基于主成分分析法對不同稻谷變溫干燥工藝的加工和食味品質研究

畢文雅，魏 雷，石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037)

稻谷收獲后水分含量通常較高，此時稻谷自身呼吸旺盛，同時糧堆生物代謝活動強烈，如不及時晾曬處理，極易造成發熱、發芽、霉變等不良后果[1]。據農業部門統計，在一般年份，全國每年因霉變而損失的糧食達25億kg，嚴重時高達100億kg，由此造成增產不增收，白白浪費了人力物力[2]；全國每年因稻谷儲藏過程中陳化變質、倉儲害蟲以及霉變影響造成的損失約占總儲存量的3%，達數百億斤，每年的損失不低于200億元[3]。稻谷干燥是關系到質量和數量損失的關鍵控制環節。

稻谷與其他糧食作物不同，首先，稻谷是一種熱敏性的作物，干燥速度過快或參數選擇不當，會造成米粒內部和表層因吸熱或散熱不均勻，出現應力集中，直接影響稻谷碾米時的碎米率，從而影響稻谷的出米率，也就是影響它的產量和經濟價值；其次，稻谷籽粒由堅硬的外殼和米粒組成，在干燥時，其外殼阻礙籽粒內部水分向外表面轉移，這將導致干燥困難[4-5]。

做好稻谷收獲后的機械干燥環節，選擇有效、合適的干燥工藝，對保證國家糧食安全，減少不必要的經濟損失和提高人們生活品質意義重大。變溫干燥工藝是通過在進糧工段、排糧工段及干燥段對糧食水分、糧食溫度進行在線檢測與監測，并將檢測值與控制系統數據進行對比，調節干燥空氣的溫度、濕度、壓力甚至輸熱模式，從而控制干燥速度、提高干燥品質及降低單位熱耗的一種烘干工藝[6-7]。

我們設計不同變溫干燥工藝參數，對烘干后的稻谷品質指標進行研究，利用主成分分析綜合評價法對烘后稻谷品質指標進行評價，可為不同變溫干燥工藝烘后稻谷品質評價提供參考。

1 材料與儀器

試驗材料：于2019年新收獲的吉林高水分粳稻。

儀器與設備：糧食水分磨、JXFM110錘式旋風磨、SY88-TH礱谷機、JNM-Ⅲ碾米機、南京飛龍變溫干燥平臺、HE53水分測定儀、JSWL大米食味計、0.01 g天平。

2 干燥設計和檢測方法

2.1 干燥設計

本試驗采用平鋪式干燥方式，物料篩盤尺寸為：90 cm×60 cm，設備每次處理量約5 kg；熱風風速為0.6 m/s，緩蘇工藝(1∶3)；采用不同溫度參數工藝進行試驗，前期和中期的干燥時間均為1 h，緩蘇時間均為3 h，后期干燥及緩蘇時間通過實時監測水分，降至14.5%～15.0%，即達到干燥終點，記錄時間，待物料冷卻后取樣，用于后續干燥品質的分析。

采用逐步升溫和逐步降溫2種變溫干燥工藝對初始含水量為28%～29%(濕基含水率，下同)的樣品進行干燥。具體溫度參數見表1。

表1 升溫組和降溫組變溫工藝參數

2.2 檢測方法

水分：采用快速水分測定儀法，稻谷樣品進行磨粉制樣，過40目篩90%以上，取篩下物3 g左右進行105℃烘干法測定，獲得含水量。每份樣品做3組平行試驗，取平均值。

加工品質：取20 g左右稻谷，記為M，對其進行礱谷，對糙米進行稱重，記糙米重M0，挑揀出不完善粒進行稱重，記不完善粒重M1，計算出糙率。

出糙率=(M0+M1÷2)÷M×100%。

取20 g左右糙米，記為M2，對其進行碾米，對無粉精米進行稱重，記精米重M3，將數據錄入大米外觀檢測儀，選擇稻谷類型，進行掃描，得出整精米率和碎米率。每份樣品做3組平行試驗，取平均值。

