小麦收获后干燥作业对内在品质的影响

路云龙 ， 张千红 ， 周懿涵 ， 王 媛 ， 程宇晨 ， 朱梦伟

（西北农林科技大学，陕西 咸阳 712100）

我国是农业大国，每年粮食总产量高达10 000亿斤，巨大的粮食产量给粮食的产后处理工作带来了巨大压力。以小麦为例，我国小麦种植面积全球第三，多达3.542 6亿亩，年产量1.34亿t[1]。当小麦从田间收获时，其自身含有干物质和水。虽然水是植物生长和谷物生产所必需的，但是谷物成熟后水分过多会导致其储存出现相关问题。谷物水分含量表示为水分占谷物重量的百分比。例如，100 kg水分含量为13% 的小麦含有 13 kg水分和 87 kg干物质小麦。小麦水分含量和温度在决定安全储存期限方面起着至关重要的作用。通常，干燥的谷物颗粒和较低的温度会增加安全储存时间。相比之下，更潮湿的小麦种子和更高的温度会增加害虫、昆虫、霉菌和真菌，而这些会对小麦质量和其市场价值产生较大的影响。因此，小麦干燥和储存的主要目标是管理小麦种子周围空气的温度和湿度，最大限度地减少小麦本身质量和市场价值的损失，同时为市场保留品质更好的小麦产品。保持小麦质量需要在收获后，将小麦干燥至安全的含水量水平，然后将小麦温度降低并保持在环境空气温度以内。

1 小麦干燥理论研究

随着科学技术的进步和干燥理论的丰富，各种干燥方法及干燥机被开发出来，如卧式旋转干燥机、稻谷工业化流化床干燥机、斜床式干燥机、涡流式稻谷干燥机。在研究这些干燥技术后，笔者发现，无论其外在措施如何，通用的干燥介质都是热空气。

收获谷物后常用的干燥措施包括常压低温真空干燥、热风干燥、太阳能干燥、热泵干燥、就仓干燥、蒸汽干燥、红外辐射干燥、微波干燥以及组合干燥等[2]，就笔者调研情况来看，常压热风干燥仍为应用最广泛的小麦干燥方法。传热传质理论是热风干燥的理论基础，然而在工程实践中更多的是要借助小麦干燥试验取得经验数据和模型，主要有薄层干燥、深层干燥和实物干燥模型等方法，其中薄层干燥是基础试验方法，用于取得数据和建立模型，深层干燥和实物干燥模型主要用于理论和模型验证。薄层干燥是指物料厚度小于2 cm的床层在一定状态的干燥介质（热空气）中进行的干燥，在一定参数条件下，物料湿含量随着干燥时间的变化规律，进一步建立薄层干燥方程，为深层干燥、干燥装备的研究及干燥过程的优化提供理论基础。

1.1 国外研究进展

在国外，干燥领域专家主要运用薄层干燥理论对农作物和经济作物进行研究。著名的Page 方程[3]是美国Page教授在1949年以玉米为对象采用了薄层干燥实验得出，该方程奠定了薄层干燥理论的基础，为日后的相关研究提供了思路。Thompson教授在1967年对当时现有的谷物干燥机开展了调查研究，并建立了模拟干燥过程的状态方程。由于当时的理论局限，该模型只考虑了水分与热空气在一定条件下的平衡状态，并没有多加假设其他限制因素，存在相当大的缺陷。1980年，Wongwises教授以长粒稻谷为研究对象，建立了其在不同条件下的干燥速率模型。随后的几十年间，研究者的研究对象转为研究薄层干燥理论内涵。Parti等建立了一套用于谷物干燥的薄层理论模型。1992年，Miketinac 等首次得到了薄层干燥中的传热系数值。进入21世纪，研究者们不再仅限于稻谷，以多品种的谷物进行干燥研究，深入薄层干燥的理解。Vega-Mercado 等[4]在论文中简略描述了谷物干燥的研究进展，并且指出薄层干燥技术应被划分为第4代干燥技术范畴。2003年，Doymaz和 Pala采用不同浓度的浸泡液对玉米进行了薄层干燥试验并研究其热风干燥速率，得到了浸泡过的玉米与原玉米相比干燥速率增加的理论，论证了 Page 方程在玉米干燥领域的权威性。2007年，Wongwises 和Thongprasert对比了薄层和深床两种不同方法在稻谷干燥时的效果，并建立了干燥时间的回归方程。同年，Kashaninejad等运用空气温度、空气湿度、空气流速来描述开心果在不同的数学模型下的薄层干燥过程。之后的10年间，研究者们开始跨领域、交叉学科来对谷物干燥进行不同方向的研究。例如：2011年，Hacihafizoglu 等采用有限元因素对玉米薄层建立了模型，给出了相比持续干燥，间歇性干燥更有效的结论。2012年，Alibas[5]在真空条件下，以红辣椒为研究对象进行薄层干燥试验，研究了其干燥速率与温度和环境变换的影响。2014年，Kucuk对过去10年间的薄层理论模型进行了总结性的描述，并比较不同模型的优劣。2016年，Ruhanian和Movagharnejad等采用最新的红外技术，研究了马铃薯厚度与红外强度对于薄层干燥效果的影响。2017年，Jiang采用有限元差分法，解出了最优厚度的使用边界。2018年，Prakash以两个不同的单变量方程来描述长粒水稻的薄层干燥，指出了空气和籽粒的品质对干燥速率的影响。这些国外学者的研究，为不同谷物的干燥提供了许多经验模型，这为小麦干燥的研究奠定了坚实的基础。

