深床缓苏干燥工艺条件对稻谷干燥特性及爆腰增率的影响

魏志鹏，王丹阳，王 洁，张本华，战廷尧，吕晓波，王立男

（1.沈阳农业大学工程学院，沈阳 110161;2.辽宁邮电规划设计院有限公司，沈阳 110179；3.沈阳市发展和改革委员会，沈阳 110013）

稻谷是我国种植范围最广、总产量最大、单产量最高的粮食作物。国家统计局数据显示，2018年我国稻谷种植面积达3.02×108hm2，其产量为2.12×1011t[1]。目前，稻谷收割逐步以机械化收割代替人工收割，北方地区收割时间的前移和集中，造成稻谷收获后水分一般约20%，最高达到23%[2]。热风干燥是稻谷收获后普遍采用的脱水方法，干燥效果直接影响稻谷的储藏期和储藏品质。热风干燥具有降水速率较快的优点，但持续进行热风干燥容易导致高水分稻谷降水不均[3]。深床干燥指深度20cm以上的非均匀热处理[4]。现阶段稻谷连续式热风干燥工艺存在干燥时间长、效率低、能耗高、介质的温湿度及干燥速率难以控制等影响干燥品质的问题。

稻谷干燥品质是缓苏工艺领域的重点研究对象[5-12]。吴中华等[13]研究了缓苏特性与裂纹产生规律；张越[14]探究了流化床干燥工艺中缓苏时间对爆腰等指标的影响；王攀[15]验证了高温（50℃和60℃）缓苏干燥使种子保持活力的可能性；杨国峰等[16]认为缓苏温度为60℃是最优的干燥-缓苏工艺条件；任广跃等[17]发现缓苏温度60～70℃和缓苏时间120～160min会降低爆腰率。夏宝林等[18]在稻谷薄层干燥过程中提高缓苏温度，延长缓苏时间可降低爆腰率；许多研究也都表明，干燥过程中缓苏温度和缓苏时间的选择对稻谷干燥品质有显著影响[19-24]。于洁等[25-26]研究了干燥段时间与缓苏段时间的比值对稻谷的干燥品质影响。但大部分国内外学者对稻谷缓苏工艺的研究主要集中在改变薄层稻谷缓苏工艺的缓苏温度和缓苏时间等参数对干燥品质的影响，对于缓苏方式、缓苏含水率、缓苏时刻等重要的缓苏工艺参数缺乏系统的分析研究。由于对深床缓苏工艺理论了解不够全面,很难把握和确定具体的缓苏干燥工艺操作参数，在实际生产过程中不合理的使用缓苏干燥工艺同样也会造成稻谷干燥品质劣变。针对上述问题，本研究将深入探讨稻谷的缓苏干燥特性，分析缓苏温度、缓苏时间、缓苏方式、缓苏时刻、缓苏含水率对稻谷干燥后稻谷爆腰增率的影响，优化缓苏干燥工艺参数，为提高稻谷干燥的生产效率和工艺参数优化提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

试验稻谷为辽粳10号，初始含水率12%～14%（w.b）。试验前对稻谷样品进行过筛除杂，再通过人工挑选，剔除破裂、发芽、不成熟、有病虫害、有垩白的籽粒以及糙米粒，获取色泽均匀、颗粒饱满的稻谷种子作为试验材料。除杂后的样品放于温度4℃、湿度60%下的人工气候箱保存。根据质量计算加入定量蒸馏水混合均匀，使样品水分调节至23%，用双层塑料袋密封48h。试验在干燥试验室进行，环境温度11~15℃，相对湿度43%~52%。

1.2 试验仪器及设备

主要仪器设备为：稻谷热风干燥试验平台（图1）、DHG-9040A电热恒温鼓风干燥箱、TM902C型数显式温度表、BS200S型电子天平、101-OA型数显式电热恒温干燥箱、Sartorius18100P数字天平、Testo860-T3激光瞄准红外温度计、RGX-400型人工气候箱。

图1 试验过程结构原理图Figure 1 Schematic diagram of test process structure

1.3 方法

试验采用热风固定深床稻谷干燥平台，将初始含水率[（23±0.3）%]（w.b）的稻谷干燥到最终含水率为14%（w.b）的安全储藏水分下。稻谷干燥筒内径为9.8cm，高度70cm。试验前约40min启动试验设备，调节干燥稻谷所需风量及风温，使其达到预定值并稳定后开始进行稻谷试验。试验过程中每隔一定时间用专用取样器和热电偶测量各层测点的稻谷风温及含水率，直至干燥筒顶层稻谷含水率低于14%（w.b）时停止试验。

