小麥收獲后干燥作業對內在品質的影響

路云龍 ， 張千紅 ， 周懿涵 ， 王 媛 ， 程宇晨 ， 朱夢偉

（西北農林科技大學，陜西 咸陽 712100）

我國是農業大國，每年糧食總產量高達10 000億斤，巨大的糧食產量給糧食的產后處理工作帶來了巨大壓力。以小麥為例，我國小麥種植面積全球第三，多達3.542 6億畝，年產量1.34億t[1]。當小麥從田間收獲時，其自身含有干物質和水。雖然水是植物生長和谷物生產所必需的，但是谷物成熟后水分過多會導致其儲存出現相關問題。谷物水分含量表示為水分占谷物重量的百分比。例如，100 kg水分含量為13% 的小麥含有 13 kg水分和 87 kg干物質小麥。小麥水分含量和溫度在決定安全儲存期限方面起著至關重要的作用。通常，干燥的谷物顆粒和較低的溫度會增加安全儲存時間。相比之下，更潮濕的小麥種子和更高的溫度會增加害蟲、昆蟲、霉菌和真菌，而這些會對小麥質量和其市場價值產生較大的影響。因此，小麥干燥和儲存的主要目標是管理小麥種子周圍空氣的溫度和濕度，最大限度地減少小麥本身質量和市場價值的損失，同時為市場保留品質更好的小麥產品。保持小麥質量需要在收獲后，將小麥干燥至安全的含水量水平，然后將小麥溫度降低并保持在環境空氣溫度以內。

1 小麥干燥理論研究

隨著科學技術的進步和干燥理論的豐富，各種干燥方法及干燥機被開發出來，如臥式旋轉干燥機、稻谷工業化流化床干燥機、斜床式干燥機、渦流式稻谷干燥機。在研究這些干燥技術后，筆者發現，無論其外在措施如何，通用的干燥介質都是熱空氣。

收獲谷物后常用的干燥措施包括常壓低溫真空干燥、熱風干燥、太陽能干燥、熱泵干燥、就倉干燥、蒸汽干燥、紅外輻射干燥、微波干燥以及組合干燥等[2]，就筆者調研情況來看，常壓熱風干燥仍為應用最廣泛的小麥干燥方法。傳熱傳質理論是熱風干燥的理論基礎，然而在工程實踐中更多的是要借助小麥干燥試驗取得經驗數據和模型，主要有薄層干燥、深層干燥和實物干燥模型等方法，其中薄層干燥是基礎試驗方法，用于取得數據和建立模型，深層干燥和實物干燥模型主要用于理論和模型驗證。薄層干燥是指物料厚度小于2 cm的床層在一定狀態的干燥介質（熱空氣）中進行的干燥，在一定參數條件下，物料濕含量隨著干燥時間的變化規律，進一步建立薄層干燥方程，為深層干燥、干燥裝備的研究及干燥過程的優化提供理論基礎。