食味品質：采用JSWL大米食味計進行測定，開機后預熱40 min，使用前用精米標準樣品基準米：食味值83分、蛋白質7.6%、水分14.3%、直鏈淀粉18.5%對食味計進行校準，用標準量杯裝米倒入入料口，進行測定，記錄結果，重復試驗3次，取平均值[8-9]。

3 結果與分析

3.1 升溫組和降溫組的總用時和干燥速率

升溫組和降溫組的總用時以及干燥速率見圖1。

由圖1可知，10組試驗的總用時在10.67～17 h，干燥速率在0.91～1.46%/h。對比總用時，方案2<方案4<方案6，方案1<方案3<方案5；對比干燥速率，方案2>方案4>方案6，方案1>方案3>方案5，說明三段溫度和越高(155、160、165℃，見表1)，總用時越短、干燥速率越快。同一對比組，升溫組用時均比降溫組用時短(2<1、4<3、6<5、8<7、9<10)，其中方案3、4，方案5、6，方案9、10之間差異性顯著(P<0.05)；升溫組干燥速率均比對比低溫組干燥速率快，其中方案1、2，方案3、4，方案5、6之間差異性顯著(P<0.05)。在三段溫度和為165、160、155℃的6組對比試驗中(見表1)，升溫組(2、4、6)均比降溫組(1、3、5)的干燥用時少2.21 h，干燥速度快0.21%/h；在三段溫度和為150℃的4組試驗中(見表1)，升溫組(10、8)比降溫組(9、7)的干燥用時少0.39 h，干燥速度快0.04%/h。

圖1 總用時和干燥速率

3.2 升溫組和降溫組的加工品質

稻谷各項指標見表2。

出糙率即凈稻谷脫殼后的糙米占試樣的質量分數，其中不完善粒折半計算。現行的國家標準以出糙率作為稻谷的定等指標。研究表明，出糙率跟出米率存在正相關性，在一定程度上反映了稻谷的加工品質[10]。由表2可知，10組烘后的出糙率在81.31%～83.80%，比烘前提高3.05～5.54個百分點。同一對比組，升溫組出糙率高于降溫組(2>1、4>3、8>7、10>9)，且差異性顯著(P<0.05)，升溫組出糙率比降溫組出糙率高1.32個百分點左右(除去5、6)，說明升溫組烘后出糙率好于降溫組烘后出糙率。同升溫組，方案2、4、8、10差異性不顯著同降溫組；方案1、3、7差異不顯著，說明本試驗中的三段溫度和對出糙率影響不顯著。

整精米即糙米研磨成加工精度為國家標準三級大米時，長度達到試樣完整米粒平均長度四分之三及以上的米粒。精米是稻谷加工的最終形態，整精米率的高低不僅影響稻谷的經濟價值，對大米的口感及營養價值也會產生影響[11]。由表2可見，10組烘后的整精米率在55.55%～69.05%，比烘前提高3.39～16.89個百分點。同一對比組，降溫組整精米率高于升溫組(1>2、5>6、7>8、9>10)，且差異性顯著(P<0.05)，說明降溫組烘后的整精米率好于升溫組烘后的整精米率。升溫組(2、4、6、8、10)間差異性不顯著(P>0.05)，降溫組(1、3、5、7、9)間差異性不顯著(P>0.05)，說明本試驗中的三段溫度和對整精米率影響不顯著。

出米率是指從稻谷或糙米中獲得的大米(整粒、破碎粒、細碎粒)的量[12]。由表2可知，10組烘后的出米率在72.71%～73.54%，比烘前提高15.62～16.45個百分點。升溫組和降溫組之間無差異，說明本試驗設計對烘后出米率沒有影響。

