微波－熱風聯合干燥對高水分稻谷加工品質及微生物量的影響

張 斌 劉雅婧 丁 超 邢常瑞 趙 騰 陳尚兵 袁 建

(南京財經大學食品科學與工程學院;江蘇省現代糧食流通與安全協同創新中心;江蘇高校糧油質量安全控制及深加工重點實驗室，南京 210023)

稻谷是世界上最重要的糧食作物之一，也是我國主要的儲備糧種。目前我國稻谷總產量已達20 643萬t，其中粳稻產量約占34%，而江蘇省粳稻產量占全國粳稻三成以上［1］。隨著農業生產方式效率的提高和機械化收獲作業的推廣，高水分稻谷數量急劇增加。而現有的機械烘干不能滿足稻谷的高品質安全快速入倉需求，導致高水分稻谷進入了市場流通與銷售。高水分稻谷易受到霉菌侵染發生霉變，造成稻谷品質不穩定，在儲藏中其品質也易降低［2］。部分致病菌會在稻谷中產生真菌毒素［3］，嚴重威脅人體的健康。據聯合國糧農組織統計，每年全世界糧食有將近3%的霉變損失［4］。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，該技術操作簡單、易控制，但往往會造成爆腰嚴重，食味品質下降，且殺菌效率低、成本較高。為了解決高水分稻谷品質劣變及防霉等問題，目前急需一種高效、安全、環保的方法。

微波是一種波長在1 mm～1 m之間、頻率在300～3×105MHz且正負方向交替的高頻電磁波［5］，是一項高效率、安全環保的新型技術。微波加熱是利用介電損耗原理，在電磁場的作用下，微波引起偶極子重新排列及高頻反復來回轉動，分子在轉動過程中受周圍分子的干擾和阻礙，產生激烈的摩擦，從而將微波能轉化為熱能。與傳統的加熱殺菌相比，微波具有加熱速度快［6－7］、能耗少、營養物質破壞少等特點;與化學殺菌相比，更具有無化學殘留、安全性高［8－9］等優點。徐鳳英等［10］研究了稻谷熱風、微波干燥的去水性能，結果顯示熱風干燥稻谷的分時過程去水速率均顯著低于其微波干燥去水速率。KESHAVALU 等［11］分別采用180、360、540、720 W 的微波功率和 1.5、3、4.5、6 cm 的稻谷層厚度研究干燥效率，發現干燥時間隨功率的增加而顯著降低，隨稻谷層厚度的增加而增加。并且微波功率和物料層厚度對樣品的加工品質和微生物量也有較大影響。朱德泉等［12］通過選擇不同的干燥功率、物料鋪放厚度及排濕風速，研究了小麥微波干燥特性及其對干后品質和能耗的影響。發現小麥微波干燥功率為0.2 W/g、鋪放厚度為 2 cm、風速為 45 m/min 時，可確保小麥干燥后的種用價值、食用價值及便于儲存，而且能耗較低。徐艷陽等［13］為了探討微波處理對大米霉菌的殺滅效果，以黑曲霉為研究對象，用微波功率231 W處理菌懸液4 min，并以水浴加熱方式(水溫87℃)作對照，結果發現與水浴加熱相比，微波殺菌效果是其殺菌效果的8.5倍。微波穿透力較強，能夠深入物料內部，在較短時間內使物料表里幾乎同時吸熱升溫［14－16］。目前微波技術在食品的干燥、殺菌、防蟲防霉等領域逐漸得到應用。但稻谷具有熱敏性，對溫度特別敏感。如果加熱溫度過高或者降水速度過快，會導致稻谷內部與外部之間存在較大的溫度及水分差異，進而發生爆腰，降低稻谷的品質，使其經濟價值極大受損。因此研究不同的工業微波輻射工藝對稻谷顆粒內部和表面的霉菌、細菌的致死效果，并與自然通風及熱風處理相對比，分析微波與熱風聯合工藝對稻谷整精米率等加工品質的影響，對于高水分稻谷的安全儲藏具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粳稻:“淮陰5號”，是江蘇省主要種植稻，2016年生產，購買后(0±1)℃保存，含水量21.58%(干基水分)。平板計數瓊脂培養基(PCA)，孟加拉紅培養基，高鹽察氏瓊脂培養基。

