歐姆加熱對米飯蒸煮過程能耗及其品質的影響

丁辛亭，熊秀芳，李樹旺，王紹金，李星恕,2

歐姆加熱對米飯蒸煮過程能耗及其品質的影響

丁辛亭1，熊秀芳1，李樹旺1，王紹金1，李星恕1,2※

（1. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，楊凌 712100；2. 陜西省農業裝備工程技術研究中心，楊凌 712100）

針對電飯煲蒸煮米飯存在電熱轉化效率低、溫度不易控制等不足，該研究設計了一種加熱速率和保溫溫度自動可控的歐姆加熱試驗系統，研究了浸泡時間（5、15、30、50、80 min）和水米比（1.25∶1、1.50∶1、1.75∶1、2.00∶1 mL/g）對水米混合物的電導率、歐姆蒸煮加熱速率、能耗以及米飯品質（膨脹率、吸水率、物性值和顏色）的影響，并與電飯煲蒸煮米飯的能耗和品質進行比較。結果表明：浸泡能夠增大水米混合物電導率，水米比越小電導率增加越快，有效提高歐姆加熱蒸煮米飯加熱速率；浸泡還有利于減少米飯蒸煮能耗（<0.05），促進米飯軟化；因此大米浸泡處理30 min后采用歐姆加熱蒸煮米飯可行。歐姆蒸煮加熱速率越快，米飯硬度上升（<0.05），而黏性和彈性則略有減小（<0.05），加熱速率在3～9 ℃/min范圍內為宜；水米比可取1.25∶1～1.50∶1 mL/g。蒸煮相同質量的大米，歐姆加熱所需能耗僅為電飯煲蒸煮的20%～25%；相較于電飯煲蒸煮，歐姆加熱蒸煮米飯硬度最大可減小21%，且膨脹率和吸水率較大（<0.05）、亮度值較小（<0.05）。研究結果可為研發基于歐姆加熱的快速高效米飯自動蒸煮裝置提供技術支撐。

電導率；品質控制；米飯；歐姆加熱；大米浸泡；蒸煮能耗

0 引 言

大米富含碳水化合物和蛋白質以及人體所需的多種微量元素[1-2]，是世界性主糧[3-4]。大米的食用方式以加熱水米混合物蒸煮成米飯為主，但使用傳統加熱包括電飯煲蒸煮米飯時，均要經由加熱容器傳熱給水米混合物，能量利用率低，耗時耗能。最近，有學者采用微波、射頻等體積加熱方法蒸煮米飯[5-6]，雖然能有效提高電能利用率，但也存在設備能耗大、成本高、安全性差、故障率高等不足，限制了這些方法的進一步推廣和應用。

歐姆加熱又稱通電加熱，電流通過導電物料時，由于焦耳效應電能轉換為熱能，物料內部溫度升高。歐姆加熱具有電熱轉化率高、設備簡單易控、加熱均勻、迅速等優點[7-9]，目前被廣泛應用于殺菌、解凍、萃取、提純等領域[8,10-13]。近期，有學者采用歐姆加熱蒸煮谷物，發現與傳統蒸煮方式相比，所得食品的物性值和顏色并無顯著差異，同時還能夠加速谷物軟化、減少能耗，在谷物蒸煮方面具有較大優勢[14-16]。歐姆加熱時，單位體積物料單位時間產生的熱量與物料電導率和電場強度的平方成正比；現有歐姆加熱蒸煮米飯裝置大多采用恒定電壓加熱，隨著溫度升高水米混合物電導率會增大，加熱速率必定也會越來越大。然而加熱速率是影響米飯品質的一個重要因素[17]，但恒定電壓蒸煮米飯很難獲得一個恒定的加熱速率。此外，由于水米混合物的電導率通常很低，因此很多學者在利用歐姆加熱蒸煮米飯時，均要向水米混合物中添加食鹽以提高其電導率，但這并不符合亞洲尤其是中國人的生活習慣。前期研究表明，浸泡能有效提高水米混合物的電導率，從而使歐姆加熱蒸煮米飯成為可能；同時，國家標準也建議蒸煮前對大米進行浸泡，以提高米飯品質和縮短蒸煮時間[18]。但是，關于浸泡條件對水米混合物電導率及歐姆加熱蒸煮過程的影響研究，迄今為止報道甚少。

