受凍水稻低溫干燥特性研究

高 雪，車 剛，萬 霖，王 鑫

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

東北地區(qū)土壤肥沃，是我國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)之一，隨著國內(nèi)外稻米市場對東北大米需求的日益增加， 粳米價(jià)格一路上揚(yáng)[1-2]。國家“十三五規(guī)劃”提出綠色興農(nóng)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)發(fā)展綠色化，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源的高效利用和提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。由于東北地區(qū)的種植期積溫較低，水稻生育遲緩，導(dǎo)致減產(chǎn)不可避免，所以提高優(yōu)質(zhì)粳稻產(chǎn)后品質(zhì)尤為重要。東北三省水稻在種植面積、產(chǎn)量、單產(chǎn)及成本收益等方面增長最為明顯[3]。很多學(xué)者利用熱風(fēng)干燥技術(shù)，研究了常態(tài)下水稻干燥特性，并建立了數(shù)學(xué)模型，分析了干燥后稻米品質(zhì)，但對室外零度以下暫存的水稻的干燥特性研究較少。東北地區(qū)大量收獲的水稻不能及時(shí)干燥，在室外會(huì)受凍，降低了稻米的經(jīng)濟(jì)收益。目前，缺乏對受凍水稻干燥特性的研究。鑒于此，本文在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究自然溫度-0～-5℃時(shí)受凍水稻低溫干燥特性，并分析干燥后稻米品質(zhì)，為寒地水稻干燥工業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

1)實(shí)驗(yàn)材料。水稻由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地提供，品種為墾粳5號。室外-5℃處理材料，將樣品脫粒、除雜，24h后進(jìn)行試驗(yàn)。3種樣品分別測定初始含水率3次，平均結(jié)果分別為19.6%、19.0%、18.2%。

2)實(shí)驗(yàn)儀器。薄層干燥試驗(yàn)臺如圖1所示。

1.恒溫恒濕機(jī) 2.手動(dòng)調(diào)風(fēng)門 3.風(fēng)機(jī) 4.加熱器機(jī)架 5.加熱器 6.第一溫濕度傳感器 7.第1閥門 8.熱風(fēng)管道 9.管道固定支架 10.第2閥門 11.第1風(fēng)速傳感器 12.第2溫濕度傳感器 13.第3溫濕度傳感器 14.第2風(fēng)速傳感器 15.第3閥門 16.第4閥門 17.工作臺 18.稱重傳感器 19.容料室 20.干燥室 21.電控系統(tǒng) 22.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)圖1 薄層干燥試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)儀器還有：MB45專業(yè)型水分測定儀，美國奧豪斯公司；SATAKE米飯食味計(jì)；ES-1000谷粒判別器；FC-2K礱谷機(jī)；VP-32精米機(jī)，日本佐竹公司； FOSS 近紅外谷物品質(zhì)分析儀，丹麥 FOSS公司。

1.2 試驗(yàn)方法

薄層干燥試驗(yàn)設(shè)備采用水平送風(fēng)、垂直稱重設(shè)計(jì)，以提高數(shù)據(jù)精確度。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用各點(diǎn)溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、稱重傳感器對實(shí)時(shí)信號進(jìn)行采集，分析處理后可繪制不同參數(shù)之間的變化曲線。

每次試驗(yàn)稱取樣品 100g放入容料室， 10min記錄1次質(zhì)量，并計(jì)算出含水率。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。當(dāng)受凍水稻含水率(濕基)低于14%左右時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)因素為初始含水量、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)表現(xiàn)速度。以干燥速率、爆腰增值率為干燥特性評價(jià)指標(biāo)，整精米率、直鏈淀粉含量、粗蛋白含量及米飯食味品質(zhì)為烘后評價(jià)指標(biāo)。

1.3 測量方法

1)稻谷在干燥過程中含水率為

(1)

式中G0—干燥樣品初始質(zhì)量(g)；

M0—干燥樣品初始含水率(%)；

G(t)—干燥一段時(shí)間后樣品的質(zhì)量(g)；

M(t)—干燥t時(shí)間后樣品的含水率(%)。

2)脫水速率為

RA=(W0-Wt)/T

(2)

