燃气催化式红外辐射器10的位置，来改变物料与辐射器之间的辐射距离。可调式网状载物平台9带有重量传感器，可以进行物料的自动称重，干燥过程可以通过自动控制系统3实时监控物料的干燥失水过程，及时得到物料的实时含水率。干燥过程开始后，通过自动控制系统3开启送气泵，将储气仓4内的燃气送到管道6内，通过压力表1观测管道6内燃气气压。燃气通过管道6送入到红外辐射器10内，燃气在其内部发生催化反应释放热能，对物料进行干燥。干燥过程中，通过自动控制系统3设定所需干燥的温度，当干燥室8的温度达到设定值时，其内部的温度传感器7将信号反馈给自动控制系统3，控制系统3通过调节流量调节阀12来控制燃气流量的多少，进而对红外辐射器10的温度进行调节。干燥室8内的隔热层11可以防止空间内热能的损失，达到节能及提高干燥效率的作用。干燥过程中所产生的湿气可通过干燥室8上方的排气扇13排出，从而达到除湿的效果，提高干燥效率。

注：1 压力表； 2 工作台框架 ；3 自动控制系统； 4 储气仓； 5 送气泵； 6 燃气管路； 7 温度传感器； 8 干燥室； 9 可调式网状载物平台； 10 燃气催化式红外辐射器； 11 隔热层； 12 气体流量调节阀； 13 排湿装置。图1 燃气催化式红外干燥实验装置

1.3 实验设计

在预备实验研究工作基础上，采用响应曲面法进行实验设计(36组实验)，研究红外干燥工艺参数对稻谷平均干燥速率以及爆腰率的影响(表1)。各组试验重复3次，取其平均值，利用SAS 9.1软件分析试验结果。并通过相应曲面试验获得回归方程，通过数据分析得到平均干燥速率与爆腰率之间的相关性。

表1 因素水平编码表

1.4 实验方法

1.4.1 实验流程

稻米→去杂→称重→测量稻米水分→调节稻米水分→再次称重→红外干燥处理

1.4.2 水分测定

水分的测定：GB/T 21305—2007进行测定。

1.4.3 平均干燥速率测定

根据文献[8]，按式(1)计算平均干燥速率：

式中：W1为稻米的初始含水率；W2为稻米储藏安全水分14%；T为干燥到安全水分14%所需要的时间。

1.4.4 爆腰率测定

将干燥结束后的水稻随机取300粒，每100粒为一组。快速手工剥壳，把剥壳后的稻谷放在爆腰灯下观察水稻的初始爆腰率。在观察时把被观察的米粒放到玻璃板上，打开玻璃板下面的白炽灯，从上面观察水稻的爆腰粒数，即为爆腰率，取三次爆腰率的平均值为试验值。

2 结果与讨论

2.1 实验安排及结果

本实验应用响应曲面分析法进行优化。以x1(初始含水率)、x2(干燥温度)、x3(辐射距离)、x4(处理量)4因素为自变量，以平均干燥速率为响应值y1，爆腰率为响应值y2，响应面实验方案及结果见表2。

表2 实验方案及实验结果

续表2

根据表3中F值大小可得到，各因素对平均干燥速率的影响程度的主次关系为：x2>x3>x4>x1，即干燥温度>辐射距离>处理量>初始含水率。通过SAS9.1软件进行数据分析，建立二次响应面回归模型为：

表3 回归与方差分析结果

根据表4中F值大小可得到，各因素对爆腰率的影响程度的主次关系为：x3>x2>x1>x4，即辐射距离>干燥温度>初始含水率>处理量。通过SAS9.1软件进行数据分析，建立二次响应面回归模型为：

表4 回归与方差分析结果

由图2可以看出各因素对平均干燥速率的影响规律。平均干燥速率随着稻谷初始含水率x1的增加而加快，粮食中的水分一般分为结合水和自由水，当稻谷初始含水率较高时，其实是自由水的含量较高，自由水与粮食中干物质之间结合比较松弛，干燥过程中容易以蒸汽形态排出，因此粮食的初始含水率愈高，其中的自由水就愈多，平均干燥速率也就越快[8]。平均干燥速率随着干燥温度x2的增加而加快，干燥过程中红外辐射所释放的能量一部分用来提升稻谷温度，另一部分用来将稻谷表面的水分除去，随着温度的升高，使稻谷温度升高的能量逐渐减少，用来蒸发水分的能量增加，因此，平均干燥速率逐渐加快[8，9]。平均干燥速率随着辐射距离x3的增加而降低，被干燥的物料距离红外发射器越近，物料所接受到红外辐射能量越大，被干燥的物料升温就越快，平均干燥速率随之加快[9-11],[12]。平均干燥速率随着处理量x4的增加而逐渐降低，处理量越大，其平均干燥速率越小，这是因为随着处理量的增加，单位质量的稻谷吸收远红外辐射的功率下降，因而平均干燥速率降低[8，9]。

图2 各因素对平均干燥速率的降维分析图

由图3可以看出各因素对爆腰率的影响规律。爆腰率随着稻谷初始含水率x1的增加而增大，其他干燥条件不变的情况下，当稻谷初始含水率较高时，稻谷的水分降幅较大，导致爆腰率增大[13]。爆腰率随着干燥温度x2的增加而增加，随着温度的升高，用来蒸发水分的能量增加，水分的蒸发速度加快，稻谷内部的水分迁移过快，水分梯度的产生不可避免，导致爆腰率增加[14]。爆腰率随着辐射距离x3的增加而降低，被干燥的物料距离红外发射器越远，物料所接受到红外辐射能量越小，被干燥的物料升温就越慢，爆腰率随之降低[15]。爆腰率随着处理量x4的增加而逐渐降低，这是因为随着处理量的增加，单位质量的稻米吸收远红外辐射的能量下降，因而爆腰率降低[16]。

图3 各因素对爆腰率的降维分析图

2.2 平均干燥速率与爆腰率之间的关系

通过SPSS 21.0数据分析软件对平均干燥速率与爆腰率进行分析，对两组数据的相关性进行检验，如表5所示分析得出平均干燥速率与爆腰率之间存在正相关关系，且相关系数在0.01的显著水平(双边检验)上都非常显著[17]。

表5 相关性分析

为了更清晰、直观的观察两组数据之间的关系和趋势，我们绘制平均干燥速率与爆腰率的散点图。通过图4可以看出，平均干燥速率与爆腰率之间存在正相关关系，平均干燥速率越快，爆腰率越高，这因为谷物内部的水分的蒸发速度越快，水分从内部向外部的迁移速度越快，稻谷内部的玻璃态转变及水分梯度的产生不可避免，导致爆腰率增加。

图4 平均干燥速率与爆腰率的散点图

3 结论

催化式红外干燥工艺参数对稻谷平均干燥速率的影响程度依次为：干燥温度、辐射距离、处理量、物料初始含水率。平均干燥速率随着稻谷初始含水率、干燥温度的增加，呈现出加快的趋势；随着辐射距离、处理量的增加，呈现出降低的趋势。催化式红外干燥工艺参数对稻谷爆腰率的影响程度依次为：辐射距离、干燥温度、初始含水率、处理量。爆腰率随着稻谷初始含水率、干燥温度的增加，呈现出增加的趋势；随着辐射距离、处理量的增加，呈现出减少的趋势。平均干燥速率与爆腰率之间存在正相关关系，平均干燥速率越快，谷物内部的水分的蒸发速度越快，水分从内部向外部的迁移速度越快，稻谷内部的玻璃态转变及水分梯度的产生不可避免，导致爆腰率增加。