本文擬設計一種能自動控制加熱速率和保溫溫度的歐姆加熱蒸煮米飯試驗系統，研究浸泡時間、加熱速率和水米比對歐姆加熱蒸煮過程及米飯品質的影響，對比歐姆加熱與電飯煲蒸煮在能耗與米飯品質方面的差異，為研發快速、節能的歐姆加熱蒸煮米飯裝置提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試大米選用顆粒均勻的金龍魚牌遼寧盤錦優質粳米，包裝袋內充二氧化碳，置于陰涼、通風、干燥處保存。米粒平均長、寬、厚為(4.73±0.32) mm、(2.81±0.24) mm、(2.01±0.16) mm，初始濕基含水率為11.86%±0.19%。由于家庭蒸煮米飯通常使用自來水，同時也為消除自來水對水米混合物電導率的影響，取30 L自來水貯存于容器中待其充分靜置后用于所有試驗，25℃時該自來水電導率為(162.37±8.41)S/cm。

為了研究浸泡時間對歐姆加熱米飯加熱歷程及米飯品質的影響，在25 ℃室溫下，取100 g大米按照水米比[15]（mL/g）1.25∶1、1.50∶1、1.75∶1、2.00∶1與自來水充分混合均勻（以下試驗與此相同），分別浸泡5、15、30、50、80 min后進行歐姆加熱蒸煮米飯試驗，以大米未經浸泡的蒸煮試驗作對照。

1.2 歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統

歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統由控制系統、歐姆加熱槽和PC機（ZX6-CP5S1，神舟電腦股份有限公司）組成，如圖1所示。控制系統包括單片機（STC12C5A60S2，深圳宏晶技術有限公司）、數據采集模塊和電壓調節模塊：數據采集模塊采用電壓（DL-PT202H1，南京向上電子有限公司）、電流（DL-CT1010A，南京向上電子有限公司）、溫度（DS18B20，美國德州儀器公司）傳感器實時采集歐姆加熱蒸煮過程中電壓、電流和溫度數據；單片機從數據采集模塊接收這些數據，并且采用前饋算法控制加熱速率、PID算法控制保溫溫度，均通過輸出不同占空比的PWM信號控制電壓調節模塊（包括固態繼電器及其驅動器）持續通斷，從而調節輸出電壓，實現加熱速率和保溫溫度恒定。單片機接收的所有數據通過串口實時發送至PC機并保存，以便后續處理。為了觀察歐姆加熱蒸煮過程中大米的膨脹情況，加熱槽體由厚度5 mm的透明耐熱有機玻璃焊接而成[19]，槽體內兩側安裝一對厚度為1 mm的不銹鋼平板電極，內部尺寸為75 mm×80 mm× 70 mm；在槽體一側粘貼透明直尺，使用相機記錄蒸煮過程中水米混合物高度變化。為了保溫和防止蒸煮米飯過程中水分蒸發，試驗時加熱槽上端蓋有帶橡膠密封墊的泡沫板；除直尺的一側外表面，其余表面均粘貼厚度10 mm的橡塑保溫棉。歐姆加熱槽結構及物料高度測量如圖2所示。

圖1 歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統示意圖

根據所測電壓與電流以及大米質量可得歐姆加熱蒸煮單位質量（1 kg）大米所需能耗[16]為

式中為蒸煮單位質量米飯所需能耗，(kW·h)/kg；為通電時間，h；為時刻的電壓，V；為時刻的電流，A；為蒸煮大米的質量，kg。

1.橡塑保溫棉 2.加熱槽體 3.電極板 4. 橡膠密封墊 5.泡沫板 6.溫度傳感器 7.直尺 8.水層 9.水米混合層 10.相機

1.Insulation sponge 2.Heating container 3.Electrode 4.Rubber gasket 5.Cystosepiment 6.Temperature sensor 7.Ruler 8.Water layer 9.Water-rice mixed layer 10.Camera

圖2 歐姆加熱槽結構及物料高度測量

Fig.2 Ohmic heating container structure and material height measurement

歐姆加熱時以水米混合物作為蒸煮對象。根據歐姆加熱蒸煮米飯過程的錄像，提取水米混合物蒸煮過程中高度隨時間的變化，結合電壓和電流數據，可得蒸煮過程中某一時刻的水米混合物整體電導率[20]為

