稻谷熱風輔助射頻干燥工藝及相關品質研究

Windi Damayanti，湯英杰，敬 璞，廖梅吉，焦順山

（上海交通大學農業與生物學院，上海200240）

稻谷水分含量高，易受霉菌和蟲害侵蝕，進而影響稻米品質[1]。干燥可以通過降低水分含量和水分活度，避免霉菌和蟲害，延長稻谷貨架期，提高其儲藏穩定性[2]。傳統熱風干燥（HA）時間長、能耗高、效率低[3]。為提高干燥效率，防止因蟲害和霉菌而導致品質下降，微波干燥和紅外干燥等新型干燥技術得到大量研究[4]。然而，這些干燥方法存在穿透深度小、加熱速度過快、加熱不均勻等問題，且會對稻谷加工及食用品質產生不利影響。

射頻（RF）加熱是一種基于電磁波（3kHz～300MHz）的新型加熱技術，其工作原理是通過帶電離子振蕩和極性分子轉動產生摩擦從而在食物內部產生熱量，實現整體快速加熱，且具有較好的穿透能力[5]。利用熱風輔助射頻（HA-RF）加熱可以改善射頻加熱均勻性，提高加工效率，降低加工能耗，目前已被研究應用于谷物殺蟲、干燥、滅霉等領域[6]。大量研究表明HA-RF技術是一種高效的谷物殺蟲新技術，目前已開發出中試規模的HA-RF殺蟲工藝[7]，以及針對包裝精米的殺蟲方案[8]；并對該技術工業化應用環節關鍵技術問題進行了深入研究[9]，HA-RF技術已成為目前最接近工業化應用的新型物理殺蟲技術。另外HA-RF也用于玉米等谷物干燥，可顯著縮短干燥時間，降低能耗[10]。此外，有研究表明通過合理的工藝設計，可以實現稻谷同步干燥和殺蟲[11]。

基于前期HA-RF殺蟲工藝研究，本研究重點探究其在稻谷同步殺蟲和干燥上的應用潛力，主要開發針對稻谷的HA-RF干燥工藝，并研究HA-RF干燥對稻米理化品質、加工品質和微觀結構的影響，以期為開發HA-RF同步殺蟲-干燥技術提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 材料與試劑

短粒稻谷：由揚州振揚米業有限公司提供，初始干基含水量為13.8%。為制備干基含水量為25.0%的稻谷，將190 g的稻谷復水并混合均勻，放置于4℃冰箱中保存4 d，確保稻谷水分分布均勻。

氫氧化鈉、氫氧化鉀、碘、碘化鉀、硫氰酸銨、油酸，均為上海阿拉丁生化科技股份有限公司產品；無水乙醇、冰乙酸，均為上海凌峰化學試劑有限公司產品；鹽酸、氯化亞鐵，均為國藥集團化學試劑有限公司產品；馬鈴薯直鏈淀粉、維生素E標準品，均為Sigma試劑公司產品；磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉，均為上海麥克林生化科技有限公司產品。

1.1.2 儀器與設備

GJD-6A-27JY型自由振蕩平行電極板式RF加熱設備（310 cm×100 cm×165 cm），功率6 kW，頻率27.12 MHz，上極板（75 cm×55 cm）高度可上下調節，從而實現與物料的最佳匹配以獲得不同的加熱速率，此外，設備帶有內置HA系統（20～80℃）。ThermAgile-RD六通道熒光光纖測溫儀，DZF-6020型真空干燥箱，LJJM 2011型碾米機，LabScan XE色度分析儀，Waters alliance 2695高效液相色譜，UV-1800型紫外分光光度計，Sirion200掃描電子顯微鏡。