表2 稻谷各項指標

3.3 升溫組和降溫組的食用品質

大米食味是指人們對食用的米飯的眼、口、鼻、牙齒的綜合感受。大米食味好壞沒有絕對的尺度，主要是從米的外觀、香味、味道、黏度、硬度及綜合指標來評價。

由于人工感受評價較為復雜，且干擾因素太多，在實際的稻谷品質評價中并不實用。食味計的主要原理是將通過特定波長的近紅外光產生的吸光度的差異來準確測定決定大米食味的直鏈淀粉、蛋白質、水分、脂肪酸等成分，然后將不同的成分數據與試驗得到的大米食味資料結合起來，并通過簡單的數值來進行評分，達到客觀反映大米食味的目的[13]。由表2可知，10組烘后的食味值在79.67～81.67分，比烘前提高1.34～3.34分。同一對比組，升溫組食味值均高于降溫組(2>1、4>3、6>5、8>7、10>9)，其中方案1、2，方案3，4差異性顯著(P<0.05)，說明升溫組比降溫組更能保持較高食味值。同降溫組烘后食味值，方案9>7>5>3>1，同升溫組烘后食味值，方案10>8>6>4>2，說明本試驗中的三段干燥溫度和越高(150、150、155、160、165℃)，烘后的食味值下降越嚴重，這與徐澤敏等[14]的研究結果一致。

稻米中直鏈淀粉含量多少是影響其食用品質的關鍵因子和重要指標[14]，稻谷中α-淀粉酶和β-淀粉酶活性隨初始含水率和谷溫升高而變大[15]，Matsue等[16]和Xu等[17]的研究表明，直鏈淀粉含量低，食味品質好。由表2可知，10組烘后的直鏈淀粉質量分數17.56%～20.08%，比烘前低1.54～4.78個百分點，這是因為烘前含水率高，淀粉酶活性大，支鏈淀粉含量低而直鏈淀粉含量高。同一對比組，升溫組直鏈淀粉含量均低于降溫組(2<1、4<3、6<5、8<7、10<9)，差異性顯著(P<0.05，除去5、6)，且4組升溫組(2、4、8、10)烘后的直鏈淀粉含量均比4組降溫組(1、3、7、9)低，說明升溫組比降溫組烘后的稻谷有更好的食味品質。

3.4 升溫組和降溫組的稻谷品質綜合評價

由于稻谷品質指標眾多，難以從一個方面去評判，采用變異系數法的綜合評價法來對稻谷品質進行賦權評分，變異系數法是通過利用各項指標所包含的信息計算權重的一種客觀賦值方法，其廣泛應用于多指標綜合評價[18]。

利用變異系數法對不同變溫干燥工藝干燥后的稻谷各指標的平均值、標準差、變異系數和權重進行計算，結果見表3。稻谷整精米率、出米率、直鏈淀粉含量所占權重較大，分別為0.349 8、0.271 3、0.242 5，能客觀體現在干燥后稻谷品質評價中，這3個指標的相對重要情況，也表明這3個指標因不同變溫干燥參數而有較大的差異。

表3 稻谷各項指標的權重

根據主成分分析綜合評價法得分和排序，F值越大，表明該方案的烘后稻谷品質越好，結果見表4。針對10組變溫干燥工藝烘后的稻谷綜合品質排名的順序而言，“方案10”的綜合品質得分最高，即其綜合品質最佳，其次為方案5、7、3、6；方案8、2、4、1、9的綜合得分均為負值，表明這5個方案烘后的稻谷綜合品質較差，其中“方案9”的綜合品質得分最低，故品質最差。

表4 因子得分與綜合得分

4 小結

本試驗設計不同變溫干燥參數，進行10組升溫和降溫的對比，將稻谷的水分由28%降到15%左右，總用時在10.67～17 h，干燥速率在0.91～1.46%/h；變溫干燥工藝中三段溫度和越高，總用時越短、干燥速率越快、食味值越低；烘后出糙率、整精米率、出米率、食味值比烘前高；升溫組比降溫組干燥用時短、干燥速率快、出糙率高、整精米率低、食味值高、直鏈淀粉低，升溫組和降溫組烘后的出米率無差異；變溫干燥工藝中三段溫度和對出糙率、整精米率影響不顯著；通過綜合評價得出方案10、5、7、3、6烘后稻谷綜合品質較好。