為了比較歐姆加熱與電飯煲在蒸煮能耗與米飯品質方面的差異，采用水米比和浸泡時間完全相同的水米混合物進行對比試驗；采用電阻絲式非高壓電飯煲（FD10E型，廣東天際電器股份有限公司）的精煮模式蒸煮米飯。為比較兩種蒸煮方式的優劣，需確保兩種蒸煮方式加熱條件相同，本研究中采用單片機控制歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統與電飯煲的米飯蒸煮加熱歷程保持一致。

1.3 浸泡過程中水米混合物電導率檢測

為了研究浸泡時間對水米混合物電導率的影響，需要檢測浸泡過程中水米混合物的電導率隨時間的變化。浸泡過程中采用精度較高的阻抗測試儀（3532-50 LCR型，日本日置公司）檢測水米混合物電導率變化，檢測電壓為1 V。檢測時，水米混合物浸泡于歐姆加熱槽中，室溫下每5 min使用玻璃棒緩慢均勻攪拌水米混合物一次，待其穩定后測量其電阻[21-22]，共測量17次持續80 min。浸泡過程中水米混合物總體積基本不變[23]，則浸泡時電導率為

1.4 米飯品質檢測

1.4.1 大米吸水率和膨脹率

大米的吸水率和膨脹率是評價米飯品質最為直觀的指標。參考文獻[23-24]中采用的測量方式，大米吸水率為

1.4.2 米飯物性值

取不同條件下蒸煮的米飯樣品各約10 g，放入密封袋并快速冷卻至25℃。檢測米飯物性值時，取米飯樣品中4顆完整米粒，十字狀放置于質構儀（TA-XTC，上海保圣實業發展有限公司）載物臺中心，采用兩次壓縮法檢測其硬度、黏性和彈性。測試選用TA/36柱形探頭，測前速度為3 mm/s，測試速度和測后速度為1 mm/s，觸發力為0.05 N，以70%的形變進行壓縮，壓縮間隔為5 s[26-28]。每種條件下的米飯樣品物性值檢測重復上述試驗6次。

1.4.3 米飯顏色值

米飯越亮、越白，其品質評價越好[18]。分別取各米飯樣品中6顆完整米粒，利用色差儀（CS-210，杭州彩譜科技有限公司）測定其亮度值（）、紅綠度（）和黃藍度（）。

1.5 數據分析

每組試驗至少重復3次，采用IBM SPSS Statistics 23統計分析軟件中Duncan多重比較檢驗，對試驗數據進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 浸泡時間對水米混合物電導率及歐姆加熱蒸煮米飯特性的影響

2.1.1 浸泡時間對水米混合物電導率的影響

不同水米比時，水米混合物的電導率隨浸泡時間的變化如圖3所示。由圖3可知，水米混合物的初始電導率為130S/cm左右，略小于自來水的電導率。這是由于大米自身電導率很小，此時大米內部離子和極性分子等可導電物質并未釋放至水中的緣故。水米混合物的電導率呈現先快速增大后變緩的趨勢，浸泡80 min后，電導率由130S/cm增大至350～400S/cm左右。這是由于浸泡過程中大米吸收水分并隨之軟化，大米內部可導電物質快速析出[16,29]，導致水米混合物的導電性能增強，其整體電導率提高；同時隨著浸泡進行，大米內部可導電物質量減少、釋放速率降低，從而電導率增速趨緩。另外，水米混合物的水米比越小，溶液中可自由移動的導電物質濃度越大，電導率也就越大，其增幅也越大。

圖3 不同水米比時浸泡時間對水米混合物的電導率的影響

2.1.2 浸泡時間對歐姆加熱蒸煮米飯加熱歷程的影響

浸泡能有效提高水米混合物電導率，使歐姆加熱蒸煮米飯成為可能。圖4為不同浸泡時間時歐姆加熱水米混合物加熱歷程。圖中數據是水米比為1.50∶1 mL/g的水米混合物浸泡不同時間后，在目標加熱速率為5 ℃/min、98 ℃時保溫20 min后測得。由圖4可知，加熱段的開始階段各水米混合物加熱速率小于5 ℃/min，隨著蒸煮進行，加熱速率逐漸達到設定的加熱速率。對照組的水米混合物約需435 s達到目標加熱速率，而浸泡5、15、30、50、80 min的水米混合物分別需要405、255、70、50、35 s，即浸泡時間越長，達到目標速率所需時間越短。主要原因是浸泡時間越長，電導率越大，恒定電壓時產生熱量就越多[30-31]，溫升越快，達到穩定的目標速率所需時間就越少。其他水米比時結果類似，此處沒有給出。