式中RA—脫水速率(%/h)；

W0—物料的初始含水率(%)；

Wt—干燥t時(shí)刻物料的含水率(%)；

T—干燥過程總時(shí)間(h)。

3)干燥水分比為

(3)

式中MR—水分比；

M(t)—水分含量(%，干基)；

M0—初始水分含量(%，干基)；

Me—平衡水分(%，干基)。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel、Origin 7.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥條件對受凍水稻干燥特性的影響

2.1.1 熱風(fēng)溫度對干燥特性的影響

確定風(fēng)速為0.1m/s,初始含水量為19.0%，研究熱風(fēng)溫度對受凍水稻干燥特性的影響。溫度對稻谷干燥特性曲線的影響如圖2所示。由圖2可知：在干燥時(shí)間50～160min期間，谷物的干燥速率沒有較大差別，含水量下降較快；干燥溫度越高，谷物干燥速率越快，用時(shí)越短；熱風(fēng)溫度為40℃時(shí)，干燥效果最為明顯；將谷物含水量將至安全儲(chǔ)藏水分需要300min。

圖2 溫度對稻谷干燥特性曲線的影響

干燥后期，由于水稻內(nèi)部水分遷移困難，不同溫度條件下的水稻的干燥速率均有降低，呈現(xiàn)降速干燥階段。干燥溫度越低，降水速率越低。總之，熱風(fēng)溫度對谷物降水速率影響較大。

2.1.2 風(fēng)速對干燥特性的影響

確定熱風(fēng)溫度為35℃,初始含水量為19.0%，研究熱風(fēng)表現(xiàn)速度對受凍水稻干燥特性的影響，如圖3所示。

圖3 風(fēng)速對稻谷干燥特性曲線的影響

由圖3可知：溫度為40℃時(shí),谷物初始含水率為19.6%；在0～40min期間，谷物含水量下降變化不明顯，受凍谷物外部吸收熱量，熱量還沒向谷物內(nèi)部傳遞，水分蒸發(fā)沒有開始；60～220min期間，溫度逐漸向谷物內(nèi)部轉(zhuǎn)移，加速了干燥速率；風(fēng)速為0.5m/s的脫水速率明顯快于風(fēng)速為0.1m/s的谷物降水速率，物料處于恒速干燥階段；干燥后期100min內(nèi)，谷物降水幅度遲緩；風(fēng)速為0.5m/s時(shí)干燥時(shí)間最短。

2.1.3 初始含水量對干燥特性的影響

確定風(fēng)速為0.3m/s,熱風(fēng)溫度為35℃%，研究初始含水量對受凍水稻干燥特性的影響，如圖4所示。

圖4 初始含水率對稻谷干燥特性曲線的影響

由圖4可以看出：在不同的初始含水量條件下，谷物完成干燥時(shí)間有著明顯差異，初始含水量和干燥時(shí)間呈正相關(guān)。試驗(yàn)證明：谷物含水量為19.0%比19.6%時(shí)干燥消耗時(shí)間短；含水量為18.2%時(shí)，干燥時(shí)間最短，干燥速率最快；在低溫干燥條件下，干燥速率在干燥初期較大，隨水稻含水率的遞減，干燥速率遞減較快，基本呈線性變化。

2.2 干燥后稻米品質(zhì)分析

稻米品質(zhì)可以分為外觀品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)[4]。本文分析受凍水稻烘后爆腰增值率、整精米率、直鏈淀粉含量及粗蛋白含量，評價(jià)稻米食用品質(zhì)。

2.2.1 外部品質(zhì)分析

2.2.1.1 爆腰情況分析

干燥過程中，如果稻谷的干燥速度過快，則會(huì)形成爆腰[5]。水稻干燥后爆腰率與原始爆腰率的差值定義為爆腰增率[6-7]，也可以稱為爆腰增值率，如圖5所示。分析谷物試驗(yàn)后的爆腰增值率，對研究谷物干燥特性更有意義。