XOGZ－8 KW型連續隧道式微波干燥滅菌線(頻率2 450 MHz):南京先歐儀器制造有限公司;MB－EHR12型陶瓷紅外－熱風聯合干燥裝置:鎮江美博紅外科技有限公司;Testo830－S1型紅外測溫槍:上海五久自動化設備有限公司;SX－700型高壓蒸汽滅菌鍋:上海申安醫療器械廠;GNP－9160型隔水式恒溫培養箱:上海三發科學儀器有限公司;VOSHIN－600R型無菌均質器:無錫沃信儀器有限公司。

1.2 稻谷微波干燥特性實驗設計

稱取稻谷質量(760±0.5)g，均勻平攤于塑料盒里放入微波處理設備中。稻谷層厚度1 cm，微波輻射表面積115 5 cm2。在微波有效功率分別為485、927、1 349 W條件下對稻谷進行微波干燥，稻谷放入后開始計時，每隔30 s后立即取出測其溫度，當稻谷溫度達到80℃左右時，立即停止微波輻射。然后把樣品放入設置對應溫度的電熱恒溫箱中，緩蘇4 h后測其含水量，并計算稻谷干燥速率。

1.2.1 稻谷溫度的測定:采用微波處理稻谷后，立即用紅外測溫槍測定稻谷中層的中心以及同一層面上離中心等距的周邊4個點的溫度，然后取平均值作為稻谷溫度。

1.2.2 稻谷含水量的測定:采用GB 5497—1985方法，105℃恒重法。(本文所有水分都是干基水分)

1.2.3 稻谷干燥速率計算公式如下:

式中:U為干燥速率/g水/(kg稻谷 ·s);G為絕干稻谷質量/g;W為稻谷干基含水率(kg水/kg稻谷);A為稻谷質量/kg;T為干燥時間/s。

1.3 稻谷允許最高受熱溫度分析

稱取稻谷質量(760±0.5)g，均勻平攤于塑料盒里放入微波處理設備中。根據微波干燥特性的實驗結果，在微波有效功率927 W條件下對稻谷進行微波干燥，稻谷放入后開始計時，選取5種干燥時間分別為 80、100、120、140、190 s(分別對應于加熱到 50、55、60、65、70℃的時間)。每次干燥結束后把樣品分裝成兩份，一份分別放入設置對應溫度的電熱恒溫箱中緩蘇4 h;另一份直接放在室溫下備用。

1.3.1 爆腰率測定:按GB/T 5491—1985的方法對樣品進行分樣，得到測試樣品。取出100粒，手動剝去稻谷外殼，用肉眼或放大鏡觀察，挑出有裂紋的粒數，即為稻谷的爆腰率，測3次取平均值為實驗結果。

1.3.2 出糙率測定:采用GB/T 5495—2008方法。

1.3.3 整精米率測定:采用GB/T 21719—2008方法。

1.3.4 碎米率測定:采用GB/T 5503—2009方法。

1.3.5 稻谷表面細菌總數測定:稱取冷卻至室溫的稻谷25 g，倒入盛有225 mL無菌生理鹽水的均質袋中，用拍打式均質器拍打2 min。吸取混合稻谷勻液進行梯度稀釋，并取1 mL適宜稀釋度勻液倒入平板計數瓊脂培養基中，在36℃下培養2 d，按照GB 47892—2010中細菌的計數方法進行計數。每個處理水平樣品重復3次，每個樣品取3個平板計數。

1.3.6 稻谷表面霉菌總數測定:稱取冷卻至室溫的稻谷25 g，倒入盛有225 mL無菌蒸餾水的均質袋中，用拍打式均質器拍打2 min。吸取混合稻谷勻液進行梯度稀釋，并取1 mL適宜稀釋度勻液倒入孟加拉紅培養基中，在28℃下培養5 d，按照GB 478915—2010中霉菌的計數方法進行計數。每個處理水平樣品重復3次，每個樣品取3個平板計數。