注：水米比為1.50∶1 mL·g-1。

2.1.3 浸泡時間對歐姆加熱能耗的影響

浸泡時間對歐姆加熱蒸煮大米能耗的影響見表1。由表1可知，水米比1.50∶1 mL/g的水米混合物未浸泡時，每1 kg大米蒸煮為米飯需要約0.20 kW·h電能，而浸泡30～80 min后的大米僅消耗約0.15 kW·h電能即可，減少約1/4。電能消耗隨浸泡時長增加逐漸降低，因此浸泡有利于降低歐姆加熱蒸煮米飯的能耗。

表1 浸泡時間對歐姆加熱蒸煮米飯的能耗與品質的影響

注：同列中不同字母表示水米比1.50∶1 mL·g-1時，浸泡不同時間后蒸煮米飯的能耗與品質均值差異顯著（<0.05）。

Note: Different letters in the same column indicate that when the water-rice ratio is 1.50∶1 mL·g-1, there is a significant difference (<0.05) in the means of energy consumption and quality of cooking rice after soaking for different times.

2.1.4 浸泡時間對歐姆加熱米飯品質的影響

浸泡時間對歐姆加熱米飯品質的影響如表1所示。由表1可知，米飯硬度隨浸泡時間增加呈現逐漸減小的趨勢，對照組米飯硬度為21.96 N，但浸泡80 min后的米飯硬度為16.64 N；大米浸泡30 min以后，其米飯硬度有所減小但與浸泡80 min比較差異不顯著（>0.05）。浸泡時間對歐姆加熱蒸煮米飯的吸水率、膨脹率、黏性、彈性、亮度、值等均無顯著影響。這是因為在浸泡過程中，大米逐漸吸水膨脹，其內部組織結構開始疏松[32]，米飯軟化，米飯硬度減小；浸泡30 min后大米吸水減緩，米飯硬度基本不變。

綜上所述，試驗表明采用歐姆加熱技術蒸煮米飯完全可行。浸泡可以提高水米混合物電導率、精準控制歐姆加熱蒸煮速率，更有助于減少米飯蒸煮能耗（<0.05），促進米飯軟化。浸泡時間超過30 min時，電導率、歐姆加熱蒸煮速率、米飯蒸煮能耗及米飯品質均變化較小。因此，為了分析歐姆加熱速率和加熱方法對蒸煮米飯的影響，后續蒸煮米飯前將大米浸泡30 min。

2.2 歐姆加熱蒸煮米飯過程中水米混合物電導率與體積變化

電導率是影響歐姆加熱蒸煮過程的關鍵參數，研究歐姆加熱蒸煮過程中水米混合物的電導率變化對于控制加熱歷程有重要的意義。圖5為歐姆加熱蒸煮米飯過程中水米混合物的電導率和溫度變化。由圖5可知，在加熱段，水米混合物的電導率隨蒸煮時間的增加而增大，由最初的320S/cm左右逐漸增大至850 s的1 000S/cm，呈現指數趨勢增加。主要原因是水米混合物的電導率除了隨溫度升高電導率越大[33]之外，大米膨脹也會促進大米內部的可導電物質不斷加速釋放到水中，導致水米混合物的電導率增加速率逐漸增快[23]。水米比不同時，初始電導率之間雖然存在差異，但不顯著，這是由于隨著溫度的升高，電導率受溫度影響漸大，同時電壓處于實時調整狀態，動態通電導致電導率的計算存在一定誤差，從而導致不同水米比的水米混合物電導率差異不明顯。隨著溫度的升高，在加熱段末期水米比越小，電導率越小，這是由于水米比較小時，加熱段末期水分減小，導電物質移動受阻，電導率則略小。