1.2 国内进展

与国外的研究相比，国内在谷物干燥的领域虽然起步晚，但是成果不菲。曹崇文等于1984年进行农业领域的干燥研究，总结并得出了一系列薄层干燥数学模型[6]。1993年，王登峰和李慧珍以新收获的玉米为样本，通过分析实验数据，得出了对干燥因素影响较大的因子。21世纪初，我国研究者采用不同的先进手段对不同的谷物薄层干燥理论开展调研。2003年，高波等对以往高含水谷物的干燥模型进行了再拟合，得到了全新的适用该类型的模型，并取得了优异的成果。2005年，彭桂兰等探讨了不同温度风力、风速对萝卜丝干燥速率的影响，优化了Page模型并且采用BP神经网络模型对Page模型预测模拟结果。殷丽春和毛志怀等延续了这一研究，并增加了不同变量。2006年，赵春雨等进行了有关玉米多段干燥过程温度与烘干后粮食含水率之间关系的研究，取得了一定成果[7]。同年，任海军根据调研文献中的干燥曲线，设计并开发了新的干燥设备，提高了自动化干燥的进程。2007年，刘中深等使用Page方程，研究了低温干燥与真空度的关系。2008年，杨俊红等采用干燥实验得出了种皮会阻碍籽粒干燥的结论。2009年，史英春等以油菜籽为对象进行研究并调整干燥流程，实现预热—干燥—缓苏—冷却和预热—干燥—冷却的工艺，给出了不同作物最合适的干燥参数值。2011年，王宝和等对薄层干燥技术的研究进展进行了综合评述，并简要介绍了各种类型的薄层干燥方程[8]。2012年，Yi开创性地采用威布尔分布模型预测并优化了干燥实验。2013年，王赫等确定了影响玉米干燥的不同参数优先程度。2014年，任丽辉等在前人的基础上，完善了种子含水量以及风力风速对干燥率的影响。同年，宋佳改造了薄层干燥试验装置，进行了固定深床干燥试验，通过对比深床干燥试验结果和实际干燥机干燥试验结果，证明了建立的偏微分方程具有较好的精度和可信度。2015年，弋晓康设计出第一台专门干燥红枣的机器[9]。2016年，陈思羽等建立了谷物平衡水分与相对湿度在不同温度下的关系模型，并拟合了小麦、稻谷、玉米等谷物的解吸与吸附过程的吸着等热曲线回归方程。同年，温海江等测定了不同温度条件下，热风速率及谷物切片厚度对于干燥理论的影响。尹慧敏等以薄层干燥试验为研究手段利用Weibull分布函数拟合了马铃薯的干燥曲线，并给出了测量对象不同参数的取值优先值。2017年，陈俊轶探究了干燥对马铃薯内在品质的影响。2018年，高雪等针对冷冻后水稻，采取低温干燥，研究了不同温度下干燥与其解冻后品质的关联[10]。2019年，徐泽敏等以糙米爆腰增率为输出项，通过低温薄层干燥试验取得数据并建立了数学模型，研究结果证明了干燥时间、真空度和干燥温度是影响干燥品质的重要因素，且影响程度先后次序为干燥温度、干燥时间、真空度。