表面霉菌(細菌)致死率采用表面霉菌(細菌)減少對數周期表示，計算公式如下:

式中:Y為表面霉菌(細菌)減少對數周期/log CFU/mL;N0為初始的表面霉菌(細菌)菌落數/CFU/mL;N為微波處理后的表面霉菌(細菌)菌落數/CFU/mL。

1.3.7 稻谷內部霉菌總數測定:采用參考文獻［17］將表面消毒的稻谷種植到高鹽察氏培養基培養的方法(從1顆稻谷中長出的數個霉菌都視為1個計數)。

1.4 自然通風及熱風處理對照實驗設計

1.4.1 自然通風處理

稱取稻谷質量(760±0.5)g，均勻平攤于地上，風速0.05～0.9 m/s，氣溫23～32 ℃。開始計時。干燥過程中，每10 min稱量稻谷質量并計算對應的含水量，直至含水量降至入倉偏高水分18.34%左右。

1.4.2 熱風處理

稱取稻谷質量(760±0.5)g，均勻平攤于托盤上置于熱風干燥設備中，熱風溫度55～60℃，風量7 500 m3/h，風速 0.8 m/s，開始計時。干燥 10 min 后緩蘇40 min，再熱風干燥10 min，緩蘇40 min，反復循環。干燥過程中，每10 min稱量稻谷質量并計算對應的含水量，直至含水量降至18.34%左右。

1.4.3 微波與熱風聯合處理

稱取稻谷質量(760±0.5)g，均勻平攤于塑料盒里放入微波處理設備中。在微波有效功率927 W條件下對稻谷進行微波干燥，稻谷放入后開始計時，處理時間為120 s，加熱稻谷到60℃。再將稻谷進行熱風處理，直至含水量降至18.34%左右。然后測樣品的加工品質、表面細菌和霉菌總數、內部霉菌總數。

1.5 數據處理與分析

每次實驗重復3次，采用Excel 2007軟件計算平均值、標準偏差，采用 Origin 8.5軟件繪圖，采用SPSS V17.0軟件對稻谷溫度與含水量數據進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 微波干燥特性實驗結果

2.1.1 微波處理對稻谷溫度的影響

微波處理后稻谷溫度變化見圖1，在較低的微波功率(485和927 W)下，稻谷溫度隨微波處理時間增加而升高，當溫度達到65℃左右時，升溫速度逐漸降低。并且稻谷的升溫速度隨微波功率的增加而明顯提升，達到同一溫度所需要的時間減少。

微波功率為485 W時，稻谷溫度上升緩慢，到達240 s(溫度61.9℃)后上升速度更低;功率為927 W時，稻谷溫度上升較快，到達150 s(溫度66.7℃)后速度開始下降;功率為1 349 W時，稻谷溫度上升快，溫度曲線近似直線(R2=0.978 6)。當用微波處理稻谷其溫度達到60℃時，功率485 W需要240 s，功率927 W需要120 s，而功率1 349 W只需要70 s，處理時間縮短到不足485 W的1/3。

圖1 微波處理對稻谷溫度的影響

2.1.2 微波處理對稻谷含水量和干燥速率的影響

圖2顯示了稻谷含水量隨微波處理時間延長的變化。在較低的微波功率(485和927 W)下，隨著微波處理時間的增加，稻谷水分下降緩慢，當含水量達到19.7%左右時，水分下降速度逐漸變快。且微波功率增加可顯著提升稻谷降水速率，即提高干燥速度，達到同一水分所需要的時間減少。