注：大米浸泡30 min后，以目標加熱速率5 ℃·min-1加熱到98 ℃，并保溫20 min。

在保溫段，水米混合物的電導率隨著保溫時間的增加而逐漸降低；且水米比越大，整體電導率越大，其減小速率更慢。主要原因是由于保溫過程中水米混合物溫度恒定，電導率不再受溫度影響，而大米在此階段會繼續吸水膨脹，同時部分水分蒸發流失，自由水逐漸減少，導電分子因此移動受阻[14]，則電導率整體減小。當水米比越大時，大米吸收水分越多，較大的含水率使得導電物質在大米內部運動阻礙較小，水米混合物導電性好，因此電導率較大。

歐姆加熱米飯蒸煮過程中的水米混合物和米飯高度的變化如圖6所示。由圖6可知，水米混合物總高度呈現先不變后增大最后趨于平衡的趨勢，與前期研究結果相同[23]；米飯高度也呈現類似趨勢，且后期米飯體積與總高度趨于相同且逐漸增加。另外，水米比越大，蒸煮完成后米飯總高度越大，這是因為水米比大時，大米吸收水分較多，膨脹率更大的緣故。

2.3 加熱速率對歐姆加熱米飯品質的影響

為了研究歐姆加熱速率對蒸煮米飯品質的影響，分別設定3、6、9、12 ℃/min加熱速率加熱水米混合物，不同加熱速率時歐姆加熱溫度曲線如圖7所示。由圖可知，水米混合物溫度升高速率分別為3.01、6.07、9.17、12.30 ℃/min，表明水米混合物溫度變化滿足設定的恒速率加熱要求。

圖6 歐姆加熱蒸煮過程中的水米混合物和米飯高度的變化

注：大米浸泡30 min后，水米比為1.50∶1 mL·g-1的水米混合物在98 ℃下保溫20 min。

圖8為歐姆加熱速率對米飯硬度、黏性和彈性的影響。結果表明，隨著加熱速率加快，米飯的硬度增加，而黏性和彈性略有減小。這可能是由于隨著加熱速率加快，米飯糊化時間縮短，使得米飯糊化不均勻，內部有硬芯，最終導致硬度升高，而黏性和彈性降低。由圖8可知，雖然加熱速率較高時可以縮短蒸煮時間，但米飯硬度較大、黏性和彈性較小，影響口感；因此適當降低米飯蒸煮加熱速率，有利于減小米飯硬度；歐姆加熱速率可設置在3～9 ℃/min范圍內，且米飯品質差異不大（>0.05）。

注：不同字母表示物性值均值差異顯著（P<0.05）。

2.4 歐姆加熱與電飯煲蒸煮時能耗與米飯品質比較

由于加熱速率對米飯品質影響較大，為了對比歐姆加熱與電飯煲在蒸煮米飯時的能耗以及米飯品質，因此要確保兩者所用物料和加熱歷程完全一致。電飯煲蒸煮米飯時加熱歷程如圖9所示，由于加熱滯后性的緣故，最初一段時間溫度沒有變化。因此，控制歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統前242 s不通電，之后以加熱速率為4.86 ℃ /min加熱并于98 ℃保溫1 164 s。圖9為水米比1.50∶1 mL/g、浸泡時間為30 min時，歐姆加熱與電飯煲蒸煮米飯的水米混合物溫度和輸入功率變化。結果表明，兩種方式的加熱歷程基本相似，且其他水米比加熱結果與此水米比一致。

注：IP-輸入功率，T-溫度，EC-電飯煲，OH-歐姆加熱。

2.4.1 能耗

由圖9可知，電飯煲通過通斷電來實現水米混合物的加熱和保溫，而歐姆加熱米飯蒸煮試驗系統動態調節輸出電壓，因此存在功率波動，但在加熱段由于加熱速率相同，功率基本保持相等；在保溫段，兩加熱方式的輸入功率均很小，主要用于彌補熱量散失。

表2為歐姆加熱與電飯煲加熱蒸煮米飯的能耗與米飯品質對比。由表2可知，歐姆加熱所需能耗約為電飯煲加熱的20%～25%，這是由于歐姆加熱屬于體積加熱[34]，熱量散失更少的緣故，國外多位學者也得到相似結論[14-15,23]。

表2 歐姆加熱與電飯煲加熱蒸煮米飯的能耗與米飯品質對比

注：同列中不同字母表示不同處理間均值差異顯著（<0.05）。浸泡時間為30 min。

Note: Different letters in the same column indicated that the means were significantly different (<0.05) among the different treatments. The soaking time is 30 min.