稻谷干燥过程采用第一段热风干燥-缓苏干燥-第二段干燥的操作过程。先将稻谷干燥至一定含水率然后加入缓苏操作，缓苏干燥后再将稻谷干燥至安全储藏含水率。设置热电偶型温度传感器来测量记录干燥温度及缓苏温度。本试验的固定因素为：谷层厚度（30±2）cm，分5层，每层间隔6cm，热风干燥温度控制为（60±5）℃，热风风速（0.8±0.1）m·s-1。变量因子及相应试验范围为：缓苏温度Ttem:20~60℃，缓苏时间ttem:1.5~12h，缓苏方式Mtem：停风保温、停风停温、通风保温、低风温停、通风停温，缓苏含水率Wtem:16%~20%，缓苏时刻Stem：5层稻谷中每层含水率达到18%（w.b）。

1.4 稻谷各项指标的测定

含水率的测定参照GB5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》计算稻谷的初始干基含水率和湿基含水率。爆腰增率测定参照GB1350-2009《稻谷》。试验前随机查取原始稻谷300粒，每100粒为1组，手工剥壳后检测其中凡是有裂纹的糙米均为爆腰，取其3组均值为初始爆腰率C0。热风缓苏干燥试验后于各干燥层任意查取稻谷100粒为1组待测式样，48h后分别测其裂纹粒数，计算爆腰率。每组式样做3次平行试验，取其均值与初始爆腰率之差计算稻谷爆腰增率为：

式中：C为爆腰增率(%)；C0为初始爆腰率(%)；c0为稻谷籽粒数；c为稻谷爆腰数。

1.5 数据处理

采用Excel 2016处理数据，利用Origin 9.1绘制稻谷干燥特性曲线。

2 结果与分析

2.1 缓苏方式对稻谷干燥品质的影响

由图2可知，不同缓苏方式对深床稻谷干燥至储藏安全含水率所需的净干燥时间有较大影响。通风保温、通风停温和低风保温的缓苏方式会使稻谷在缓苏干燥阶段的干燥速率大幅提升，干燥稻谷至安全含水率的净干燥时间均不超过180min。而采用停风保温和停风停温的缓苏方式，由于缺少了空气的对流传热和传质，在缓苏干燥阶段水分蒸发量相对较少，将稻谷干燥至安全水分的净干燥时间都在220min以上。这说明增加干燥热空气的流动会加快稻谷籽粒在缓苏阶段的水分蒸发，提升干燥速率，缩短净干燥时间。整个干燥过程表现为降速干燥，采用不同缓苏方式时，在干燥过程最初的60~65min内干燥速率最快，随后干燥速率逐渐下降。缓苏过程中稻谷籽粒内部水分的扩散速率远低于热风干燥过程的水分扩散速率，且第一个热风干燥阶段干燥速率明显高于第二个热风干燥阶段。这是由于随着热风干燥的进行，蒸发水分的主要形式由自由水逐渐转变为结合水，稻谷结合水的干燥相对困难，因此干燥速率在逐渐减小。也证实了籽粒内部的湿分传递是影响干燥速率快慢的主要因素[17]。

图2 不同缓苏方式下的干燥特性曲线Figure 2 Drying characteristic curves of different tempering methods

对试验数据进行方差分析，分析结果如表1，F0.01(4,10)=5.99<20.86，p=7.67*10-5<0.01，说明缓苏方式对爆腰增率的影响极显著。

表1 缓苏方式对爆腰增率影响方差分析Table 1 Analysis of variance of crackle ratio by tempering methods