當微波功率為485 W時，干燥初始階段60 s，稻谷溫度為37℃，水分揮發速度慢，稻谷含水量基本上沒有什么變化，60 s之后開始緩慢下降，在240 s(含水量19.67%)后稻谷水分下降速度變快。可見功率485 W較小，干燥前期稻谷溫度上升幅度較慢，稻谷顆粒內未發生水分遷移;功率為927 W時，稻谷水分下降較快，在150 s(含水量19.75%)后水分下降速度增加;功率為1 349 W時，水分下降快，微波干燥整個過程幾乎都是恒速干燥，干燥曲線趨于直線(R2=0.993 0)。當用微波處理稻谷使其含水量降至19%左右時，功率485 W需要270 s，此時稻谷溫度為63℃;功率927 W需要180 s，此時溫度為69℃;而功率1 349 W只需要120 s，此時溫度為81℃，處理時間不及485 W的1/2。

圖2 微波處理對稻谷含水量的影響

圖3 為稻谷干燥速率隨微波處理時間變化的曲線。在不同微波功率處理下，隨著微波處理時間的延長，稻谷的干燥速率先隨著稻谷含水量的降低而先增大，然后下降，呈波浪式上升，而當含水量降低到一定程度時干燥速率會下降。這是因為剛開始時稻谷顆粒內水分還不能夠被排出來，所以初始的干燥速率較小，隨著微波處理時間的延長，稻谷溫度不斷升高，干燥速率也增大。但在一段時間內稻谷水分變化小，導致干燥速率降低。并且稻谷干燥速率會隨著微波功率的增加而不斷上升。微波功率為1 349 W時稻谷的干燥速率達到了0.165 9 g水/(kg稻谷·s)，功率927 W時最大干燥速率為0.128 5 g水/(kg稻谷·s)，而功率485 W時干燥速率最大為0.097 4 g水/(kg稻谷·s)。但是功率大的微波干燥稻谷加熱過快，容易導致稻谷出現爆腰等品質下降及焦糊等現象。

圖3 微波處理對稻谷干燥速率的影響

結合不同微波功率處理對稻谷溫度、含水量以及干燥速率的影響，可以得出:微波功率485 W太低，溫度上升緩慢，干燥速率低，處理稻谷時間過長，大大消耗了能源;而微波功率1 349 W太高，加熱速度快，干燥速率高，容易使稻谷發生爆腰等品質下降及焦糊等現象。由此，本文以下的實驗都使用微波功率927 W處理高水分稻谷。

2.1.3 微波(927 W)處理后稻谷溫度與含水量相關性分析

對微波(927 W)處理后稻谷溫度與含水量相關性分析，得出稻谷溫度與含水量在0.01水平是顯著相關的(表1)。由圖1可知，在微波功率927 W處理下，稻谷溫度在0～150 s上升較快;當達到150 s后，溫度上升速度開始下降。而稻谷水分變化趨勢與之相反，稻谷含水量從0～150 s下降緩慢;而達到150 s后，含水量開始大幅度下降(圖2)。這可能是因為前150 s稻谷吸收的微波能量主要是用于水分汽化潛熱，導致升溫速度快，水分蒸發慢;而150 s之后主要用于稻谷水分的汽化，導致溫度上升慢，水分蒸發快。所以，為了降低能耗，微波處理稻谷的時間應在150 s之前。

表1 微波(927 W)處理后稻谷溫度與含水量相關性分析

2.2 稻谷允許最高受熱溫度實驗結果

2.2.1 微波處理后稻谷溫度與其加工品質的關系

稻谷是一種熱敏性的谷物，在干燥過程中若干燥條件選擇不當，導致稻谷溫度過高或降水速度過快，會容易出現爆腰現象［18－20］。而稻谷爆腰率的增加也會導致其他加工品質的下降。其中稻谷出糙率和整精米率是檢驗稻谷加工品質的重要指標，也是國家糧食標準定等級的主要指標［21－24］。Olatunde等［25］采用 3～24 kW 的微波功率分別處理稻谷8 min，實驗表明隨著微波功率的增加會降低稻谷的出糙率和整精米率，提高稻谷最終黏度，造成品質下降。圖4給出了微波處理后稻谷溫度與其加工品質的關系，表明經微波處理后，隨著稻谷溫度的升高，稻谷出糙率(圖4a)和整精米率(圖4b)均增加，但當稻谷溫度達到65℃時，其出糙率和整精米率開始下降。這可能因為稻谷經微波處理后，含水量不斷下降，含水量較低時，稻殼的韌性會降低，利于稻谷脫殼，使得稻谷出糙率增加［26］，但溫度過高其加工品質會下降。