2.4.2 米飯品質

1）膨脹率和吸水率

由表2可知，加熱方式與水米比對米飯膨脹率和吸水率均有顯著影響（<0.05）；相比電飯煲加熱，歐姆加熱蒸煮米飯的膨脹率和吸水率更大（<0.05）。這是由于加水量相同時，電飯煲的加熱內膽底面溫度較高，水分散失較多；歐姆加熱時水米混合物自身產生熱量，物料內部溫度分布均勻，且歐姆加熱時其電場可以破壞米粒組織結構，促進水分子進入米粒，加速大米糊化[35]，使得歐姆加熱過程中米粒吸收水分較多、更加膨脹，因此大米進行歐姆加熱比電飯煲加熱吸水率和膨脹率更高。

2）硬度、黏性和彈性

由表2可知，加熱方式對米飯的黏性和彈性無顯著影響（>0.05），加熱小米也得到相似結論[16]；但在水米比為1.25∶1和1.50∶1 mL/g時，加熱方式對米飯硬度影響顯著（<0.05），水米比相同時歐姆加熱米飯硬度最高可減小21%。這是由于歐姆加熱時米粒吸水較多，內部組織較為蓬松的緣故[15]。同時，水米比越大米飯的硬度、黏性和彈性均越小。主要原因是水米比越大，大米吸水越多，米飯越膨脹使其硬度降低；同時米粒組織較為松散、不夠緊致，故彈性較小；另外黏性通常與米飯表層有關，吸水越多的米粒表層黏性越低[15]。

比較可知，當水米比為1.25∶1 mL/g時，電飯煲蒸煮的米飯較硬，水米比為2.00∶1 mL/g時，米飯過軟；采用歐姆加熱蒸煮米飯，水米比大于1.75∶1 mL/g時，米飯較軟。因此，電飯煲蒸煮米飯的水米比可取1.50∶1～1.75∶1 mL/g，歐姆加熱蒸煮米飯的水米比范圍為1.25∶1～1.50∶1 mL/g。

3）顏色值

研究表明，米飯越亮、越白品質越好。由表2可知，水米比相同時，電飯煲蒸煮的米飯值較歐姆加熱大且差異顯著（<0.05）；加熱方式相同時，值隨水米比增大而減小，而米飯的值和值無明顯差異（0.05）。主要原因是值與其米飯含水率和膨脹率有關，含水率和膨脹率較小時，米粒結構緊密、表面光滑，反射光較多，因此米飯值較大。

3 結 論

1）浸泡大米30 min，能夠有效提高水米混合物的電導率，可實現較高的歐姆蒸煮加熱速率；同時還能減少米飯蒸煮能耗，促進米飯軟化，但不影響米飯的吸水率、膨脹率、黏性、彈性和顏色。延長浸泡時間對歐姆加熱蒸煮米飯影響不顯著（>0.05）。

2）歐姆加熱蒸煮米飯過程中，加熱段水米混合物的電導率最初為320S/cm，加熱850 s內逐漸增大至1 000S/cm。保溫段電導率則逐漸降低；且水米比越大，整體電導率越大。水米混合物和大米體積均呈現先不變后增大最后趨于平衡的趨勢，并且水米比越大，蒸煮完成后米飯總體積越大。

3）歐姆加熱速率較高時米飯硬度較大、黏性和彈性較小，加熱速率設置在3～9 ℃/min范圍內為宜。電飯煲蒸煮米飯的水米比可取1.50∶1～1.75∶1 mL/g，而歐姆加熱水米比為1.25∶1～1.50∶1 mL/g。

4）歐姆加熱蒸煮米飯所需能耗僅為電飯煲蒸煮的20%～25%。與電飯煲蒸煮相比，歐姆加熱蒸煮米飯無加熱滯后性，顯著增加米飯膨脹率和吸水率（<0.05），減小硬度（<0.05）；但黏性、彈性、值和值無顯著差異（>0.05）。

