稻谷真空干燥工藝參數對糙米爆腰增率的影響

徐澤敏，謝修鴻，牟 莉

(長春大學 食品科學與工程學院，長春 130022)

0 引言

稻谷相較其他谷物而言難于去除內部水分，由于其結構的特殊性，稻谷外部堅硬的颕殼在干燥升溫過程中，將阻止熱量向內部傳導及糙米內部水分的由內向外擴散，溫度差、濕度差的產生，將導致內應力增大。如若干燥工藝參數選擇不適，會使糙米內外溫度和濕度梯度產生較大變化，容易導致溶質失散和食味感觀品質降低以致爆腰的產生[1-3]。烘干時，熱風溫度不宜過高[4-6]，否則易使糙米組分中淀粉糊化和變性，也極易發生蛋白質、氨基酸變性，使應力裂紋增大、爆腰粒增多[2,7]、大米品相差、食味品質下降、深加工產品得率低，經濟效益受到直接影響。因此，宜采用低溫緩蘇工藝，利用現代的智能技術手段，優化干燥工藝參數組合，烘干出最佳的糙米品質[4,8]。稻谷烘干是通過傳熱傳質去除其內部水分的過程，也是其水分由內向外遷移從液相變為氣相的變化過程[2,9]。在低溫真空條件下，可以加速反應進程且節能環保[10]。目前，應用連續真空干燥技術烘干稻谷的報導甚少，主要受到裝備關鍵技術和成本的制約。

筆者在全面實驗分析的基礎上，利用二次正交旋轉組合方案，試圖建立以爆腰增率為目標函數的數學模型，為探索稻谷低溫真空干燥工藝路線及真空干燥機的參數設計提供借鑒。

1 原材料、設備及試驗檢測方法

1.1 試驗材料

選用吉林省種植的市場售新鮮粳稻，測試水分為22.1%，測爆腰率2.3%。

1.2 試驗設備及儀器

ZK—82A型真空干燥箱，工作溫度室溫～200℃，真空度267Pa；JA10002電子天平，精度為0.01g，最大荷載1 000g；202-3型電熱恒溫干燥箱，溫度為范圍5～300℃，控溫精度±1.0℃；CLS、JLG—1型礱谷機，取樣量20～50g；谷物篩子，方孔2.0mm×2.0mm、1.0mm×1.0mm；分析盤、鑷子；放大鏡。

1.3 試驗檢測檢驗方法

稻谷的參數指標依據GB5009.3-2016食品安全國家標準食品中的水分測定方法 ，采用電熱烘干箱法測出含水量為22.1%。根據GB5496-85糧食、油料檢驗糙米裂紋粒的檢驗法，取50g稻谷用實驗礱谷機脫殼后，不加挑選地取整粒糙米100粒放入分析盤中，用放大鏡進行鑒別，用鑷子揀出有裂紋的米粒，揀出的粒數即爆腰率。測得新鮮粳稻爆腰率為2.3%。

將含水量為22.1%的稻谷每組稱200g試樣，分為3組平行實驗，分別裝入網眼平底圓盒中，一起放入真空干燥箱里；打開閥門啟動真空泵，使干燥箱內壓力達到設定壓力并保持；然后，關閉閥門并進行加熱，箱內的溫度由溫控儀調溫控制。干燥開始后，每間隔20min稱1次質量，直至達到所設定的干燥時間，3組試樣測定的數據取平均值。以稻谷的爆腰(裂紋)增率作為檢測指標，即真空干燥后測得的爆腰率減掉2.3%。

2 二次旋轉正交試驗設計及實驗結果分析

2.1 正交設計實驗方案

本次試驗是在玉米薄層真空干燥[9，11]和稻谷降水真空干燥試驗[2,7]的基礎上，制定試驗指標和方案。以爆腰增率為目標函數(Y)，影響真空干燥工藝效果的參數主要有干燥溫度(V1)、真空度(V2)、干燥時間(V3)。為了確定影響主次和優化參數，采用了二次回歸旋轉正交設計，三因素三水平，中心試驗次數為9，總的試驗次數為23，數學模型[12]為

(1)

正交試驗的各變量關系和各水平編碼如表1所示。

表1 試驗因素各水平編碼關系表Table 1 Test factors each level coding relational table

2.2 正交設計實驗結果

根據正交實驗各因素的編碼數值組合對水分為22.1%的原稻谷進行真空干燥，測得不同干燥參數影響下的爆腰增率(y)實驗數據,如表2所示。

表2 二次正交旋轉實驗設計及測得數據Table 2 Design and data of quadrature orthogonal rotation experiment

