不同干燥技術對稻谷品質影響的研究綜述

熊書劍++孫衛紅

摘要：干燥是稻谷收獲后的重要處理環節，干燥對稻谷品質的影響也是評價干燥工藝的關鍵因素。總結了國內外關于干燥技術的研究，如熱風干燥、遠紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽能干燥、過熱蒸汽干燥，闡述了不同干燥技術的特點和研究進展，其中對稻谷分程干燥技術進行了重點介紹。還分析了稻谷的外觀品質、加工品質、蒸煮食味品質的評價指標及影響機理，論述了我國稻谷干燥技術的發展趨勢。

關鍵詞：稻谷；干燥；品質

中圖分類號： TS210.3；S511.09文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）02-0018-04

我國稻谷的播種面積、總產、單產均高于其他糧食作物。2009年我國稻谷產量為1.95億t，占全球稻谷產量的37%，在全世界100多個生產稻谷的國家中占第1位[1]。我國稻谷種植分布極廣，大致可以秦嶺、淮河為界，分為南、北2個大的分布區域，南方地區稻谷種植較多。一般根據氣候和地域不同，田間收獲后的稻谷含水率都有所不同，北方地區一般在較為干燥的秋季收獲稻谷，南方地區的稻谷則一般在夏季高濕環境下收獲，造成南方地區稻谷含水率更高。含水率過高會造成稻谷貯藏過程中品質劣變，為保證收獲后和貯藏過程中稻谷品質的穩定性，對收獲后的稻谷進行干燥處理已經成為稻谷加工過程中一項必要的處理環節。一般要求將收獲后的稻谷干燥至安全水分，即含水率降到14%～15%（濕基）[2]。在稻谷收獲季節，收獲后的大批量稻谷須要及時進行干燥處理。近年來隨著稻谷產業的發展，稻谷干燥研究也取得不少進展。相比于傳統的自然干燥，稻谷干燥機械化能夠較大程度滿足大批量生產要求，并通過工藝參數設置降低糧食損失，保證稻谷干燥品質[3-4]。目前稻谷干燥技術主要包括熱風干燥、紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽能干燥、過熱蒸汽干燥。熱風干燥是應用最為廣泛的機械干燥技術，具有節能、干燥品質高等優勢。

稻谷是一種假果，其穎果籽粒外層由起保護作用的谷殼包裹[5]。結構致密的外殼一方面對穎果起保護作用，另一方面卻會阻礙其內部水分轉移，加大了干燥難度。同時，由于稻谷還具有熱敏性，干燥速度過快、溫度過高等不恰當的工藝條件都會引起稻谷品質下降，如，氣味和色澤變差、爆腰增加而導致碎米增多、食味下降等，最終降低其經濟價值。總的來說，稻谷干燥技術研究對稻谷生產加工意義重大，世界各國學者都開展過大量相關研究工作。本文綜合國內外學者在稻谷干燥技術研究方面取得的成果，綜述近年來稻谷干燥品質研究進展，以期為今后研究提供依據。

1主要稻谷干燥技術

1.1熱風干燥

熱風干燥是目前工業化運用最為廣泛的傳統稻谷干燥技術之一，該技術一般采用一定量的熱空氣經過物料表面帶走水分，以達到干燥目的[6]。該干燥技術操作簡單、易控制，傳統熱風干燥方式主要分為高溫快速干燥和低溫慢速干燥。高溫干燥速度快，但高溫往往會造成爆腰嚴重，且食味品質下降[7-8]。出于對稻谷干燥品質的追求，通常也會采用低溫慢速干燥工藝。較低的熱風溫度條件在一定程度上可以保證稻谷干燥后的品質[9-10]，但也存在干燥速率低的缺陷，會造成收獲后不能及時干燥的稻谷損失嚴重。