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Effects of ohmic heating on the cooking process energy consumption and quality of cooked rice

Ding Xinting1, Xiong Xiufang1, Li Shuwang1, Wang Shaojin1, Li Xingshu1,2※

(1.,,712100,; 2.,712100,)

Rice is one of the most important food source for a major portion of the world’s population. In cooking rice, a traditional electric cooker has low efficiency of electro-thermal conversion, and low accuracy of temperature control. Alternatively, an ohmic heating has attract much attention, due to its high electro-thermal conversion efficiency, simple structure, easy control of equipment, as well as uniform and rapid heating. In this study, an ohmic heating experimental system was designed for cooking rice. The system was consisted of a control system, an ohmic heating container, and a personal computer. Its function was to collect the voltage, current, and temperature signals, then to send the collected data to the computer. The feedforward compensation was used to control the heating rate, whilst the PID controller was used to control the heat preservation temperature. PWM signals were both output with different duty cycles to adjust the output voltage, achieving the purposes of constant heating rate and heat preservation temperature. A systematic investigation was made to study the effects of soaking time (5, 15, 30, 50, 80 min) and water-rice ratio (1.25:1, 1.50:1, 1.75:1, and 2.00:1 mL/g) on the electrical conductivity of water-rice mixture, ohmic heating rate, energy consumption, and rice quality (expansion ratio, water absorption ratio, physical property value, and color) during ohmic heating. The effect of ohmic heating rate on the rice quality was explored, in order to compare energy consumption and quality of rice cooked by ohmic heating and electric cooker, where the same material and heating process were used during cooking rice. The results showed that during soaking rice, the electrical conductivity of rice-water mixture increased, due to the conductive material inside the rice, indicating an increase in the ohmic heating rate. The soaking rice reduced the energy consumption (＜0.05), further to obtain the soft rice. Nevertheless, there was no any influence on the water absorption ratio, expansion ratio, stickiness, springiness, and color of rice, indicating that the cooking rice by ohmic heating was completely feasible under the situation that the rice had been soaked for 30 min. During the process of ohmic cooking rice, the electrical conductivity of rice-water mixture initially increased with the increase of cooking time, and then gradually decreased during the heat preservation stage. The electrical conductivity of water-rice mixture became greater, as the water-rice ratio increased. At the same time, the volume of water-rice mixture and the rice both showed the trend of being unchanged first, then increasing, and finally tending to balance. The total volume of rice was larger after cooking, as the water-rice ratio increased. The hardness of rice increased (＜0.05), as the heating rate of ohmic cooking was higher, but thestickiness and springiness decreased slightly (＜0.05). The heating rate can be within the range of 3-9 ℃/min. When the water-rice ratio was from 1.25:1 mL/g to 1.50:1 mL/g, the rice tasted better, indicating that the more suitable water-rice ratio was 1.50:1 mL/g to 1.75:1 mL/g in a electric cooker. In addition, the ohmic cooking rice had no heating hysteresis, where the temperature of heating and heat preservation can be control accurately, compared with an electric cooker. In the same amount of rice, the energy consumption of ohmic heating was only 20%-25% of energy required for electric cooker. Compared with an electric cooker, the hardness of rice cooked by ohmic heating can be reduced by 21%, and the expansion ratio and water absorption ratio were larger (＜0.05), while the whiteness value () of rice were lower (＜0.05). This finding can provide a technical support to develop automatic rice cooking device with a high efficiency using ohmic heating.

electrical conductivity; quality control; rice; ohmic heating; rice soaking; heating energy consumption

丁辛亭，熊秀芳，李樹旺，等. 歐姆加熱對米飯蒸煮過程能耗及其品質的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(24)：310-318.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.036 http://www.tcsae.org

Ding Xinting, Xiong Xiufang, Li Shuwang, et al. Effects of ohmic heating on the cooking process energy consumption and quality of cooked rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 310-318. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.036 http://www.tcsae.org

2020-08-12

2020-10-24

國家自然科學基金項目（31972209）

丁辛亭，主要從事農產品加工技術與裝備研究。Email：dingxinting@qq.com

李星恕，教授，博士，從事農業裝備研發與農產品無損檢測方面的研究。Email：xingshu-li@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.036

TS213.3

A

1002-6819(2020)-24-0310-09