從圖中也可以看出，稻谷經微波處理后，立即緩蘇，在每個條件下其出糙率、整精米率高于未緩蘇樣品，說明稻谷的加工品質經緩蘇后可明顯提高，主要在于緩蘇工藝可將稻谷顆粒內部水分應力釋放，提高快速干燥后稻谷的品質［27］。

圖4 微波處理后稻谷溫度與其加工品質的關系

2.2.2 微波處理后稻谷溫度與其表面細菌和霉菌致死率的關系

霉菌在稻谷儲藏中對其儲藏穩定性有著重要影響，一旦溫度、濕度條件適宜，霉菌大量繁殖生長，稻谷就會發生霉變，促進其品質劣變，有些霉菌甚至在稻谷中產生真菌毒素危害人類的健康［28－30］。初始稻谷的表面細菌量為1.0×106CFU/mL，霉菌量為3.0×104CFU/mL。圖5表明，經微波處理后，兩者均隨著稻谷溫度的升高而下降，致死率均提高，說明微波能有效地抑制稻谷表面的細菌量和霉菌量。當稻谷加熱到50℃時，微波殺菌效果顯著，稻谷表面細菌量和霉菌量均下降1 log CFU/mL。而經緩蘇處理后，稻谷表面細菌量下降3.5 log CFU/mL，表面霉菌量下降3 log CFU/mL。當稻谷加熱超過50℃后，其表面細菌量和霉菌量均逐漸降低。這是因為細菌和霉菌的生長最適溫度在28～36℃左右，使用微波加熱到50℃并緩蘇能殺死大部分的細菌和霉菌。稻谷經微波處理后，立即緩蘇，在每個條件下其表面細菌總數和霉菌總數均比未緩蘇的低，說明稻谷經緩蘇后表面殺菌效果明顯提高。

圖5 微波處理后稻谷溫度與其表面細菌和霉菌致死率的關系

2.2.3 微波處理后稻谷溫度與其內部霉菌總數的關系

稻谷儲藏過程中，霉菌大量繁殖生長，并能衍生真菌毒素，因此入倉前稻谷的滅菌處理至關重要。但傳統的干燥工藝主要作用于稻谷表面滅菌，缺少對稻谷內部霉菌的殺滅效果研究。從圖6可以看出，隨著微波處理時間的延長，稻谷溫度升高，其內部霉菌總數隨之下降。微波加熱稻谷到60℃，經緩蘇后其內部霉菌量基本為0。說明微波具有很強的穿透力，能夠深入稻谷內部，在較短時間內使稻谷顆粒里外幾乎同時吸熱升溫，使稻谷表面和內部霉菌均受熱致死［31］。并且稻谷經微波處理后，立即緩蘇，在每個條件下其內部霉菌總數均比未緩蘇的低，說明緩蘇工藝能顯著提高稻谷內部殺菌效果。

圖6 微波處理后稻谷溫度與其內部霉菌總數的關系

結合微波處理后稻谷溫度與其加工品質、表面細菌和霉菌殺滅效果、內部霉菌總數的關系，得出稻谷允許最高受熱溫度在60～65℃之間。所以使用有效功率927 W的微波處理稻谷應控制在65℃以內效果較好。而微波加熱稻谷至60℃時的干燥效率比加熱至65℃時高，由此，為了節省電能，提高稻谷干燥效率，節省干燥時間，以下實驗都使用有效功率927 W的微波處理高水分稻谷120 s，溫度達到60℃。微波加熱稻谷到60℃時的出糙率、整精米率比其他溫度的較高，分別為83.92%和68.14%，殺菌效果也較好，能使其表面細菌量下降3.6 log CFU/mL，表面霉菌量下降 3.3 log CFU/mL，內部霉菌量基本為0。