1.2 方法

1.2.1 熱風輔助射頻干燥

將210 g稻谷樣品（干基含水量為25.0%）放入長方形無蓋聚丙烯容器（13.0 cm×8.6 cm×5.5 cm），容器的側面和底部有直徑約為1 mm小孔，所有樣品厚度固定為3.0 cm。5個光纖傳感器分別放置在聚丙烯塑料容器的不同位置（圖1），用于記錄干燥過程中的溫度變化。根據預試驗研究，為確定最佳干燥溫度和RF升溫速率，RF電極板間距設置為8.5～10.0 cm，干燥溫度設置為50、55、60℃，利用相同溫度的HA維持干燥過程90.0 min，根據干燥效率、加工質量和稻米品質來最終確定最佳干燥溫度和極板間距。之后利用在最佳干燥參數條件下對稻谷進行干燥，在干燥過程中適時稱量樣品質量，以計算樣品含水量，當稻谷干燥至安全水分含量（14.9%）時結束干燥進程。之后將樣品在室溫下快速冷卻，放入密封塑料袋中備用，并以相同溫度的HA干燥為對照。

圖1 熱風輔助射頻加熱過程中樣品容器的尺寸（單位：cm）和光纖傳感器（#）測溫位置（樣品厚度：3.0 cm）Fig.1 The dimension of sample container(unit:cm)and fiber optic temperature sensors position(#)in the samples(sample thickness:3.0 cm)during HA-RF heating

1.2.2單位能耗

參照Jafari等[12]的方法，干燥過程單位能耗（SEC）計算公式如下：

式中：E總為干燥過程中消耗的總電能（kW·h）；m蒸發為總蒸發水分的質量（kg）。

根據Gong等[13]的研究將射頻功率保守估計為3.0 kW，熱風機功率為4.5 kW。

1.2.3 品質分析

1.2.3.1 理化品質

水分含量：稱取10 g樣品置于鋁皿中，采用減壓干燥法在130℃的真空干燥箱中將樣品烘干，通過樣品前后質量變化計算干基水分含量。

維生素E含量：參照GB 5009.82—2016[14]，利用高效液相色譜法測定，單位為μg/g。

直鏈淀粉含量：參照NY/T 2639—2014[15]中的分光光度法測定，以干物質計，單位為g/100 g。

糊化度：參照Panda等[16]的方法，采用分光光度法測定。

顏色：使用色度計測定精米的顏色變化（CIELab）。顏色值L*表示從黑色（0）到白色（100）的亮度，a*表示從紅色（+a*）到綠色（-a*），b*表示從黃色（+b*）到藍色（-b*）[17]。

1.2.3.2 加工品質

經過干燥處理后的稻谷樣品用碾米機碾磨成精米，加工碾磨質量根據美國農業部聯邦谷物檢驗局（FGIS）標準確定[18]，評價指標包括精米率（TRY）和整精米率（HRY）。爆腰率（%）是指輕度裂隙和重度裂隙的數量占比，隨機選取100粒為一組，用10倍放大鏡在燈下觀察[9]。

1.2.3.3 微觀結構

利用掃描電鏡觀察稻殼橫切面和米粉的微觀結構，米粉由精米樣品通過小型粉碎機處理30 s后過60目篩制成，觀察前將樣品鍍金，以增強電子的導電性，隨后在5.0 kV的加速電壓下觀察樣品放大不同倍數后的微觀結構。

1.2.4 數據處理

所有試驗重復3次，結果以平均值±標準差表示。采用IBMSPSSStatistics24.0軟件對數據進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 熱風輔助射頻干燥工藝

為獲得最佳的干燥溫度和極板間距，利用RF能量加熱樣品到指定干燥溫度（50、55、60℃），再利用相同溫度的HA干燥90 min，相應RF加熱速率和干燥后水分損失如表1所示。

表1 不同干燥溫度和極板間距對稻谷加熱速率和水分損失的影響（熱風時間90 min）Table 1 Influence of drying temperature and electrode gap on heating rate and moisture loss of rough rice(hot air time 90 min)

