水稻干燥過程應力裂紋產生的機理研究

黃丙申等

摘要：通過水稻干燥和緩蘇過程中稻谷爆腰產生的玻璃化轉變分析，確定稻谷在玻璃態下干燥時對爆腰增殖無影響。建議采用2種措施：一是使稻谷在玻璃態下干燥，抑制爆腰產生；二是使稻谷在較高溫度下干燥一定時間后，給稻谷緩蘇足夠時間以降低內部水分梯度，使內部水分均勻，有效地降低稻谷裂紋率和提高產米率。

關鍵詞：水稻；干燥過程；應力裂紋；玻璃化轉變

中圖分類號：S375 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0024-02

稻谷內部裂紋主要有干燥裂紋和吸濕裂紋兩種。從谷物顆粒的橫截面來看，干燥裂紋是由谷物不均勻收縮導致脫水不均勻造成的。水分梯度是谷物產生爆腰或裂紋的主要原因。但干燥過程中顆粒內部水分梯度比較大，而水稻裂紋真正在加熱干燥時產生不多，往往在干燥結束后72 h內持續出現，這是由于稻谷顆粒的材料特性和物理結構發生了變化。因此，稻谷爆腰應是稻谷顆粒內部水分梯度和物質狀態變化的綜合結果。

1 干燥過程中稻谷爆腰產生的玻璃化轉變分析

稻谷干燥一定時間后，顆粒表面已處于玻璃態，水分梯度大，產生的拉應力也大；而稻谷內部進入玻璃化轉變區的時間較慢或者尚處于橡膠態，水分梯度較小，因此有較大的塑性，能承受較大的變形。稻谷形成玻璃態層后，在玻璃態層的玻璃化轉變開始點處，除承受玻璃態部分收縮引起的拉應力外，同時受到橡膠態層的膨脹力和彎曲力，所以承受拉應力最大，且水分梯度大，此處最容易產生微裂紋，進而引起爆腰。由于爆腰起始點在顆粒玻璃態層的玻璃化轉變開始點處，而干燥過程中玻璃化轉變起始點處于顆粒表層，顆粒表層強度較大，因此，干燥過程中一般不產生爆腰。

如果干燥過程一直在水稻顆粒玻璃化轉變溫度以下進行，則顆粒干燥強度低，沒有玻璃態的轉變，顆粒內部雖有很大水分梯度，但不能起到產生爆腰的作用。在橡膠態下干燥后立即冷卻同樣要產生裂紋。如果稻谷干燥結束時表面已玻璃化，由于玻璃態的稻谷彈性模量大，急冷時收縮使顆粒內部產生很大且不均勻的應力，其內部由于溫度迅速降低而進入玻璃態。稻谷干燥結束時，顆粒內部還存在部分橡膠態區，在稻谷溫度急速下降的情況下，其內部不同含水率部分就會在不同水分梯度下分別進入玻璃態，從而引起內部各部分的不均勻收縮和各不相同的應力、應變，所以冷卻過程會使顆粒玻璃態層玻璃化轉變開始點處承受很大的應力，因而產生爆腰。

水稻顆粒內部部分節點的模擬水分梯度（在風溫 58 ℃，初始水分為18%的條件下干燥 30 min后立即冷卻）當稻谷干燥結束后，顆粒溫度從高于玻璃化轉變溫度（對應于當時顆粒內部含水率分布）冷卻到室溫的過程中，顆粒外部先行收縮，內層隨后冷卻收縮。玻璃態面的彈性模量大，可達到玻璃化轉變前的5倍左右，表面小變形即能產生很大的拉應力。此過程中，顆粒表層玻璃態的玻璃化轉變開始點逐步往顆粒內部推進。

玻璃化轉變開始點處承受三方面的拉應力：首先是因表層玻璃態降溫引起的拉應力；其次是內部橡膠態因水分均化引起的膨脹力和彎曲力。當顆粒各點都進入玻璃態后，稻谷內部的水分均化仍需很長時間。進入玻璃態時，由于顆粒內部各部分是在不同水分梯度下分別進入玻璃態，既有水分梯度引起的應變，還有溫度變化引起的應變，從而引起內部各部分的不均勻收縮和各不相同的應力、應變，致使顆粒內部產生大面積的銀紋。銀紋不斷擴展，最終產生爆腰。因此，干燥后的爆腰可持續很長時間。