1.1 國外研究進展

在國外，干燥領域專家主要運用薄層干燥理論對農作物和經濟作物進行研究。著名的Page 方程[3]是美國Page教授在1949年以玉米為對象采用了薄層干燥實驗得出，該方程奠定了薄層干燥理論的基礎，為日后的相關研究提供了思路。Thompson教授在1967年對當時現有的谷物干燥機開展了調查研究，并建立了模擬干燥過程的狀態方程。由于當時的理論局限，該模型只考慮了水分與熱空氣在一定條件下的平衡狀態，并沒有多加假設其他限制因素，存在相當大的缺陷。1980年，Wongwises教授以長粒稻谷為研究對象，建立了其在不同條件下的干燥速率模型。隨后的幾十年間，研究者的研究對象轉為研究薄層干燥理論內涵。Parti等建立了一套用于谷物干燥的薄層理論模型。1992年，Miketinac 等首次得到了薄層干燥中的傳熱系數值。進入21世紀，研究者們不再僅限于稻谷，以多品種的谷物進行干燥研究，深入薄層干燥的理解。Vega-Mercado 等[4]在論文中簡略描述了谷物干燥的研究進展，并且指出薄層干燥技術應被劃分為第4代干燥技術范疇。2003年，Doymaz和 Pala采用不同濃度的浸泡液對玉米進行了薄層干燥試驗并研究其熱風干燥速率，得到了浸泡過的玉米與原玉米相比干燥速率增加的理論，論證了 Page 方程在玉米干燥領域的權威性。2007年，Wongwises 和Thongprasert對比了薄層和深床兩種不同方法在稻谷干燥時的效果，并建立了干燥時間的回歸方程。同年，Kashaninejad等運用空氣溫度、空氣濕度、空氣流速來描述開心果在不同的數學模型下的薄層干燥過程。之后的10年間，研究者們開始跨領域、交叉學科來對谷物干燥進行不同方向的研究。例如：2011年，Hacihafizoglu 等采用有限元因素對玉米薄層建立了模型，給出了相比持續干燥，間歇性干燥更有效的結論。2012年，Alibas[5]在真空條件下，以紅辣椒為研究對象進行薄層干燥試驗，研究了其干燥速率與溫度和環境變換的影響。2014年，Kucuk對過去10年間的薄層理論模型進行了總結性的描述，并比較不同模型的優劣。2016年，Ruhanian和Movagharnejad等采用最新的紅外技術，研究了馬鈴薯厚度與紅外強度對于薄層干燥效果的影響。2017年，Jiang采用有限元差分法，解出了最優厚度的使用邊界。2018年，Prakash以兩個不同的單變量方程來描述長粒水稻的薄層干燥，指出了空氣和籽粒的品質對干燥速率的影響。這些國外學者的研究，為不同谷物的干燥提供了許多經驗模型，這為小麥干燥的研究奠定了堅實的基礎。

1.2 國內進展

與國外的研究相比，國內在谷物干燥的領域雖然起步晚，但是成果不菲。曹崇文等于1984年進行農業領域的干燥研究，總結并得出了一系列薄層干燥數學模型[6]。1993年，王登峰和李慧珍以新收獲的玉米為樣本，通過分析實驗數據，得出了對干燥因素影響較大的因子。21世紀初，我國研究者采用不同的先進手段對不同的谷物薄層干燥理論開展調研。2003年，高波等對以往高含水谷物的干燥模型進行了再擬合，得到了全新的適用該類型的模型，并取得了優異的成果。2005年，彭桂蘭等探討了不同溫度風力、風速對蘿卜絲干燥速率的影響，優化了Page模型并且采用BP神經網絡模型對Page模型預測模擬結果。殷麗春和毛志懷等延續了這一研究，并增加了不同變量。2006年，趙春雨等進行了有關玉米多段干燥過程溫度與烘干后糧食含水率之間關系的研究，取得了一定成果[7]。同年，任海軍根據調研文獻中的干燥曲線，設計并開發了新的干燥設備，提高了自動化干燥的進程。2007年，劉中深等使用Page方程，研究了低溫干燥與真空度的關系。2008年，楊俊紅等采用干燥實驗得出了種皮會阻礙籽粒干燥的結論。2009年，史英春等以油菜籽為對象進行研究并調整干燥流程，實現預熱—干燥—緩蘇—冷卻和預熱—干燥—冷卻的工藝，給出了不同作物最合適的干燥參數值。2011年，王寶和等對薄層干燥技術的研究進展進行了綜合評述，并簡要介紹了各種類型的薄層干燥方程[8]。2012年，Yi開創性地采用威布爾分布模型預測并優化了干燥實驗。2013年，王赫等確定了影響玉米干燥的不同參數優先程度。2014年，任麗輝等在前人的基礎上，完善了種子含水量以及風力風速對干燥率的影響。同年，宋佳改造了薄層干燥試驗裝置，進行了固定深床干燥試驗，通過對比深床干燥試驗結果和實際干燥機干燥試驗結果，證明了建立的偏微分方程具有較好的精度和可信度。2015年，弋曉康設計出第一臺專門干燥紅棗的機器[9]。2016年，陳思羽等建立了谷物平衡水分與相對濕度在不同溫度下的關系模型，并擬合了小麥、稻谷、玉米等谷物的解吸與吸附過程的吸著等熱曲線回歸方程。同年，溫海江等測定了不同溫度條件下，熱風速率及谷物切片厚度對于干燥理論的影響。尹慧敏等以薄層干燥試驗為研究手段利用Weibull分布函數擬合了馬鈴薯的干燥曲線，并給出了測量對象不同參數的取值優先值。2017年，陳俊軼探究了干燥對馬鈴薯內在品質的影響。2018年，高雪等針對冷凍后水稻，采取低溫干燥，研究了不同溫度下干燥與其解凍后品質的關聯[10]。2019年，徐澤敏等以糙米爆腰增率為輸出項，通過低溫薄層干燥試驗取得數據并建立了數學模型，研究結果證明了干燥時間、真空度和干燥溫度是影響干燥品質的重要因素，且影響程度先后次序為干燥溫度、干燥時間、真空度。

