低溫成品糧大米快速緩蘇工藝研究

姜俊伊， 楊 東， 石天玉

(國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037)

成品糧應急儲備是保障國家糧油市場供給，應對突發災害、事故和重大公共衛生事件的重要戰略物資[1]。大米是世界范圍內最主要的口糧，是成品糧應急儲備的關鍵，但是大米在加工時去除稻殼和糙米皮，胚乳直接裸露，極易受外界環境影響而產生理化性質及品質變化，儲藏穩定性較差，是成品糧中最難保存的品類之一[2]。

目前，對成品糧大米基本采用低溫或準低溫儲藏，低溫儲藏環境(≤15 ℃)可有效減緩大米自身新陳代謝速率，有效降低外界環境對其品質的不良影響，有利于成品糧大米(袋裝)品質及風味物質的保持，維持儲藏期間良好品質，向消費市場供應優質口糧，滿足消費者對優質大米的消費期待。但是，由于從低溫儲藏環境到物流運輸或市場銷售環節存在較大溫差(10 ℃)，在這種現實情況下，低溫成品糧出庫時極易引起大米包裝袋內外結露，同時，低溫儲存的大米出庫緩蘇溫度升高后，微生物的量明顯增加[2]，進而引起霉變和衛生安全問題；加之，大米是熱的不良導體，較大的溫度梯度差會導致大米裂紋的產生，米粒裂紋會使碎米增多，食用品質下降，商品價值降低。所以，快速、安全的低溫儲藏成品糧緩蘇出庫工藝一直是糧食行業急需研究解決的難題。

緩蘇是成品糧大米適應溫度梯度變化的緩沖過程，降低環境突變對低溫成品糧大米理化性質及品質影響。研究證明，溫度梯度引發的水分梯度變化是導致籽粒裂紋的主要原因，緩蘇過程可以使籽粒內部的水分重新均布，提高籽粒內部水分擴散速率，減小水分梯度引發的濕應力，從而降低新增裂紋率的產生[3]。但傳統自然緩蘇工藝，尤其夏季高熱高濕的外界環境，使得低溫儲藏成品糧大米出庫要實現保水、保質、不結露的安全緩蘇，所需歷時長、緩蘇效率低，難以適應現代高速運轉的物流鏈體系，所以保障品質、縮短歷時、減少損耗的低溫成品糧大米快速緩蘇工藝意義重大。

本研究開展了空調控溫與熱風對流兩種緩蘇工藝的對比，旨在探索歷時短、效率高、損耗少的快速緩蘇工藝，以期為低溫儲藏成品糧大米高溫季節快速安全出倉和國家糧食應急供給提供參考。

1 材料與方法

1.1 緩蘇工藝

低溫儲藏成品糧大米，由于長時間處于穩定的低溫環境，包裝袋內部溫度均勻分布無明顯溫差，熱濕交換少。在出倉時，需要吸收周圍環境暖氣流能量完成升溫緩蘇過程，因此暖氣流的溫度和流動路徑很大程度上決定了緩蘇過程的均勻性和緩蘇效率。

低溫儲藏的成品糧出庫緩蘇時，外界緩蘇空間環境溫度高，成品糧大米溫度低，外界高溫高濕氣體遇冷易發生成品糧包裝外結露。南燕等[4]將外界環境溫度和糧溫的具體情況與露點溫度相結合進行結露可能性的判斷：在T糧露點時，不結露；若T糧<露點時，可能會結露。張藝良[5]開展了成品糧倉儲防結露過程的數值模擬研究，確定了結露的判定條件，分析了結露濕熱傳遞機理。為保障安全緩蘇，緩蘇過程要控制外界環境露點溫度低于大米糧堆溫度[6]，需將緩蘇空間的初始溫度調節至接近外界環境露點溫度。露點溫度計算公式如下：

式中：DPT為大氣的露點溫度/℃，HR為大氣相對濕度/%，t為大氣溫度/℃

1.1.1 空調控溫緩蘇工藝

空調控溫緩蘇工藝是利用緩蘇空間中央空調控制緩蘇環境溫度及升溫梯度，完成低溫成品糧大米的緩蘇過程。緩蘇過程中利用傳感器實時監測緩蘇環境及大米包裝袋內溫濕度數據。空調控溫緩蘇工藝中糧堆緩蘇升溫以熱擴散為主。

1.1.2 熱風對流緩蘇工藝

熱風對流緩蘇工藝是利用循環式熱風機，對通過糧堆的熱風氣流進行有組織的高效升溫緩蘇過程。緩蘇時利用傳感器實時監測緩蘇環境及大米包裝袋內溫濕度數據，設置熱風氣流溫度、升溫梯度、通風時間等工藝參數。熱風對流緩蘇工藝中糧堆緩蘇升溫以熱對流和熱擴散為主。

1.2 實驗材料及實驗方法

成品糧大米(25 kg長粒香東北大米)低溫儲藏庫溫度設定12 ℃，采用托盤堆垛擺放(1層4包，共4層)，通過空調控溫和熱風對流2種緩蘇工藝進行緩蘇實驗。緩蘇過程采取分階段升溫：先調節緩蘇空間溫度接近于外界環境露點溫度(20 ℃)，實時監測成品糧堆垛溫濕度變化，維持緩蘇空間與成品糧間3～4 ℃溫差梯度升溫至緩蘇目標溫度26 ℃。調整不同緩蘇工藝參數，并對緩蘇前后成品糧大米的品質指標進行檢測，根據品質結果及監測的溫濕度變化數據對不同緩蘇條件及緩蘇工藝進行綜合評價。