2 緩蘇過程中稻谷爆腰產生的玻璃化轉變狀態分析

在稻谷干燥過程中，常采用間歇干燥工藝，在兩個干燥過程之間使用緩蘇操作工藝。緩蘇是在不加熱的情況下，使稻谷在倉內保溫一定時間，這是降低顆粒內部水分梯度的主要方法。緩蘇時，水稻顆粒內部水分主要沿短軸擴散。緩蘇后，顆粒內部的水分分布趨于均勻。由于在緩蘇過程中稻谷內部也有水分梯度和玻璃化轉變存在，所以緩蘇也會影響稻谷裂紋的形成。

研究表明，稻谷在風溫為50.0 ℃，47.5 ℃，45.0 ℃條件下干燥后立即用30.0 ℃的密閉環境保存48 h，其爆腰率分別為87.2%，70.0%和41.6%，這說明緩蘇溫度對稻谷溫度有很大影響。稻谷溫度決定了是否有玻璃化轉變的存在，所以緩蘇溫度對稻谷的爆腰有影響。

稻谷的緩蘇溫度選擇對爆腰的影響非常大。通過對玻璃態稻谷顆粒的銀紋分析可知，稻谷干燥過程中顆粒進入玻璃態時，如果其內部應力和溫濕度條件達到銀紋引發臨界條件，則會產生銀紋。此時，若繼續存在足夠大的應力作用，銀紋就會破裂，稻谷發生爆腰。如果在稻谷出現爆腰前采用高于玻璃化轉變溫度的緩蘇溫度，一方面可快速降低稻谷內部的水分梯度，從而更快降低稻谷內部應力，使稻谷在水分均勻的情況下進入玻璃態，避免應力損傷，防止稻谷進入玻璃態時產生銀紋或亞裂紋并誘發爆腰；另一方面高緩蘇溫度能使已產生銀紋或微裂紋的顆粒得以退火而消除銀紋或微裂紋。所以，用較高風溫干燥稻谷時，稻谷干燥一定時間后，采用高于玻璃化轉變溫度的緩蘇溫度進行緩蘇操作，能有效地降低稻谷裂紋率和提高產米率。

雖然緩蘇可有效防止稻谷爆腰，但由于對其機理不了解，所以很難把握和確定緩蘇溫度。根據玻璃化轉變的觀點，應該先使稻谷在橡膠態下的顆粒內部溫度和含水率均勻一致，即使有玻璃化轉變發生，也可防止稻谷爆腰產生。

3 結論

1） 水稻干燥結束后，立即進行爆腰率的數據測量發現，此時爆腰率并不高。在干燥結束72 h后，進行爆腰率的數據測量，結果表明：當水稻的干燥介質溫度低于玻璃化轉變溫度時，其爆腰率很低，而高于玻璃化轉變溫度時，其爆腰率非常高。爆腰率測試是在室溫11 ℃條件下進行的，這說明顆粒的溫度從高于玻璃化轉變溫度變化到室溫時，玻璃化轉變對水稻爆腰起了重要作用。試驗結果還說明，稻谷在玻璃態下干燥時對爆腰增值無影響。

2） 干燥后稻谷為玻璃態時的銀紋觀察試驗表明：干燥后玻璃態的稻谷內部出現了銀紋凹槽，即存在微裂紋；稻谷爆腰產生在玻璃態部分，且為脆性斷裂，這是由于玻璃態中先形成了銀紋，在應力進一步作用下，銀紋產生破裂從而形成爆腰。

3） 為避免稻谷爆腰的產生，可采用以下2種措施：第一，通過玻璃化轉變溫度曲線可看出，干燥過程中稻谷的玻璃化轉變溫度越來越高，因此可采用干燥介質溫度逐漸升高的干燥工藝（即變溫干燥工藝）來干燥稻谷，能保證稻谷在玻璃態下干燥，從而抑制爆腰產生；第二，稻谷在較高溫度下（即稻谷處于橡膠態）干燥一定時間，使稻谷緩蘇足夠時間以降低內部水分梯度，也能有效降低稻谷裂紋率，提高產米率。

參考文獻

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