通過總結國內學者的研究發現，雖然在該領域我國發展時間晚于發達國家，但研究進程并未落下，且在最新的領域內，不斷展現我國學者的風采。

2 小麥干燥過程及其對小麥品質的影響

小麥的干燥涉及將小麥暴露在相對濕度（RH）較低的空氣中，這將導致小麥中的水分蒸發，從而去除小麥中的水分。由于干燥做法會對小麥籽粒品質產生重大影響，因此了解谷物干燥的一些基本原理很重要。

2.1 除濕

在小麥這類谷物中，水分存在于兩個地方：谷物表面的“表面水分”和谷粒內部的“內部水分”。當小麥暴露在熱空氣中時，表面水分很容易蒸發，而內部水分的蒸發則要慢得多，因為它首先要從小麥內部移動到外表面，也就是說，小麥表面水分和內部水分以不同的速率蒸發，這種差異導致不同干燥時間的干燥速率不同。干燥速率的定義為干燥過程中谷物水分含量下降的速率。它通常以每小時去除的水分百分比 （%/hr）表示。小麥烘干機的典型干燥速率在 0.5%/hr 到 1 %/hr 的范圍內。如圖1所示的干燥曲線顯示了谷物水分含量（MC）和谷物溫度隨時間的變化。從圖中可以看出，干燥速率不是恒定的，而是隨時間變化的。谷物的溫度同樣隨時間變化。

圖1 谷物水分含量和谷物溫度隨時間變化曲線

2.2 干燥周期

在圖1所示曲線的基礎上，3個不同的干燥階段將在時間上連續發生。

1）Ⅰ預熱期（干燥速率幾乎為0）：當潮濕小麥暴露在熱空氣中時，最初僅觀察到小麥含水量發生了非常輕微的變化。這是因為干燥空氣中提供的所有熱量都用于將小麥加熱到干燥溫度。

2）Ⅱ恒速期（干燥速度隨時間恒定）：一旦小麥處于干燥溫度，水分開始從小麥表面蒸發。在此期間，干燥空氣中的所有熱量都用于蒸發表面水分，并且從小麥中去除的水分量是恒定的。因此，它被稱為恒定速率時期。在此期間，小麥溫度也是恒定的。

3）Ⅲ降速期（干燥率隨時間下降）：隨著時間的推移，內部水分出現在表面的時間更長，水分的蒸發不再隨時間恒定。此時，干燥速度會下降，干燥空氣中的一些熱量會加熱谷物。對于小麥，下降期通常發生在小麥水分含量大約18%時[11]。