通过总结国内学者的研究发现，虽然在该领域我国发展时间晚于发达国家，但研究进程并未落下，且在最新的领域内，不断展现我国学者的风采。

2 小麦干燥过程及其对小麦品质的影响

小麦的干燥涉及将小麦暴露在相对湿度（RH）较低的空气中，这将导致小麦中的水分蒸发，从而去除小麦中的水分。由于干燥做法会对小麦籽粒品质产生重大影响，因此了解谷物干燥的一些基本原理很重要。

2.1 除湿

在小麦这类谷物中，水分存在于两个地方：谷物表面的“表面水分”和谷粒内部的“内部水分”。当小麦暴露在热空气中时，表面水分很容易蒸发，而内部水分的蒸发则要慢得多，因为它首先要从小麦内部移动到外表面，也就是说，小麦表面水分和内部水分以不同的速率蒸发，这种差异导致不同干燥时间的干燥速率不同。干燥速率的定义为干燥过程中谷物水分含量下降的速率。它通常以每小时去除的水分百分比 （%/hr）表示。小麦烘干机的典型干燥速率在 0.5%/hr 到 1 %/hr 的范围内。如图1所示的干燥曲线显示了谷物水分含量（MC）和谷物温度随时间的变化。从图中可以看出，干燥速率不是恒定的，而是随时间变化的。谷物的温度同样随时间变化。

图1 谷物水分含量和谷物温度随时间变化曲线

2.2 干燥周期

在图1所示曲线的基础上，3个不同的干燥阶段将在时间上连续发生。

1）Ⅰ预热期（干燥速率几乎为0）：当潮湿小麦暴露在热空气中时，最初仅观察到小麦含水量发生了非常轻微的变化。这是因为干燥空气中提供的所有热量都用于将小麦加热到干燥温度。

2）Ⅱ恒速期（干燥速度随时间恒定）：一旦小麦处于干燥温度，水分开始从小麦表面蒸发。在此期间，干燥空气中的所有热量都用于蒸发表面水分，并且从小麦中去除的水分量是恒定的。因此，它被称为恒定速率时期。在此期间，小麦温度也是恒定的。

3）Ⅲ降速期（干燥率随时间下降）：随着时间的推移，内部水分出现在表面的时间更长，水分的蒸发不再随时间恒定。此时，干燥速度会下降，干燥空气中的一些热量会加热谷物。对于小麦，下降期通常发生在小麦水分含量大约18%时[11]。

输入为1rad的阶跃输入时，基于自调整因子模糊PID与传统模糊PID响应曲线如图2所示。由图2可以看出，基于自调整因子模糊PID的超调量接近于0，调节时间为0.3972s，传统模糊PID的超调为4.026%，调节时间为0.4617s。所以得到基于自调整因子模糊PID与传统模糊PID相比具有更好的动态性能和稳态性能。

通过使用18%水分含量和干燥曲线特性作为指导，可以对小麦的干燥程序提出一些建议。无论小麦是在阳光下自然干燥还是使用人工谷物干燥机，都可以使用这些准则。

2.3 干燥速度和温度

当小麦内水分含量高于18%时，小麦干燥速度可以通过提供更高的温度或更多的干燥空气而提高（即干燥会更快），而小麦籽粒温度不会发生重大变化。水分含量低于 18%时，干燥空气温度的增加并不会增加干燥速率，但会增加小麦温度并可能损坏小麦品质。因此，较高的干燥空气温度可用于将小麦快速干燥至18%水分含量（以去除表面水分），但应使用较低的温度来去除小麦的内部水分。

对于小麦而言，出于保护种子的目的，无论水分含量是多少，干燥空气温度都不应超过 43 ℃，以避免谷物过热而杀死胚芽。小麦在 60 ℃ 下暴露 1 h可使种子发芽率从 95% 降低到 30%；在 60 ℃ 下暴露2 h则会使发芽率降低至 5%[12]。

2.4 干燥均匀

在干燥过程中，单个小麦的水分含量始终存在差异。特别是在固定床干燥机中，空气入口处的小麦比空气出口处干燥得更快，这就导致了干燥过程结束时，小麦组块中的水分梯度。为了生产优质谷物或种子，这种变异性应保持尽可能低。晒干时经常搅拌，固定床烘干机中的小麦翻动或循环间歇式烘干机中的循环，将提高干燥的均匀性，最大限度地减少干燥小麦的再润湿，从而保证小麦质量。