續表2

150009.02160008.59170008.78180008.97190008.52200008.77210009.16220008.56230008.45

2.3 統計分析及數學模型的建立與檢驗

2.3.1 爆腰增率回歸模型的取得

根據表1、表2變量關系試驗方案測得的稻谷爆腰增率的測試數據，采用數據統計分析方法，用統計軟件SPSS分析計算，得出編碼空間的回歸二次方程為

y=8.8255+3.7448x1-0.5353x2+2.8324x3-

0.145x1x2+1.354x1x3+0.57x2x3+

(2)

2.3.2 模型的顯著性分析

獲得的二次回歸方程，用軟件同時進行方差顯著性檢驗及回歸系數|t|檢驗，結果如表3所示。表3數據表明：方程的回歸性明顯，證明模型(2)與實際真空干燥測得的結果有較好的擬合。

為此，二次回歸方程式(2)可作為稻谷爆腰增率編碼空間的數學模型。

表3 方程的回歸系數檢驗檢測表Table 3 The regression coefficient of equation is tested

續表3

3 影響爆腰增率的因素分析

通過對數學模型(2)進行降維應用分析，確定各參數之間的相互作用關系對稻谷爆腰增率的影響，通過圖形來分析說明。

3.1 干燥時間對爆腰增率的作用

以編碼模型為分析對象，針對真空度和干燥溫度處于因素水平中間3個區間時進行對比作圖分析。圖1顯示了干燥溫度為恒溫40℃時干燥時間對爆腰增率的影響。由圖1可知：隨著干燥時間的延長，爆腰粒在增多；不同真空度下，爆腰增率有些許變化，真空度越大，稻谷爆腰增率越小，但隨干燥時間的增加，減小的幅度越來越小最后趨于一致。因此，干燥加熱時間對稻谷爆腰影響較大，大于真空度對其的影響，應盡量縮短干燥時間；但在溫度不變的條件下，干燥稻谷到安全水分，如若縮短烘干時間，就要相應地提高真空度。

圖1 干燥時間影響曲線Fig.1 The drying time affects the curve

3.2 真空度對爆腰增率的作用

圖2為干燥時間4h時3種不同溫度下真空度對稻谷爆腰增率的影響曲線。由圖2可知：隨著真空度的增大，爆腰增率在緩慢減小，3條曲線斜率皆較小，真空度對其影響較弱；而3條曲線間隔較大，溫度對其影響較明顯，尤其45℃曲線與40℃間隔更大，爆腰粒更多，說明干燥溫度不宜過高。

圖2 真空度影響曲線Fig.2 The vacuum degree affects the curve

3.3 干燥溫度對爆腰增率的作用

圖3所示為真空度0.05MPa時不同的干燥時間條件下干燥溫度對爆腰增率的影響曲線。由圖3可知：爆腰增率隨干燥溫度的上升而顯著上升，同樣溫度下，干燥時間越長，爆腰粒越多；當溫度低于35℃時，3條曲線斜率較小，尤其干燥時間3h曲線幾乎處于水平，爆腰率無大變化；溫度高于45℃，曲線越陡峭，斜率越大。

圖3 干燥溫度影響曲線Fig.3 The drying temperature affects the curve

3.4 實驗因素排序主次分析

根據以上回歸模型的降維分析及回歸系數t檢測統計得出：稻谷真空干燥時應力裂紋(爆腰)的程度受干燥時間、真空度和干燥溫度3個因素的交互作用；在實驗區間范圍內，3因素對爆腰增率的作用由強至弱的次序可排列為：干燥溫度(x1)>干燥時間(x3)>真空度(x2)。

4 結論

1)利用正交旋轉回歸設計方法，建立了以干燥時間、真空度和干燥溫度為參數的稻谷爆腰增率的二次回歸模型，通過統計分析顯著性檢驗，確定模型的可行性。

2)采用單因素降維分析，詮釋了三因素對稻谷爆腰增率的交互作用影響，繪制了三因素的影響圖表，直觀地反映出真空干燥過程中稻谷爆腰增率的指標。

3)利用t值檢驗和圖表分析，確定了三因素對目標函數的影響。影響稻谷爆腰增率的主次因素依序應為干燥溫度、干燥時間、真空度；爆腰增率正相關于干燥溫度和干燥時間，負相關于真空度。