輸入為1rad的階躍輸入時，基于自調整因子模糊PID與傳統模糊PID響應曲線如圖2所示。由圖2可以看出，基于自調整因子模糊PID的超調量接近于0，調節時間為0.3972s，傳統模糊PID的超調為4.026%，調節時間為0.4617s。所以得到基于自調整因子模糊PID與傳統模糊PID相比具有更好的動態性能和穩態性能。

通過使用18%水分含量和干燥曲線特性作為指導，可以對小麥的干燥程序提出一些建議。無論小麥是在陽光下自然干燥還是使用人工谷物干燥機，都可以使用這些準則。

2.3 干燥速度和溫度

當小麥內水分含量高于18%時，小麥干燥速度可以通過提供更高的溫度或更多的干燥空氣而提高（即干燥會更快），而小麥籽粒溫度不會發生重大變化。水分含量低于 18%時，干燥空氣溫度的增加并不會增加干燥速率，但會增加小麥溫度并可能損壞小麥品質。因此，較高的干燥空氣溫度可用于將小麥快速干燥至18%水分含量（以去除表面水分），但應使用較低的溫度來去除小麥的內部水分。

對于小麥而言，出于保護種子的目的，無論水分含量是多少，干燥空氣溫度都不應超過 43 ℃，以避免谷物過熱而殺死胚芽。小麥在 60 ℃ 下暴露 1 h可使種子發芽率從 95% 降低到 30%；在 60 ℃ 下暴露2 h則會使發芽率降低至 5%[12]。

2.4 干燥均勻

在干燥過程中，單個小麥的水分含量始終存在差異。特別是在固定床干燥機中，空氣入口處的小麥比空氣出口處干燥得更快，這就導致了干燥過程結束時，小麥組塊中的水分梯度。為了生產優質谷物或種子，這種變異性應保持盡可能低。曬干時經常攪拌，固定床烘干機中的小麥翻動或循環間歇式烘干機中的循環，將提高干燥的均勻性，最大限度地減少干燥小麥的再潤濕，從而保證小麥質量。

2.5 回火

當小麥的干燥暫時停止時，小麥內的水分會因擴散而均衡。重新開始干燥時，干燥速度比連續干燥高。這種間歇性停止的過程稱為回火。此外，在回火過程中，小麥之間的水分差異實現均衡。因此，回火還可確保在某些干燥機類型中干燥期間形成的小麥散裝中的水分梯度最小化。為了保持較高的小麥質量，建議包括一個回火期，以便重新分配谷物中的內部水分。在現代再循環谷物干燥機中，谷物不是連續干燥，而是經過一個干燥循環，然后是回火過程。這樣的做法不僅提高了干燥速度和谷物質量，同時也降低了能源成本。

2.6 不同干燥程度對小麥品質的影響

小麥收獲之后，雖然其籽粒內水分及營養物質的傳遞積累過程已經完成，但是其內部的生化反應仍在繼續進行。水分、蛋白質、淀粉含量都對小麥籽粒的品質有著不同的影響。在對小麥進行干燥的過程，小麥籽粒內的水分含量受到影響最大，新收獲小麥含水量較高，且籽粒呼吸作用旺盛，因此需要快速干燥使其含水量至18%，再使用低溫干燥以減少對其品質的影響。

將小麥研磨成面粉后，麥谷蛋白和麥膠蛋白的含量綜合影響面團的黏彈性和可塑性，而面團中蛋白質含量的多少和研磨前小麥籽粒的含水量有著直接的關系。郭翎菲在其研究中指出，隨著溫度的升高，小麥籽粒含水量降低，其后研磨面粉團中蛋白質含量有所降低。此外，小麥由于其胚乳中的大分子合成過程仍在繼續，胚乳的組織結構還不緊密，因此需要進行干燥操作，提高其加工品質。