由表1可見，干燥溫度對稻谷干燥效率影響顯著，溫度越高，水分損失越大，稻谷經90 min干燥后水分損失為3.6%～11.0%。極板間距會顯著影響加熱速率，相同干燥溫度下，極板間距越小，加熱速率越快，但RF加熱速率過快（≥7.2℃/min）會影響稻谷爆腰率[9]。

不同干燥溫度和極板間距對稻谷加工品質和爆腰率的影響如圖2所示。由圖2可見，溫度和極板間距對TRY沒有顯著影響，介于66.5%和73.1%之間；而對HRY有顯著影響。當極板間距較小時，爆腰率隨溫度升高而增大，這是因為加熱速率過快使樣品內部存在較大的水分和溫度梯度，產生的拉應力超過自身抗拉強度極限，最終導致裂紋的產生[19]。處理后的樣品除RF加熱至60℃，極板間距為10.0 cm（處理I）外，其他處理樣品的爆腰率無顯著差異，因為較大的極板間距使得樣品獲得較低的加熱速率（6.10℃/min），受到的內應力較小，從而降低了裂紋產生的風險[10]。基于上述研究結果，選用60℃、極板間距為10.0 cm的HA-RF加熱條件對稻谷進行干燥。

圖2 不同熱風輔助射頻干燥處理對稻谷加工品質及爆腰率的影響Fig.2 Influence of different HA-RF drying treatments on milling quality and fissure rate of rough rice

2.2 熱風輔助射頻干燥效能

由圖3可見，HA-RF干燥前10 min水分損失較快（0.18%/min），之后趨于平緩，后段平均失水速度為0.03%/min；HA干燥過程則相對平穩，平均失水速度為0.04%/min。在HA-RF干燥初期，樣品水分迅速蒸發，促進其自身吸收更多射頻能量，直到達到最大干燥速率；但由于樣品中自由水有限，失水率逐漸降低[20]。HA-RF干燥降低了稻谷干燥時間，相比于HA干燥減少了34.6%。Xie等[10]也報道HA-RF干燥與HA干燥相比，可顯著提高玉米干燥速率，縮短干燥時間。此外，HA-RF干燥的單位能耗（622 kW·h/kg）與HA干燥（752 kW·h/kg）相比也更低。Zare等[21]研究表明，新型熱風輔助紅外輻照干燥比HA干燥稻谷能耗更低，主要是由于新型電磁場加熱速率較快，且為整體加熱，可明顯縮短干燥時間，減少單位能耗。由于本試驗中稻谷樣品量較少（210 g），能耗仍然較高；但當該技術應用于大規模工業化加工時，能耗會隨著稻谷處理量的增加而有所降低[9]。

圖3 稻谷干燥過程中的水分變化Fig.3 Changes of rough rice moisture content during drying

2.3 干燥對稻谷品質的影響

2.3.1 理化品質

維生素E對熱處理較為敏感，在干燥過程中會有所降低，選擇合適的干燥方法以減少維生素E損失十分重要[22]。由表2可見，與HA干燥相比，HA-RF干燥后維生素E含量高達10.96 μg/g，這是由于HA-RF干燥時間較短，對維生素E的破壞更小。直鏈淀粉含量與熟米的結構特性有很強的正相關性[23]，HA和HA-RF干燥處理后的精米中直鏈淀粉含量分別為17.21 g/100 g和17.69 g/100 g，兩者沒有顯著性差異。越低的直鏈淀粉含量，說明處理溫度較高，有一定量的淀粉酶被滅活，阻止支鏈淀粉脫支成為直鏈淀粉[24]。干燥后精米樣品的糊化程度有明顯提高，而HA干燥和HA-RF干燥樣品之間糊化度沒有顯著區別。通常加熱時間越長，糊化程度越高[25]，但RF快速整體加熱的特點也可能導致糊化程度增加[16]。與未處理樣品相比，HA-RF干燥和HA干燥后L*值有略微降低，表明白度/亮度有所減小，但兩者之間沒有顯著性差異。而HA-RF和熱風干燥后樣品的a*值和b*值有所增加，但整體上顏色變化不太明顯，且HA-RF干燥相比HA干燥，對樣品顏色影響較小。