圖5 爆腰增值率分析

圖5(a)表明：初始水分含量相同、熱風(fēng)溫度為30℃和 35℃時(shí)，稻谷爆腰增值率很?。桓稍餃囟仍黾?，稻谷的爆腰增值率增加較快。其中，熱風(fēng)溫度為40℃、風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，爆腰增率更大，為3.6%；在熱風(fēng)表現(xiàn)速度相同的條件下，稻谷爆腰率隨著干燥溫度的升高而增加；受凍谷物在 30℃和35℃干燥溫度下，風(fēng)速對爆腰增率的影響不顯著。

圖5(b)表明：在介質(zhì)溫度確定為30℃時(shí)，稻谷爆腰增值率隨著初始含水率的增加而增加，但變化不顯著；圖5(c)表明：風(fēng)速越高，稻谷爆腰增值率越大；當(dāng)風(fēng)速為0.5m/s、風(fēng)溫為40℃時(shí)，爆腰增率高達(dá)3.6%。由此可見，風(fēng)速與爆腰增率呈正相關(guān)性。綜上分析，干燥溫度對受凍稻谷干燥爆腰的影響是最大的，風(fēng)速次之[8]。

2.2.1.2 整精米率分析

整精米占凈稻谷試樣質(zhì)量的百分率稱為整精米率[9]。整精米率是評價(jià)稻米外部品質(zhì)一個(gè)重要指標(biāo)。將不同干燥條件下樣品得到的圖像，利用Excel將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析，結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 初始含水量對整精米率的影響

由圖6(a)可知：在干燥溫度相同條件下,初始含水量越高，整精米率越低；風(fēng)溫為40℃、初始含水量為19.6%時(shí)，整精米率低至52%。

圖6(b)是風(fēng)速為0.5m/s時(shí)初始含水量與整精米率間的曲線關(guān)系。35℃時(shí)，初始含水量為18.2%時(shí)，整精米率是51%；初始含水率為19.6%時(shí)，樣品整精米率下降為48%。

綜合分析得知：當(dāng)風(fēng)速相同時(shí)，熱風(fēng)溫度越高，整精米率隨著初始含水率降低而下降的變化趨勢越明顯。

圖7 風(fēng)速對整精米率的影響

由圖7(a)可知：當(dāng)初始含水率相同時(shí),熱風(fēng)風(fēng)速增大，整精米率隨之下降；當(dāng)風(fēng)速最低0.1m/s時(shí),整精米率最大是57%；熱風(fēng)速度相同時(shí),初始含水量越高，整精米率越低。

由圖7(b)可知：稻米整精米率隨風(fēng)速的升高而降低，變化不明顯。初始含水量與整精米率呈負(fù)相關(guān)。初始含水率為19.6%、風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，整精米率最低，為46%。結(jié)合圖7(a)與圖7(b)分析可知：相同含水量條件下，風(fēng)速對整精米率的影響低于熱風(fēng)溫度對整精米率的影響。

圖8 熱風(fēng)溫度對整精米率的影響

由圖8(a)可知：初始含水量相同時(shí)，干燥溫度越高，整精米率越低；在同一干燥溫度下,整精米率與初始含水率的呈負(fù)相關(guān)；干燥溫度為30℃時(shí),整精米率最大為76%，初始含水率為18.2%的樣品其整精米率變化趨勢比較平穩(wěn)。從圖8(b)可知：如果初始含水率相同,干燥溫度升高，整精米率卻隨之下降,初始含水率為19.6%的樣品，其整精米率下降趨勢比較明顯。圖8(a)、(b)表明，初始含水率越高，整精米率越低。