3 常見的小麥干燥方法

小麥籽粒干燥的目的是使籽粒達到適宜貯藏的含水量要求，減少霉菌產生影響小麥品質的可能。常見的小麥干燥方法包括自然風干、低溫干燥和高溫干燥3種。

3.1 自然風干

自然風干是最常見的谷物干燥方法，在科技落后的年代，農民們在收獲谷物后，選擇溫度氣候適宜的天氣將谷物晾曬在地面促進水分蒸發。本研究所提及的自然風干是指將糧倉裝滿或部分裝滿糧食，然后讓自然空氣通過糧倉的過程[13]。這種自然風干的糧倉通常配備有穿孔地板、干燥風扇、谷物撒布機、清掃螺旋鉆和卸料螺旋鉆以及攪拌裝置。然而，對于大多數糧食產區的自然風干系統而言，這并不經濟，因為過度干燥通常不是一個重大問題，通常情況下干燥箱的裝載可以通過便攜式螺旋鉆或斗式提升機完成。

當干燥（較低的蒸氣壓）空氣通過濕的（較高蒸氣壓）小麥時，水分會從小麥中轉移到空氣中。向空氣中添加水會降低其干燥接下來經過的小麥的能力。這個過程隨著空氣穿過小麥中而繼續，直到空氣不再干燥小麥，或者空氣離開小麥。隨著風扇繼續運轉，干燥前沿從空氣進入存儲小麥的地方移動到離開小麥的地方[14]。在干燥前沿后面，小麥處于平衡水分含量（EMC）。在干燥前沿之前，小麥高于EMC。進入小麥的空氣氣壓和流速決定了干燥前沿的形成以及它通過小麥的速度。空氣流速取決于風扇特性以及小麥堆放深度。隨著顆粒深度的增加，空氣流速降低。因此，增加小麥堆放深度會減慢干燥前沿并增加所有小麥達到 EMC 所需的時間，增加小麥質量損失的可能性。

自然風干干燥小麥的一個常見錯誤是一次性向谷物箱中添加過多的小麥。這將增加干燥時間并延遲小麥干燥過程，從而增加小麥質量損失的可能性。因此，通常建議一次只向谷物箱中添加適量的小麥，然后避免添加更多小麥，直到該層干燥[15]。根據系統設置，可以交替裝載多個谷物箱，或者可以將谷物移動到另一個裝料箱。

使用自然空氣成功干燥谷物通常是最節能的干燥方法，這也是最慢的方法，并且最有可能導致谷物變質。因此，自然干燥如果要防止腐敗或谷物產生黃曲霉毒素問題[16]，則需要高水平的管理。最大的風險是因為幾乎沒有加速干燥過程的“儲備”能力，入口空氣條件隨天氣變化。通常，谷物箱每個收獲季節只裝滿一次。如果開始變質，中途修正僅限于立即使用另一種干燥方法干燥或在谷物由于不可接受的損壞程度而降解之前出售。

3.2 低溫干燥

低溫干燥是指在糧倉中裝滿或部分裝滿谷物，然后用風扇將幾乎不加熱（<10 °F）的空氣吹過谷物的過程[17]。這通常在帶有穿孔地板或管道的谷物箱中完成。通常，電是熱能源，因此有時使用術語“電干燥”代替“低溫干燥”[18]。

假設低溫干燥方法始終具有在與長期儲存相關的可接受水分含量范圍內干燥谷物的潛力。這與自然風干形成對比，自然風干在室外空氣條件下可能不允許進一步干燥。當空氣被加熱時，它的溫度和體積都會增加，但它的水分含量保持不變。這導致空氣的相對濕度降低，并允許可能的凈水分從谷物轉移到空氣中。水分轉移一直持續到谷物和空氣達到平衡[19]。在谷物干燥過程中，隨著水分從谷物中轉移并從倉中排出，干燥風扇會持續供應空氣。對于低溫干燥，添加足夠的熱量以便干燥可以繼續，直到達到通常可接受的最終水分含量。在這種方法中，需要打孔地板。其余裝置通常包括谷物撒布機、地板下卸料絞龍和清掃絞龍。還可以添加攪拌裝置。填料箱可以通過便攜式螺旋鉆或斗式提升機完成。