在恒溫條件下，稻谷干燥過程和其他干燥過程一樣，分為預熱升溫階段、等速干燥階段、降速階段[11]，若直接采用恒溫干燥條件，其單位耗能高，且干燥強度低[12]。分程干燥是一種在不同稻谷干燥階段采用不同熱風溫度、濕度、風速等干燥條件進行分段干燥的干燥方式。20世紀70年代后期，國外就興起對變風溫干燥工藝的研究[13]，認為其能顯著提高能量利用率。Wiset等研究了較高水分干燥段不同熱風溫度對3種泰國香米內部淀粉性質的影響，同時對比完全自然通風干燥過程，結果表明其中2個品種干燥前期在100、125 ℃條件下干燥后稻米的整精米率都比自然通風干燥高[14]。這也證明，如果合理設置干燥條件，先高溫、后低溫的干燥方式也可以獲得較高的干燥品質。之后又有研究先采用較高溫（40～80 ℃）熱空氣將含水率20%～25%的稻谷干燥到含水率18%之后，再存放于溫度18～30 ℃、相對濕度60%～70%的通風倉內進行就倉干燥至含水率低于14%，結果證實該兩程干燥方式對高濕稻谷干燥能量利用率高[15]。相對而言，國內相關研究較為滯后，大多數干燥機仍是以恒定的干燥條件進行設計，對于南方地區高水分稻谷的干燥，這并不滿足最有效的操作工藝要求。一些學者對高濕谷物變溫干燥進行了研究，認為：高濕稻谷采用逐步升溫干燥工藝干燥，在保證品質的前提下，可大大降低干燥能耗[16-18]。隨后有人提出了稻谷分程干燥工藝模型[19]：高水分稻谷經高溫（50～90 ℃）干燥至水分為18.0%～18.5%，再進行通風暫存，最后對暫存倉中的低水分稻谷進行低溫（45～65 ℃）干燥，并通過分程干燥工藝和恒溫干燥、變溫干燥的對比，發現該分程干燥模型在生產效率和節能方面均顯示出優勢。為了解決高溫快速干燥效率和稻谷干燥后品質之間的矛盾，楊國峰等研究了干燥-通風聯合干燥工藝參數對稻谷品質的影響，結果發現當干燥溫度較高時（>60 ℃），整精米率可以通過延長緩速時間達到較高水平，但是最終的食味品質總體上會隨著干燥溫度的升高而降低[20]。目前大部分對稻谷分程干燥的研究仍然是從能耗角度分析分程干燥的優勢，有關分程干燥對稻谷干燥品質的研究大部分停留在爆腰率和含水率的比較方面，因此筆者等目前的研究工作主要從不同工藝參數的設置對稻谷品質的影響等方面著手。

1.2遠紅外干燥

稻谷在吸收紅外線時，輻射能量被轉化為熱量，物料水分隨之蒸發出來，從而達到干燥目的。在紅外線干燥過程中，物料表面的水分持續蒸發吸熱，造成其表面溫度較低而內部溫度較高，這樣就形成了與物料內部水分梯度和溫度梯度方向相同的情形，相比于熱風干燥，可以大大提升干燥速度[21]。

遠紅外輻射的熱能遠大于近紅外輻射，自從日本在20世紀90年代初開始推廣遠紅外干燥設備以來，這種高效、節能、環保的干燥方式正逐步被應用在稻谷及其他糧食的干燥設備中。遠紅外主要結合熱風一起對稻谷進行干燥，Meeso等設計試驗，在流化床干燥后對稻谷進行遠紅外輻射干燥，最后進行適當緩蘇，結果顯示在流化床干燥階段稻谷含水率下降至23%后就會對稻米造成損傷，但是若結合遠紅外干燥，稻谷水分即使低至21%，其品質也無明顯變化[22]。之后又建立了遠紅外-流化床分段干燥過程中質熱耦合傳遞模型，并指出遠紅外輻射干燥對高濕稻谷干燥效率比低濕稻谷干燥效率更高[23]，[JP3]為確定遠紅外干燥條件提供了理論依據。羅劍毅通過對稻谷的遠紅外干燥特性和工藝研究，得出遠紅外干燥稻谷干燥溫度、初始含水率、裝載量的最佳組合及影響規律[24]。運用遠紅外干燥稻谷，干燥后品質好，設備干燥效率高，占地面積小，但是對大型谷物干燥機運用紅外線干燥還存在一定技術障礙。

