探究变温干燥对稻谷特性与干燥品质的影响

张亚伟, 尹 君, 渠琛玲

(河南工业大学粮食和物资储备学院,粮食储运国家工程实验室1,郑州 450000)

(国家粮食和物资储备局科学研究院粮食储运国家工程研究中心2,北京 100037)

新收获的稻谷水质量分数高,需要干燥至目标水分方可进入下一环节,因此干燥是稻谷收获后处理的必要和关键环节。淀粉是稻谷的主要成分之一,其作为一种非晶态物质,在干燥全过程中,会发生玻璃化转变现象。加之,稻谷也是一种热敏性物质,不合理的干燥工艺易导致籽粒形成裂纹和爆腰[1]。Cnossen等[2]提出玻璃化转变理论可以阐明稻谷干燥过程中出现裂纹和爆腰的现象。刘木华等[3]研究表明,稻谷产生裂纹与其玻璃化转变温度密切相关,且其玻璃化转变温度与水质量分数呈负相关。因此,在干燥过程中可根据稻谷玻璃化转变温度与水质量分数的关系制定合理的变温干燥工艺。

研究表明变温干燥是行之有效的节能工艺方式[4]。霍岩[5]设计的薄层干燥实验台,实现了稻谷变温干燥过程的自动测控,结果表明干燥速率和能耗均优于恒温干燥工艺,但稻谷干燥后的爆腰率较高,由于在线监测参数的精准度不高和控制系统迟滞性较大,还有待进一步优化。郑先哲等[6]开展稻谷变温干燥实验,结果表明,稻谷处于橡胶态下干燥,可有效降低稻谷籽粒内部水分梯度,减少裂纹的形成。有研究提出稻谷分程变温干燥工艺,相较于传统恒温干燥工艺,稻谷干燥后品质更佳[7,8]。Xu等[9]研究了干燥温度、变温时刻、变温温度、变温时长、变温次数等实验因素对稻谷干燥特性与干燥后品质的影响规律,结果表明,采用循环变温干燥可获得较好的干燥品质。王洁等[10]对比分析了两级变温干燥与50 ℃恒温干燥,结果表明,两级变温干燥的干燥时间缩短,爆腰率降低,脂肪酸值降低,直链淀粉降低,也验证了两段变温干燥是一种先进的热风干燥方法,既保证了稻谷干燥后的品质,又提高了干燥速率。

因此,基于玻璃化转变理论,根据稻谷玻璃化转变温度与水质量分数的关系,通过变温干燥工艺与恒温的对比,探究初始水质量分数、变温幅度、热风风速等因素对稻谷干燥速率和干燥后品质的影响,以期实现稻谷干燥高效率与高品质的目标。

1 材料与方法

1.1 实验材料

以稻花香五优稻4号为实验材料,产自黑龙江省五常市,初始水质量分数为(14.5±0.2)%(本研究中水质量分数均指湿基水质量分数)。实验前,用人工调水法,即分多次加入一定质量的蒸馏水,每次均匀喷洒蒸馏水与稻谷中并进行5～10次晃动;调湿后的稻谷装入双层自封袋中,并置于6 ℃冷藏库。水平平衡期间每12 h摇晃均匀1次,直至水分平衡,以获得不同水质量分数(22%、24%、26%)的稻谷样品。

1.2 实验仪器与设备

JK-LB1799型多参数可控原位精确干燥实验台,Q2000差示扫描量热仪(DSC),PQ-520型Kett(凯特)米麦单粒水分计,JDMZ-100稻谷出米率检测仪,JMWT-12大米外观品质检测仪,DGG-9140A电热恒温鼓风干燥箱,YP30002电子天平。

1.3 实验方法

1.3.1 测定稻谷玻璃化转变温度

通过DSC分别测定不同初始水质量分数稻谷的玻璃化转变温度。实验前,根据GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》(水质量分数低于18%)和GB/T 20264—2006《粮食、油料水分两次烘干测定法》(水质量分数高于16%)测定稻谷水质量分数,然后将其磨成粉末状,称取(10.0±0.1)mg样品,置于样品坩埚内,以空坩埚作为对照。载气与冷却样品为50 mL/min高纯氮气。利用DSC自带软件控制升温速率为10 ℃/min,升温范围由-20～120 ℃。从热流曲线上得到开始(Tgi)、中点(Tgm)和终点(Tge)的玻璃化转变温度,通常取中点Tgm作为玻璃化转变温度,记为Tg。每组样品实验重复3次。

1.3.2 实验流程与设计

干燥实验开始前,将每组约为500 g稻谷均匀平铺在筛网上,稻谷层厚度为1.5 cm。选取初始水质量分数(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%、(26.0±0.5)%、变温幅度(4、6、8 ℃)、热风风速(1.2、1.5、1.8 m/s)为实验因素,以爆腰增率、整精米率为实验品质指标,探究实验因素对稻谷干燥速率、爆腰增率、整精米率等的影响规律。当稻谷水质量分数为(14.5±0.2)%时,停止干燥实验。将干燥后的稻谷装入自封袋中,并在室温(28±2)℃放置48 h,记录爆腰增率,测定整精米率,对比变温干燥工艺与恒温的干燥后爆腰增率和整精米的变化。