2.3 與自然通風及熱風處理對比實驗結果

2.3.1 不同稻谷處理方式的干燥效率及其對加工品質的影響

從表2可以看出，使用有效功率927 W的微波與熱風聯合處理稻谷從含水量21.58%干燥到18.34%，降低3.2個水分點只需要20 min，而熱風處理需要60 min，自然通風處理需要200 min。即微波與熱風聯合處理時間僅有熱風處理的1/3、自然通風處理的1/10。說明使用微波與熱風聯合處理高水分稻谷能顯著縮短干燥周期，提高干燥效率，節能降耗。

表2 不同稻谷處理方式的干燥效率及其對加工品質的影響

與自然通風處理稻谷相比，熱風處理和微波與熱風聯合處理在不同程度上均提高了稻谷出糙率和整精米率，其中微波與熱風聯合處理提升較高。這可能是因為兩種方式處理稻谷后都進行緩蘇，改善了稻谷加工品質。

利用微波輻射高水分稻谷可以達到保質保水、控水減損的目的，從而稻谷能保持品質穩定，質量安全入倉。

2.3.2 不同稻谷處理方式對其表面細菌總數和霉菌總數的影響

從圖7可以看出，熱風和微波與熱風聯合處理都能有效地抑制稻谷表面的細菌總數(圖7a)和霉菌總數(圖7b)，兩種處理方式都提高了稻谷儲藏安全性，而自然通風處理稻谷會使其表面細菌量和霉菌量均都小幅度提升。熱風處理后稻谷表面的細菌量和霉菌量均減少1.5 log CFU/mL，而微波與熱風聯合處理使其表面細菌量下降3.7 log CFU/mL，表面霉菌量下降3.4 log CFU/mL，說明微波與熱風聯合處理后稻谷表面的細菌量和霉菌量減少更加顯著，其稻谷表面殺菌效果比熱風處理高。

圖7 不同稻谷處理方式對其表面細菌總數和霉菌總數的影響

2.3.3 不同稻谷處理方式對其內部霉菌總數的影響

圖8表明，自然通風處理稻谷后其內部霉菌量無變化，而熱風和微波與熱風聯合處理都能有效地降低稻谷內部霉菌量，且都具有較強的穿透力，可加熱稻谷顆粒，使霉菌受熱致死。熱風處理后稻谷內部霉菌量減少了70%，而微波與熱風聯合處理對稻谷內部霉菌的致死率達95%，說明其中微波具有更強的穿透力，對稻谷內部的殺菌效果顯著高于熱風處理。微波加熱稻谷的溫度與熱風處理保持一致(60℃)，但微波與熱風聯合處理對稻谷微生物致死率顯著高于熱風，表明微波殺菌除了熱效應以外，可能存在一定的生物學效應［32］。

圖8 不同稻谷處理方式對其內部霉菌總數的影響

新收的高水分稻谷一般帶有103CFU/mL左右的霉菌量，通過微波輻射可以使稻谷內部和表面霉菌達到99.9%的殺滅，實現田間稻谷現場收獲后快速微波干燥和殺菌工藝，保證新收獲稻谷可安全入倉儲藏。

3 結論

在一定微波功率下，隨微波處理時間增加，稻谷溫度升高，含水量下降，干燥速率呈波動上升。微波處理對稻谷的加工品質、表面和內部微生物量均有影響。適宜的微波條件(927 W/760 g，處理稻谷120 s至60℃)可以提高稻谷的出糙率和整精米率，改善加工品質;能對新糧其表面和內部霉菌量實現99.9%的殺滅。與傳統干燥方式相比，適宜的微波條件與熱風聯合處理，可以顯著縮短干燥時間(P＜0.05)，保持加工品質穩定，且能獲得顯著的殺菌效果，實現高水分稻谷保質保水、控水減損、安全入倉儲藏。