1.3微波干燥

近年來微波干燥技術發展迅速。微波即波長范圍為 1 mm～1 m 的電磁波，常用于加熱的頻率為915、2 450 MHz[25]。物料在微波場作用下，內部分子運動加劇，相鄰分子間相互作用可使物料溫度迅速上升，加熱時間短且均勻[26]。將熱風、微波薄層干燥對稻谷品質的影響進行對比，發現稻谷微波間歇干燥的干燥速度更快，所需能耗小，且對稻谷的霉菌、細菌有一定抑制作用[27]。當前我國微波干燥技術仍處于探索階段，在實際運用中仍存在諸多困難，如加熱功率、工作頻率控制不當會引起物料干燥速度過快或加熱不均勻等，嚴重影響物料加工和食用品質。

1.4真空干燥

真空干燥是將物料置于密閉的真空干燥室內，物料內部的水分由于壓力差或濃度差擴散到物料表面，再分散到真空室內的低壓空間由真空泵抽走，從而達到干燥目的。低溫真空干燥能克服傳統熱風干燥造成的溶質散失和品質下降問題，適用于稻谷等熱敏性物料的干燥。稻谷真空干燥中工藝參數對降水幅度影響的研究表明，干燥時間、真空度、干燥溫度是影響谷物干燥降水幅度的3個最主要因素，都與降水幅度呈正相關[28]，其影響大小依次為干燥溫度>干燥時間>真空度。但由于目前該設備成本高、能耗高，真空干燥還沒有得到廣泛應用。

1.5太陽能干燥

隨著人們資源節約意識不斷增強，太陽能作為清潔能源已經被運用到諸多領域，以節省或替換其他不可再生能源。將太陽能作為熱量來源也可以很好地解決干燥過程能耗過多的問題。

對于稻谷干燥而言，利用太陽能進行干燥的意義還體現在提高稻谷干燥品質方面。為了使稻谷盡快干燥，并保證干燥后稻谷的加工品質，Meas等對收獲后的稻谷進行了當地傳統的田間干燥試驗，結果表明谷層厚度越薄、翻動頻率越高、干燥速率越慢、空氣流速越小，稻谷的整精米率越高[29]。這也證明，即使是利用太陽能的自然干燥過程，干燥條件變化對稻谷的影響也是存在的。雖然及時進行田間干燥能在一定程度上保證稻谷新鮮度，但這種干燥方式的不可控因素較多，干燥后稻谷品質不統一，并不適合大規模生產[30]。在用透明材料建造的溫室中構建混合的自然對流方式，模擬自然晾曬過程，不僅能耗小，并且可以得到較好品質的稻谷，尤其適合水稻種植面積大、日照時間較長的東南亞國家[31]。Paterson等先后針對不同太陽能干燥模式建立了相關模型[32]。

國內利用太陽能進行稻谷干燥的研究相對較少，應用也不多，原因主要是干燥溫室占地面積大，在偏遠農村地區即使有較大場地條件，也主要依靠自然晾曬進行干燥，所以該技術在我國實用性不高。

1.6過熱蒸汽干燥

過熱蒸汽干燥是一種現代干燥技術，以水蒸汽作為干燥介質，通過過熱蒸汽與物料直接接觸以減少物料內部水分，使物料得以干燥[33]。這種方式最大的優勢在于干燥后的廢氣潛熱可以回收，大大提高了能源利用率。另外，過熱蒸汽傳熱系數大，干燥過程也沒有傳質阻力，所以干燥效率要顯著高于熱風干燥[34]。Rordprapat等通過在稻谷流化床干燥中使用熱風、過熱蒸汽2種不同干燥介質進行對比，發現后者干燥的稻谷整精米率比前者高，主要是由于過熱蒸汽干燥前期稻谷溫度滿足其內部淀粉顆粒從玻璃態轉向橡膠態的條件[35]。