在低溫干燥中，谷物被干燥并儲存在同一個谷物箱中，從而最大限度地減少處理步驟和勞動力成本。通常，盡管運行干燥風扇需要更多的能量，但由于使用較少的能量來加熱干燥空氣，干燥的相對總成本會降低。因此，與高溫方法相比，成功的低溫干燥在能源成本方面相對經濟。成功的低溫干燥被定義為將谷物干燥到所需的水分含量，而不會因能源成本或谷物腐敗而造成過多的經濟損失[14]。當加熱以增加干燥空氣溫度時，干燥的可能性會增加，但谷物腐敗的速度也隨著溫度的升高而增加。因此，低溫干燥通常僅限于谷物水分相對較低的條件，小麥的含水量接近 12%。低溫干燥儲備容量小，系統可以以低穩定速率干燥谷物，不會有很大改變。同時如果使用太陽能作熱源，則系統的可靠性會進一步降低。也許與低溫干燥相關的最大風險是天氣的逐年變化，可能不會每年都使用相同的干燥策略。

3.3 高溫干燥

高溫干燥在料倉或干燥機中進行。高溫干燥有4種方法：倉內間歇干燥、循環倉干燥、連續流倉干燥和通過干燥[20]。批量干燥類似于自然空氣/低溫干燥，不同之處在于空氣溫度通常為 120 °F～160 °F，空氣流速為 8 cfm/bushel～15 cfm/bushel。高溫干燥大大縮短了干燥時間。然而，靠近地板的小麥經常變得過于干燥，而頂層谷物還保持著濕潤狀態，因此，需要攪拌裝置提供更均勻的干燥。攪拌還允許增加同一批次倉內小麥的深度。循環倉干燥機是將谷物裝滿存儲倉，然后打開風扇和暖氣。這些存儲箱底部有一個清掃螺旋鉆，由溫度或濕度傳感器激活。當滿足目標條件時，掃掠螺旋推進器進行一次完整通過并停止，直到再次滿足這些條件。清掃螺旋輸送機排出的小麥放置在小麥頂部。這種方法可能會發生一些干燥小麥的再潤濕，從而導致效率低下的問題。

通過干燥通常是干燥小麥的最快方法。大多數谷物提升機使用某種形式的通過式干燥機來快速干燥大量谷物。這種方法需要所有干燥方法中最高的能量輸入。使用通過式干燥機的最大好處是它們可以干燥大量谷物。當與短期濕小麥儲倉結合使用時，可以以超過通過式干燥機容量的速度收獲小麥。然后，當收割暫停時，例如在晚上，連續運行的烘干機會清空儲濕箱。雖然通過式干燥機往往是最昂貴的干燥選項，但它們確實具有在小麥收獲和干燥過程中提供更大控制的優勢。通過式干燥機有多種型號，包括一些安裝在拖車上的便攜式型號。由于使用了較高的溫度（180 °F～220 °F），因此可能會過快或過多地干燥小麥并導致小麥出現破裂或其他問題。然而，通過適當的管理，可以保證高品質的小麥，從而為銷售更高品質的小麥提供機會。

4 總結

通過文獻調研發現，對于小麥的內在品質包括水分、蛋白質和淀粉來說，干燥作業對蛋白質和淀粉的影響不是很明顯，其主要影響小麥籽粒的水分含量，從而影響小麥品質。在現有科技條件下，熱風干燥及薄層干燥理論仍是目前最常用的小麥干燥技術。谷物干燥技術仍然有許多難題需要攻克，希望未來能研究出更節能、更高效的干燥方式，推動小麥等谷物存儲技術步入新的階段。