2.5 回火

当小麦的干燥暂时停止时，小麦内的水分会因扩散而均衡。重新开始干燥时，干燥速度比连续干燥高。这种间歇性停止的过程称为回火。此外，在回火过程中，小麦之间的水分差异实现均衡。因此，回火还可确保在某些干燥机类型中干燥期间形成的小麦散装中的水分梯度最小化。为了保持较高的小麦质量，建议包括一个回火期，以便重新分配谷物中的内部水分。在现代再循环谷物干燥机中，谷物不是连续干燥，而是经过一个干燥循环，然后是回火过程。这样的做法不仅提高了干燥速度和谷物质量，同时也降低了能源成本。

2.6 不同干燥程度对小麦品质的影响

小麦收获之后，虽然其籽粒内水分及营养物质的传递积累过程已经完成，但是其内部的生化反应仍在继续进行。水分、蛋白质、淀粉含量都对小麦籽粒的品质有着不同的影响。在对小麦进行干燥的过程，小麦籽粒内的水分含量受到影响最大，新收获小麦含水量较高，且籽粒呼吸作用旺盛，因此需要快速干燥使其含水量至18%，再使用低温干燥以减少对其品质的影响。

将小麦研磨成面粉后，麦谷蛋白和麦胶蛋白的含量综合影响面团的黏弹性和可塑性，而面团中蛋白质含量的多少和研磨前小麦籽粒的含水量有着直接的关系。郭翎菲在其研究中指出，随着温度的升高，小麦籽粒含水量降低，其后研磨面粉团中蛋白质含量有所降低。此外，小麦由于其胚乳中的大分子合成过程仍在继续，胚乳的组织结构还不紧密，因此需要进行干燥操作，提高其加工品质。

3 常见的小麦干燥方法

小麦籽粒干燥的目的是使籽粒达到适宜贮藏的含水量要求，减少霉菌产生影响小麦品质的可能。常见的小麦干燥方法包括自然风干、低温干燥和高温干燥3种。

3.1 自然风干

自然风干是最常见的谷物干燥方法，在科技落后的年代，农民们在收获谷物后，选择温度气候适宜的天气将谷物晾晒在地面促进水分蒸发。本研究所提及的自然风干是指将粮仓装满或部分装满粮食，然后让自然空气通过粮仓的过程[13]。这种自然风干的粮仓通常配备有穿孔地板、干燥风扇、谷物撒布机、清扫螺旋钻和卸料螺旋钻以及搅拌装置。然而，对于大多数粮食产区的自然风干系统而言，这并不经济，因为过度干燥通常不是一个重大问题，通常情况下干燥箱的装载可以通过便携式螺旋钻或斗式提升机完成。

当干燥（较低的蒸气压）空气通过湿的（较高蒸气压）小麦时，水分会从小麦中转移到空气中。向空气中添加水会降低其干燥接下来经过的小麦的能力。这个过程随着空气穿过小麦中而继续，直到空气不再干燥小麦，或者空气离开小麦。随着风扇继续运转，干燥前沿从空气进入存储小麦的地方移动到离开小麦的地方[14]。在干燥前沿后面，小麦处于平衡水分含量（EMC）。在干燥前沿之前，小麦高于EMC。进入小麦的空气气压和流速决定了干燥前沿的形成以及它通过小麦的速度。空气流速取决于风扇特性以及小麦堆放深度。随着颗粒深度的增加，空气流速降低。因此，增加小麦堆放深度会减慢干燥前沿并增加所有小麦达到 EMC 所需的时间，增加小麦质量损失的可能性。

自然风干干燥小麦的一个常见错误是一次性向谷物箱中添加过多的小麦。这将增加干燥时间并延迟小麦干燥过程，从而增加小麦质量损失的可能性。因此，通常建议一次只向谷物箱中添加适量的小麦，然后避免添加更多小麦，直到该层干燥[15]。根据系统设置，可以交替装载多个谷物箱，或者可以将谷物移动到另一个装料箱。

使用自然空气成功干燥谷物通常是最节能的干燥方法，这也是最慢的方法，并且最有可能导致谷物变质。因此，自然干燥如果要防止腐败或谷物产生黄曲霉毒素问题[16]，则需要高水平的管理。最大的风险是因为几乎没有加速干燥过程的“储备”能力，入口空气条件随天气变化。通常，谷物箱每个收获季节只装满一次。如果开始变质，中途修正仅限于立即使用另一种干燥方法干燥或在谷物由于不可接受的损坏程度而降解之前出售。

3.2 低温干燥

低温干燥是指在粮仓中装满或部分装满谷物，然后用风扇将几乎不加热（<10 °F）的空气吹过谷物的过程[17]。这通常在带有穿孔地板或管道的谷物箱中完成。通常，电是热能源，因此有时使用术语“电干燥”代替“低温干燥”[18]。