對稻谷這種熱敏性物料進行干燥時，須要在低壓環境下進行過熱蒸汽干燥才能避免由于溫度過高造成的損失。Kozanoglu等對稻谷低壓過熱蒸汽干燥過程進行了動力學分析，結果顯示蒸汽過熱化程度是影響干燥過程的最關鍵因素，當過熱化超過30 ℃后對干燥過程幾乎沒有作用，不適用于熱敏性物料的干燥[36]。過熱蒸汽干燥雖然在節能和干燥品質方面都存在優勢，但是對于大批量的稻谷干燥，壓力、溫度都須要調試，技術要求高；此外，要求完全密封的蒸汽環路，也會增加設備的運行和維修成本。

2稻谷干燥品質研究

稻谷作為糧食和商品，干燥過程要求的不僅是去除水分，還須要保證干燥后稻谷的外觀品質和食用品質不受破壞。因此，評價一種干燥技術的優劣，其對稻谷干燥后品質的影響是必要的評判依據之一，其中爆腰率最為重要。但是，僅以控制爆腰率和干燥速率為干燥工藝參數設計標準不夠客觀和全面。近幾年國內外學者對干燥后稻米品質的變化及檢測指標開展了很多研究。

2.1外觀品質

2.1.1色澤、氣味

色澤、氣味是最直接影響稻谷作為商品銷售的品質之一。干燥后的稻谷，首先須要檢測的就是色澤、氣味，目前主要依靠感官進行評定。熱損傷或焦糊會造成稻米色澤、氣味的明顯變化。劉諾陽研究認為，稻米光澤隨著干燥溫度或干燥功率的升高有變暗趨勢，初始含水量26%的粳稻、秈稻在熱風90 ℃干燥時會產生輕微的不正常氣味[37]。

2.1.2爆腰

爆腰是稻谷干燥過程中的常見現象，稻谷在經過復雜的熱量、質量傳遞后，如果干燥條件控制不當，稻米顆粒就會產生可見裂紋，增加碾米過程中的碎米率，降低產品品質。所以，國家規定稻谷干燥機對稻谷的爆腰率增值低于3%[38]。對于爆腰產生機理存在不同的理論解釋：傳統理論認為是水分梯度產生的內部應力超過其本身抗拉強度而導致[39]；玻璃化裂紋理論認為外層玻璃態和中心橡膠態交界處產生的裂紋是由于內層、外層熱特性、吸濕性、膨脹系數的差異所造成[40]；李棟也從多方面分析了稻谷的應力裂紋產生機理，并提出采用低溫、大風量及慢速冷卻、低溫貯藏等措施使稻谷的單裂紋、雙裂紋、龜裂紋、總裂紋均降低[41]。

許多學者研究了不同干燥條件對稻谷爆腰的影響。劉冬梅等研究證實，干燥速度控制在5%以下，采用低溫干燥，避免過度干燥，可較好地控制爆腰率[42]。但是這種低溫干燥周期長、效率低，不能完全滿足生產要求。有關單程干燥過程稻谷干燥品質的研究顯示，在高濕條件下高溫干燥也可以實現，同時適時的緩蘇工藝也可有效減少爆腰產生[43]。有學者針對緩蘇工藝對干燥品質影響的研究表明，緩蘇溫度越高，緩蘇效果越好，對爆腰抑制效果越好[44]。也有學者通過試驗得出，對于高水分稻谷（含水率24%左右），緩蘇工藝對爆腰率影響明顯，但是緩蘇時間大于2 h時，稻谷的爆腰率趨于穩定，由此制定了最佳工藝參數為干燥溫度50～60 ℃，緩蘇溫度60～70 ℃，緩蘇時間120～160 min[45]。稻谷的爆腰并不單純產生于稻谷干燥過程，在整個稻谷生產過程，如收割、貯藏、加工都有可能產生爆腰[46]，所以研究干燥條件對稻谷爆腰率的影響時也應注意控制其他變量，才能獲得更準確的結果。