橡胶态变温干燥实验设计:橡胶态变温干燥工艺的温度变化范围为36～56 ℃,变温幅度分别为4、6、8 ℃。根据稻谷玻璃化转变温度拟合曲线设定稻谷起始干燥温度,确保稻谷一直处于橡胶态。在干燥过程中,每5 min称量稻谷质量,通过设定公式获得稻谷水质量分数,目标水质量分数为(14.5±0.2)%时,结束干燥实验。在干燥过程中保证稻谷处于橡胶态,以稻谷初始水质量分数为22.3%为例,稻谷玻璃化转变温度为39 ℃,然后分别以变温幅度4、6、8 ℃进行变温,起始干燥温度分别为43、45、47 ℃。当起始干燥温度达到稻谷水质量分数下降时对应的玻璃化转变温度方可进行变温,使干燥温度高于稻谷玻璃化转变温度,确保稻谷处于橡胶态(稻谷初始水质量分数为24.3%、25.7%的变温操作类似)。

玻璃态变温干燥实验设计:玻璃态变温干燥工艺的温度变化范围为32～48 ℃,变温幅度分别为变温幅度分别为4、6、8 ℃。根据稻谷玻璃化转变温度拟合曲线设定稻谷起始干燥温度,确保稻谷处于玻璃态。在干燥过程中,每10 min称量稻谷质量,通过设定公式获得稻谷水质量分数,目标水质量分数为(14.5±0.2)%时,结束干燥实验。在干燥过程中保证稻谷处于玻璃态,以稻谷初始水质量分数为22.5%为例,稻谷玻璃化转变温度为39 ℃,起始干燥温度为39 ℃,下一次变温温度为43 ℃,以变温幅度4 ℃进行变温。稻谷水质量分数下降时对应的玻璃化转变温度为43 ℃时开始变温,使干燥温度低于稻谷玻璃化转变温度,确保稻谷处于玻璃态,变温幅度为6、8 ℃操作类似(稻谷初始水质量分数为23.9%、26.2%的变温操作类似)。

恒温干燥实验设计:干燥温度设定为45 ℃,稻谷初始水质量分数分别为(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%和(26.0±0.5)%,热风风速分别为1.2、1.5、1.8 m/s进行两因素三水平全面实验。

1.4 实验指标测定

1.4.1 稻谷水质量分数测定

参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》(水质量分数低于18%);GB/T 20264—2006《粮食、油料水分两次烘干测定法》(水质量分数高于16%)。

1.4.2 干燥速率的计算

式中 :v为干燥速率/%/min;Mi为干燥前稻谷初始水质量分数/%;Mt为干燥t时刻稻谷水质量分数/%;Δt为干燥时间/min。

1.4.3 爆腰增率测定

实验前随机抽取原始完整的稻谷300粒,每100粒为1组,手工剥壳后检测其中有裂纹的糙米均为爆腰粒,取其3组均值为初始爆腰率。干燥实验结束48 h后,任意抽取100粒为1组待测,测其裂纹粒数,每组样品做3次平行实验,取其均值与初始爆腰率之差为稻谷爆腰增率[11]。

1.4.4 整精米率测定

参照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率检验法》执行。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS和Origin软件进行数据统计和绘图。

2 结果与分析

2.1 稻谷玻璃化转变温度与初始水质量分数的关系

稻谷玻璃化转变温度与初始水质量分数的关系:Y=75.689 99-1.670 12X,R2=0.987 04。当干燥温度高于稻谷玻璃化转变温度时,稻谷处于橡胶态区域;当干燥温度低于稻谷玻璃化转变温度时,稻谷处于玻璃态区域[12]。实验结果表明,稻谷水质量分数由22%降至15%,其玻璃化转变温度由38 ℃上升到50 ℃,呈线性负相关。因为水是一种增塑剂,对高分子材料中非晶态高聚物有增塑效应,会影响体系的玻璃化转变温度[13]。