假设低温干燥方法始终具有在与长期储存相关的可接受水分含量范围内干燥谷物的潜力。这与自然风干形成对比，自然风干在室外空气条件下可能不允许进一步干燥。当空气被加热时，它的温度和体积都会增加，但它的水分含量保持不变。这导致空气的相对湿度降低，并允许可能的净水分从谷物转移到空气中。水分转移一直持续到谷物和空气达到平衡[19]。在谷物干燥过程中，随着水分从谷物中转移并从仓中排出，干燥风扇会持续供应空气。对于低温干燥，添加足够的热量以便干燥可以继续，直到达到通常可接受的最终水分含量。在这种方法中，需要打孔地板。其余装置通常包括谷物撒布机、地板下卸料绞龙和清扫绞龙。还可以添加搅拌装置。填料箱可以通过便携式螺旋钻或斗式提升机完成。

在低温干燥中，谷物被干燥并储存在同一个谷物箱中，从而最大限度地减少处理步骤和劳动力成本。通常，尽管运行干燥风扇需要更多的能量，但由于使用较少的能量来加热干燥空气，干燥的相对总成本会降低。因此，与高温方法相比，成功的低温干燥在能源成本方面相对经济。成功的低温干燥被定义为将谷物干燥到所需的水分含量，而不会因能源成本或谷物腐败而造成过多的经济损失[14]。当加热以增加干燥空气温度时，干燥的可能性会增加，但谷物腐败的速度也随着温度的升高而增加。因此，低温干燥通常仅限于谷物水分相对较低的条件，小麦的含水量接近 12%。低温干燥储备容量小，系统可以以低稳定速率干燥谷物，不会有很大改变。同时如果使用太阳能作热源，则系统的可靠性会进一步降低。也许与低温干燥相关的最大风险是天气的逐年变化，可能不会每年都使用相同的干燥策略。

3.3 高温干燥

高温干燥在料仓或干燥机中进行。高温干燥有4种方法：仓内间歇干燥、循环仓干燥、连续流仓干燥和通过干燥[20]。批量干燥类似于自然空气/低温干燥，不同之处在于空气温度通常为 120 °F～160 °F，空气流速为 8 cfm/bushel～15 cfm/bushel。高温干燥大大缩短了干燥时间。然而，靠近地板的小麦经常变得过于干燥，而顶层谷物还保持着湿润状态，因此，需要搅拌装置提供更均匀的干燥。搅拌还允许增加同一批次仓内小麦的深度。循环仓干燥机是将谷物装满存储仓，然后打开风扇和暖气。这些存储箱底部有一个清扫螺旋钻，由温度或湿度传感器激活。当满足目标条件时，扫掠螺旋推进器进行一次完整通过并停止，直到再次满足这些条件。清扫螺旋输送机排出的小麦放置在小麦顶部。这种方法可能会发生一些干燥小麦的再润湿，从而导致效率低下的问题。

通过干燥通常是干燥小麦的最快方法。大多数谷物提升机使用某种形式的通过式干燥机来快速干燥大量谷物。这种方法需要所有干燥方法中最高的能量输入。使用通过式干燥机的最大好处是它们可以干燥大量谷物。当与短期湿小麦储仓结合使用时，可以以超过通过式干燥机容量的速度收获小麦。然后，当收割暂停时，例如在晚上，连续运行的烘干机会清空储湿箱。虽然通过式干燥机往往是最昂贵的干燥选项，但它们确实具有在小麦收获和干燥过程中提供更大控制的优势。通过式干燥机有多种型号，包括一些安装在拖车上的便携式型号。由于使用了较高的温度（180 °F～220 °F），因此可能会过快或过多地干燥小麦并导致小麦出现破裂或其他问题。然而，通过适当的管理，可以保证高品质的小麦，从而为销售更高品质的小麦提供机会。

4 总结

通过文献调研发现，对于小麦的内在品质包括水分、蛋白质和淀粉来说，干燥作业对蛋白质和淀粉的影响不是很明显，其主要影响小麦籽粒的水分含量，从而影响小麦品质。在现有科技条件下，热风干燥及薄层干燥理论仍是目前最常用的小麦干燥技术。谷物干燥技术仍然有许多难题需要攻克，希望未来能研究出更节能、更高效的干燥方式，推动小麦等谷物存储技术步入新的阶段。