由图3可知，停风保温的缓苏操作方式可以显著降低稻谷的爆腰增率，这种缓苏方式可以促使籽粒内部的水分重新均布，最大程度的降低稻谷由干燥段进入缓苏段所造成的温度梯度，使固定深床稻谷形成一个质热分布均衡的复合体，减小籽粒内部的水分梯度和由此引发的籽粒内部的湿应力，使稻谷较为平稳的进行玻璃态转化，降低了潜在的籽粒裂纹风险。而低风停温和停风停温的缓苏方式也会增加稻谷爆腰增率是由于如果采用低于玻璃化转变温度的缓苏温度,稻谷籽粒内部会存在橡胶态区，此时籽粒内部各部分存在很大水分梯度差,那么籽粒内部不同含水率部分就会在不同水分梯度下分别进入玻璃态,如玻璃化转变时水分梯度足够大,就会引起各部分不均匀收缩和各不相同的应力、应变,造成籽粒裂纹[27]。这也符合BAN[28]认为的如果稻谷有足够的水分梯度并在较低的温度下缓苏稻谷较易出现裂纹的结论。通风保温和通风停温的缓苏干燥方式会显著增加稻谷的爆腰增率，说明热空气的对流传热传质作用会提高缓苏过程中的稻谷表面水分蒸发的速度，干燥热空气传递干燥能的速率增加，导致缓苏过程中也有较快的传质速率，在缓苏干燥段内去除的水分量也较高，使稻谷籽粒内部温度场、湿度场分布不均匀，引起稻谷籽粒内部形成较大的温度梯度和水分梯度，增大了稻谷籽粒内干燥应力，产生籽粒裂纹[29-31]。此外，采用通风保温和通风停温的缓苏干燥方式会大幅增加干燥能耗，不利于实际的干燥生产作业。结合缓苏温度、缓苏时间、缓苏含水率、缓苏时刻对干燥品质的影响分析，停风保温的干燥缓苏操作方式可以作为参数的优化组合，以获得较好的稻谷干燥品质。

图3 不同缓苏方式对爆腰增率的影响Figure 3 Additional crack percentage of different tempering methods

2.2 其他缓苏条件对稻谷干燥品质的影响

缓苏温度、缓苏时间、缓苏时刻及缓苏含水率对爆腰增率都有极显著的影响。由图4和图5可知，缓苏干燥过程的传质速率远低于热风干燥过程。在一定范围内增加缓苏温度可以降低稻谷的爆腰增率，减少净干燥时间。延长缓苏时间，爆腰增率总体呈逐渐下降的趋势，验证了国内外学者关于适当延长缓苏时间改善稻谷干燥品质的结论[8,13,21,32]，当缓苏时间超过3h后继续延长缓苏时间也无法提高缓苏阶段的降水幅度，且部分上层稻谷由于长时间的缓苏甚至会出现吸湿等现象，延长将稻谷干燥至安全水分的净干燥时间。

图4 不同缓苏条件干燥特性曲线Figure 4 Drying characteristic curves of different tempering conditions

图5 不同缓苏条件对爆腰增率的影响Figure 5 Additional crack percentage of different tempering conditions

3 讨论与结论

稻谷缓苏干燥全过程为降速干燥，缓苏阶段的降水速率明显低于热风干燥阶段，第一段热风干燥速率明显高于其他干燥阶段。在稻谷热风固定深床干燥过程中，缓苏温度、缓苏时间、缓苏方式和缓苏含水率对爆腰增率变化有极显著影响。本研究结果表明，缓苏温度以40℃为宜，缓苏时间不低于1.5h延长缓苏时间有助于提升干燥品质，持续延长缓苏时间对干燥品质提升较小。停风保温的缓苏方式可以降低干燥后爆腰增率，稻谷含水率18%(w.b)的是最适宜的缓苏含水率。在稻谷中层含水率达到18%时加入缓苏工艺可以提高缓苏干燥阶段的干燥速率。

在稻谷含水率较高时加入缓苏工艺，净干燥时间较长，此时第二个热风干燥阶段主要以干燥结合水为主，结合水的干燥比较困难，所需的总能量增多，当干燥能传递速度不变时，需延长干燥时间获取所需的干燥能。缓苏含水率低时爆腰增率高可能是在加入缓苏工艺前稻谷受热处理时间过长导致籽粒出现热疲劳，使玻璃态转变不均匀，出现籽粒内部处于橡胶态，而外部已经转变为玻璃态的情况。这种不均匀的玻璃态转变也是造成稻谷干燥过程中产生籽粒裂纹的重要原因。当中间层(18cm)稻谷含水率达到18%(w.b)时加入缓苏工艺可以明显降低稻谷干燥后的爆腰增率，这说明稻谷干燥60min后，籽粒中心的含水率仍然在18%[33]，此时继续热风干燥也无法提高干燥效率，还可能造成较大的水分梯度。