2.2 变温干燥与恒温干燥对稻谷干燥速率和干燥品质的影响

由图1和表1可知,干燥前期,恒温干燥速率最快;干燥后期,橡胶态变温干燥速率保持最快直至目标水分;玻璃态变温干燥速率最慢。这是由于玻璃态变温干燥时,稻谷籽粒内的淀粉处于玻璃态,其籽粒内外水分梯度小,内部水分流动性弱,水分扩散速率慢,水分从内部扩散到表面速率较慢,籽粒内外的水分梯度小,产生的应力小,干燥后爆腰率低,保证了整精米率。恒温干燥条件下,在干燥前期(稻谷水质量分数大于18%),干燥温度较高,籽粒内部的水分梯度较大,水分扩散速率较快,随着干燥进行,稻谷水质量分数下降,籽粒内部水分扩散速率变慢,此时稻谷玻璃化转变温度升高,稻谷发生了玻璃化转变,其籽粒内部形成较大的应力,导致裂纹产生,爆腰增率增加。橡胶态变温干燥,稻谷籽粒处于橡胶态,随在干燥温度升高,其内部水分扩散动力增大,干燥速率加快。因此,在干燥后期(稻谷水质量分数小于18%)橡胶态变温干燥速率大于恒温干燥。由表1可知,橡胶态变温干燥条件下,变温幅度为8 ℃时,爆腰增率有所增加,整精米率下降,因此要合理控制变温幅度才能保证该条件下稻谷干燥后的品质。在干燥速率方面,橡胶态变温干燥工艺更占优势。在干燥后品质方面,玻璃态变温干燥工艺更占优势,这与刘坤等[7]研究结论一致。

表1 变温与恒温干燥后稻谷干燥品质对比表

图1 变温与恒温稻谷干燥速率变化曲线

2.3 橡胶态变温干燥速率和干燥后品质分析

综合考虑稻谷干燥速率和干燥后品质,选择橡胶态变温干燥工艺探究初始水质量分数、变温幅度、热风风速对干燥速率和干燥品质的影响规律。

2.3.1 初始水质量分数对稻谷干燥速率和干燥品质的影响

由图2和图3可知,在变温幅度6 ℃、热风风速1.5 m/s的条件下,稻谷初始水质量分数处于不同水平时,其干燥速率随水质量分数升高而加快。这主要是因为稻谷初始水质量分数越高,其内部以自由水结合形式的水分维持在较高水平,水分从内部扩散到表面的速率较快。同时稻谷籽粒内外的水分梯度大,形成的内外应力大,导致裂纹产生,爆腰率增加,整精米率下降[14]。

注:图中不同字母表示有显著差异。余同。

2.3.2 变温幅度对稻谷干燥速率和干燥品质的影响

由图4和图5可知,在初始水质量分数24.3%、热风风速1.5 m/s,随变温幅度增加,稻谷干燥速率加快,爆腰增率增加,整精米率变化与之相反。这主要是因为稻谷在干燥时主要以对流、热传导等方式进行传热[15]。稻谷籽粒存在各向异性,随着干燥进行,籽粒内外的水分分布不均匀,变温幅度增加时,干燥温度升高,水分扩散速率加快。同时,籽粒内部的水分梯度变大,形成的干燥应力增大,超过了稻谷籽粒所承受的极限强度,则产生裂纹,导致爆腰率增加,整精米率下降。变温幅度较低时,有利于稻谷籽粒在干燥全过程不同阶段(干燥和缓苏)水分平衡,使其内部的水分梯度减小,降低籽粒内外产生的应力,进而降低爆腰增率,保证整精米率。

图4 不同变温幅度稻谷干燥速率变化曲线

图5 变温幅度对爆腰增率和整精米率的影响

2.3.3 热风风速对稻谷干燥速率和干燥品质的影响

由图6和图7可知,在初始水质量分数为24.3%,变温幅度为6 ℃条件下,干燥速率随热风风速增加而加快。这主要是因为热风风速影响稻谷籽粒表面水分的扩散速率,在所选取的参数范围内,热风风速越大,籽粒表面水分蒸发速率越快,从而使干燥速率加快。同时,热风风速增大,稻谷籽粒表面水分的蒸发速率大于内部的水分扩散速率,籽粒表面的玻璃化转变温度比其内部的高,故在同一干燥温度下,籽粒外部处于玻璃态,而内部处于橡胶态,内外形成的拉压力变大,导致裂纹产生,爆腰增率上升,整精米率下降。

图6 不同热风风速稻谷干燥速率变化曲线

图7 热风风速对爆腰增率和整精米率的影响

3 结论

基于玻璃化转变理论,研究了变温干燥工艺对稻谷干燥速率和干燥后品质的影响,并与恒温干燥工艺进行对比,结果表明:处于一种状态(橡胶态或玻璃态)的稻谷变温干燥工艺下,理论上讲,因稻谷不发生玻璃化转变,干燥后的爆腰增率明显降低,整精米率增加,但实际上因稻谷籽粒个体存在差异,部分稻谷籽粒会发生玻璃化转变,在干燥后会出现爆腰增加的现象。相比于恒温干燥工艺,橡胶态变温工艺干燥速率较快,变温幅度为4 ℃和6 ℃时,爆腰增率降低,整精米率增加,干燥后品质有所改善。玻璃态变温干燥速率最慢,但其干燥后品质最优,考虑到干燥速率和能耗的因素,玻璃态变温干燥工艺不宜采用。因此,综合考虑稻谷干燥速率和干燥后品质,采用橡胶态变温干燥工艺,合理控制变温幅度和热风风速,可实现高干燥速率和高品质的目标。