2.2加工品質

加工品質別稱碾米品質，是在稻谷碾米過程中表現的品質特征，包括出糙率、整精米率、碎米率。出糙率主要是由遺傳因素決定的，受干燥條件影響較小。曹崇文指出，爆腰的稻谷不一定出現碎米，爆腰率并不能作為干燥品質限制的唯一標準，還應以整精米率作為稻谷干燥品質的另一指標[47]。鄭先哲等研究表明，爆腰嚴重的稻谷才會引起整精米率顯著下降，同時還建立了爆腰率和整精米率的關系[48]。但是整精米率檢測繁瑣、耗時，一般采用直接碾米后整米占毛谷試樣的比例作為整米率進行近似檢測。吳建明對采用整米率作為稻谷加工工藝品質檢測指標的可行性進行了分析，結果表明該方法的檢測結果合理且更直觀地表現稻谷的整體品質[49]。干燥條件對整精米率的影響和對爆腰率的影響相似，較高的初始含水率和較高的干燥溫度都會引起整精米率下降[50-52]。國外研究表明，適當控制谷層厚度也可有效減少整精米率的降低[53]。

2.3蒸煮食味品質

蒸煮食味品質是指稻米在蒸煮、食用過程中體現的品質，如色澤、黏度、彈性、酸度、口感等。稻谷干燥條件變化會對稻谷蒸煮特性和食味品質產生一定影響，所以稻谷干燥后的蒸煮食味品質研究對于稻谷干燥工藝改良和稻谷生產加工也非常重要。一般認為，稻谷食味品質和其發芽率存在一定線性關系，發芽率越高，稻谷新鮮度越高，食味品質越好[54]。研究證實，20 ℃儲藏條件下稻谷的儲藏水分在14%左右時，稻谷發芽率隨著儲藏時間的延長并沒有明顯變化[55]，這說明稻谷的干燥終了水分保持在14%左右即可保證稻谷在儲藏過程中的食味品質。保持稻谷新鮮度的最直接方式是將收獲的稻谷及時干燥后保存，研究發現，及時干燥的稻谷食味品質明顯高于延時干燥的稻谷[56]，存在的主要問題是無法滿足大批量稻谷的及時干燥任務。稻谷的一系列理化性質也是構成其蒸煮食味品質的關鍵因素，如水分含量、淀粉種類及含量、蛋白質含量、脂肪含量等。其中直鏈淀粉含量是決定稻米蒸煮食味品質的關鍵因素[57]。研究表明，稻谷經過高溫（>45 ℃）干燥后，米粒內部的淀粉結構由有序排列變得雜亂，最終導致稻米食味下降[58]。干燥溫度也會對脂肪酸含量產生影響，高溫會致使酯解酶活性升高，造成儲藏期的稻米產生游離脂肪酸，并進一步分解為醛基化合物，從而產生不良氣味，使食味下降[59]。因此，對稻谷干燥品質的檢測不能僅在干燥后，還應時刻關注稻谷儲藏期間稻米品質變化，這樣才能更全面掌握干燥工藝對稻谷品質的影響。

對大米蒸煮食味品質的評判過程非常復雜，除了依靠感官評定外，往往涉及很多參數的測定，一些學者利用稻米淀粉的RVA特征譜進一步探討其與稻米食味品質的相關性[60-62]，使過程得到簡化。有研究將干燥后測定的稻谷理化指標與感官評定值建立起相關關系[39]，可以排除感官評定的主觀因素影響。

3結論與討論

在干燥技術方面，國內仍然以熱風干燥為主、其他干燥方式為輔的發展模式進行研究，近年來相關研究已經取得不少成就，變溫干燥、分程干燥等干燥方式也因其展現的優勢而逐漸得到重視。但總體來講，國內對這些新興干燥方式下干燥品質的系統分析還不夠深入，須要開展更多關于其工藝參數設置對品質影響的研究才能更全面評價該技術的適用性。

目前對干燥品質的評判指標還不夠完善，對稻谷干燥后的品質缺少整體性評價，因為各特征指標間往往具有相關性，單個指標并不能完整體現稻谷品質的好壞。所以，今后我國稻谷干燥的研究重點之一就是完善稻谷品質的評判體系。

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