2.2.2 內(nèi)部品質(zhì)分析

2.2.2.1 直鏈淀粉含量分析

直鏈淀粉含量越高，米飯質(zhì)地越硬，食味越差[10-11]。本文利用Foss近紅外品質(zhì)分析儀，測得受凍水稻干燥后稻米直鏈淀粉的含量，如表1所示。

表1 不同干燥條件下直鏈淀粉含量

由表1可知：溫度是影響干燥后稻米直鏈淀粉含量的主要因素；干燥溫度越高，直鏈淀粉鏈斷裂越嚴(yán)重，含量越少；初始含水率越低，直鏈淀粉含量越多。

2.2.2.2 粗蛋白含量分析

粗蛋白含量高的稻米,其米飯粘性小,硬度大,具有較高的咀嚼性[12]。蛋白質(zhì)與稻米蒸煮食味品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,過高的蛋白含量會(huì)使稻米食味較差[13]。稻米干燥后粗蛋白含量如表2所示。

表2 稻米干燥后粗蛋白含量

由表2可知：熱風(fēng)溫度為30℃和35℃時(shí)，稻米干燥后粗蛋白含量含量在7%與9%之間，能夠滿足人們食味需求。隨著熱風(fēng)溫度的升高，粗蛋白含量隨之升高，降低了米飯食味性。

2.2.2.3 米飯食味品質(zhì)分析

粳稻材料可以利用食味計(jì)來快速、準(zhǔn)確地評價(jià)稻米食味品質(zhì)[14]，結(jié)果如表3所示。

表3 米飯食味值

對編號7、8、9樣品在熱風(fēng)溫度為40℃、不同初始含水率和風(fēng)速條件下進(jìn)行米飯食味品質(zhì)測試。由表3可以看出：樣品9號在香氣、光澤、完整性、味道、口感等方面的綜合評分最低，為77.4。

4 結(jié)論

通過受凍水稻薄層干燥試驗(yàn)，得出受凍水稻適合低溫干燥，干燥時(shí)間相對于常溫水稻干燥時(shí)間較長。單因素試驗(yàn)得出：受凍水稻干燥速率先快后慢，熱風(fēng)溫度越高，干燥速率越快，干燥時(shí)間短。初始含水量越高，干燥時(shí)間越長。受凍水稻爆腰增值率與熱風(fēng)溫度和表現(xiàn)速度呈正相關(guān)性，熱風(fēng)溫度為30℃，熱風(fēng)表現(xiàn)速度為0.1m/s,初始含水率為18.2%，爆腰增值率最小為0.3%；整精米率最高68%；初始含水率越高，整精米率越低，熱風(fēng)溫度不能高于35℃，米飯食用品質(zhì)下降，熱風(fēng)溫度對整精米率的影響較大。

熱風(fēng)溫度為30℃和35℃時(shí)，稻米干燥后粗蛋白含量在7%～9.5%之間；米飯食味值隨著干燥溫度和風(fēng)速的增加，綜合得分呈下降趨勢。熱風(fēng)溫度為30℃、熱風(fēng)表現(xiàn)速度為0.3m/s、初始含水率為19.0%時(shí)，測得米飯食味綜合得分最高。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0162-EA

Abstract： For large output of rice in northeast China, it has the problem of easily freezing after harvest in the process of storage and quality decreased after drying. This paper studies the frozen rice drying characteristics. Drying frozen rice through reasonable drying technology, under the premise of ensuring the quality of rice drying, reducing moisture content to safe moisture, so as to improve the economic benefits of rice in northeast China and provide reference and technical support for rice drying industry in cold region. In this paper, take frozen rice NO.5 of japonica as testing object, carrying out thin-layer drying experiment. Through single factor experiment, take hot air temperature, air speed, initial moisture content as the test factors, deal with and analysis the experimental results with Matlab and Origin, making evaluation on dry frozen rice quality. The test results show that the hot air temperature is 30℃, hot air velocity is 0.1 m/s and initial moisture content is 18.2%, the whole polished rice rate is higher, waist increment rate is the lowest, hot air velocity and temperature have a great influence on frozen rice drying characteristics. The higher the drying temperature, the lower amylose content; the amylose content increased with the decrease of initial moisture content; the taste value of rice with the drying temperature and wind speed increase, the comprehensive score shows a trend of decline.

Keywords： frozen rice； low temperature drying； drying characteristics