表2 稻谷經不同干燥處理后精米維生素E、直鏈淀粉、糊化度和顏色的變化Table 2 Changes of Vitamin E,amylose,degree of gelatinization and color of rough rice by different drying

2.3.2 加工品質

由圖4可見，HA-RF和HA干燥均對精米率沒有顯著影響，使用微波（915 MHz）干燥稻谷也發現了類似的研究結果[26]。而HA-RF和HA干燥顯著降低了整精米率（P＜0.05），但HA-RF干燥和HA干燥之間沒有顯著性差異。通常HRY/TRY應該在55%/70%左右[27]，但本研究中HRY值偏低，這可能是由于在干燥前的復水階段，水的流動引起淀粉顆粒膨脹，進而形成內應力，破壞了稻谷強度，最終導致了稻米開裂[28]。HA-RF干燥和HA干燥均會引起爆腰率的顯著升高，但與HA干燥相比，HA-RF干燥后稻谷爆腰率較低（30.0%），這與Tohidi等[19]在相同溫度下采用固定深床干燥谷物的爆腰率相當（28.0%～37.0%）。

圖4 不同干燥處理對稻谷加工品質和爆腰率的影響Fig.4 Influence of different drying treatments on milling quality and fissure rate of rough rice

2.3.3 微觀結構

稻谷經HA-RF和HA干燥后進行礱谷、碾米等工序，之后利用掃描電鏡分別觀測稻殼和米粉的微觀結構，以未經HA-RF或HA干燥處理的樣品為對照，結果如圖5和圖6所示。由圖5可見，稻殼外側面加熱后，沒有發生太大變化，稻殼外毛狀體和縱向溝槽仍然有明確輪廓，在較高放大倍數下可以發現一些裂紋。這些裂紋可能是由于表面受熱導致，在微波和HA加熱大米中也出現類似結果[29]。由此表明，RF加熱從胚乳內核產生熱量，水分從谷粒由內而外均勻滲出，對稻米微觀結構的破壞較小。

圖5 不同干燥處理后稻殼的掃描電鏡圖Fig.5 SEM of rice husk after different drying treatments

圖6 不同干燥處理后米粉的掃描電鏡圖Fig.6 SEM of rice flour after different drying treatments

由圖6可見，未經干燥處理（對照）的米粉表面相對光滑，顆粒形狀不規則，而HA干燥后米粉表面不光滑，且顆粒已失去多面體形狀，部分部位出現嚴重裂紋，由于糊化效應，稻米中的淀粉顆粒會從結晶狀變為無定形狀[30]。Olatunde等[26]也報告了類似的結果，隨著微波能量的增加，淀粉顆粒明顯消失。在HA-RF干燥的樣品中有可見的蛋白質基質和淀粉顆粒，且結構仍然相對完整。Zhang等[31]的研究也表明60℃射頻處理不會破壞淀粉結構形態。

3 結論

上述試驗結果表明，射頻電極板間距為10.0 cm（射頻加熱速率6.10℃/min），HA-RF干燥溫度為60℃時，稻谷干燥效能最佳。HA-RF干燥與HA干燥相比可縮短干燥時間34.6%，單位能耗也更低。另外，與HA干燥相比，HA-RF干燥對稻谷維生素E破壞和顏色變化較小，HA-RF與HA干燥相比對稻谷精米率、整精米率和爆腰率的影響沒有顯著差異。HA-RF干燥處理對稻米樣品蛋白質基質和淀粉顆粒的原有形態影響較小。本研究表明HA-RF比HA干燥更加高效節能，且稻谷品質更好，在稻谷同步干燥殺蟲上具有一定的應用前景。