圖1 成品糧大米緩蘇堆垛示意圖

1.3 溫濕度監測系統

成品糧堆垛托盤底部鏤空，堆垛共分4層，每層有水平放置的4袋成品糧，單層4袋成品糧之間留有空隙、互不接觸；各層按對角線、相鄰層間按“X”交叉布點，將溫濕度傳感器固定埋設于包裝袋內部中心位置，緩蘇空間和成品糧堆垛空隙間也布設了溫濕度傳感器。

圖2 溫濕度傳感器“X”交叉分層布點圖

1.4 成品糧大米品質檢測指標

對成品糧大米的含水量、脂肪酸值、外觀品質(整精米率、碎米率、堊白粒率、堊白度)、食味值、蛋白質含量、直鏈淀粉含量等指標進行測定，使用的儀器及方法見表1。

表1 品質檢測儀器及方法

1.5 熱風機性能參數

使用分環法，利用熱線式智能風速測定儀(tes-1340)和手持式數字壓力儀(BOKM)測試循環式熱風機性能參數，并計算循環式熱風機3種工況下的風速、風量、風壓，詳見表2。

表2 循環式熱風機性能參數表

2 分析與討論

2.1 緩蘇過程溫濕度隨時間變化規律

2.1.1 空調控溫緩蘇工藝

由圖3可知，空調控溫緩蘇過程中，同一糧層溫度變化一致；濕度變化略有差異，但變化幅度及變化趨勢一致。說明該緩蘇工藝在同一糧層上濕熱交換均勻。

由圖4可知，受濕熱傳遞規律影響，緩蘇過程中，成品糧堆垛各層溫濕度存在明顯差異：溫度為堆垛上層高于下層，濕度為堆垛上層低于下層；緩蘇2 000 min時，1～4層溫度分別為23.35、19.30、18.20、20.05 ℃，1～4層濕度分別為66.5%、67.6%、69.1%、70.9%。

成品糧堆垛1～4層緩蘇升溫歷時依次為3 103、4 178、5 111、4 915 min，其中與緩蘇空間熱交換表面積最大的第1層、第4層緩蘇速率最高。隨著成品糧溫度升高，包裝袋內相對濕度逐漸升高，緩蘇前后成品糧包裝袋內相對濕度增幅為4.6%～6.1%。

注：順序為自上而下，余同。

圖4 空調控溫緩蘇工藝各糧層平均溫濕度變化

2.1.2 熱風對流緩蘇工藝

由圖5可知，熱風對流緩蘇過程中，單一糧層在熱風氣流入口端和出口端的溫度、濕度變化趨勢與變化幅度一致。說明該緩蘇工藝在成品糧堆垛空隙間及各糧層上熱量的分布均勻，工藝條件合理。

由圖6可知，成品糧在緩蘇過程中升溫曲線出現明顯差異，第1層與第4層快速升溫，且變化幅度吻合、趨勢一致，達到緩蘇目標溫度平均歷時2 315 min；中間兩糧層溫度變化一致，相對滯后，達到緩蘇目標溫度平均歷時3 071 min，較第1、第4層多用時756 min。原因是大米堆垛升溫緩蘇時，大米是熱不良導體，熱量由表層向內部傳遞緩慢，故第1層及第4層成品糧升溫速度明顯快于中間兩糧層。同時受溫度影響，成品糧包裝內濕度隨之增加，緩蘇前后成品糧包裝袋內相對濕度增幅為3.9%～11.2%。

圖5 熱風對流緩蘇工藝各層成品糧溫濕度變化

圖6 熱風對流緩蘇工藝進風端與出風端平均溫濕度變化

2.2 不同緩蘇工藝的效率

2.2.1 不同緩蘇工藝時間歷程

達到相同的緩蘇目標溫度(26 ℃)時，空調控溫緩蘇工藝平均用時為4 327 min(約72.1 h)；熱風對流緩蘇工藝平均用時為2 693 min(約44.9 h)，且不同工況間耗時差異較小(≤1.7 h)；在確保不結露前提下，熱風對流緩蘇比空調控溫緩蘇效率提高約40%。詳見表3。

表3 不同緩蘇工藝緩蘇時間歷程表

2.2.2 熱風對流緩蘇工藝時間—溫度擬合方程

對歷時短、效率高的熱風對流緩蘇工藝，進行升溫過程趨勢線擬合，得到不同工況下熱風對流緩蘇工藝的時間—溫度參考公式。

5.33 m/s:T=0.003 8t+14.008R2=0.995 7

6.46 m/s:T=0.003 8t+14.571R2=0.991 7

7.38 m/s:T=0.004 6t+12.288R2=0.987 0

式中：T為緩蘇目標溫度；t為緩蘇所需時間。

熱風對流緩蘇工藝在自然熱擴散基礎上受暖氣流對流擴散影響，其溫度變化與緩蘇歷時呈明顯線性關系，方程擬合程度極高。3種工況下趨勢線R2值均大于0.98，方程可用于預估熱風對流緩蘇工藝達到目標溫度所需時間。

2.3 緩蘇前后成品糧品質變化

緩蘇工藝利用濕熱交換與遷移原理，使低溫儲藏的成品糧在短時間內升溫，使得成品糧相關品質發生變化；其中，水分含量、脂肪酸值、碎米率、食味值、直鏈淀粉含量等指標參數數值升高；蛋白質含量降低，整精米率下降，見表4。

表4 不同緩蘇工藝緩蘇前后成品糧大米品質變化表

空調控溫緩蘇工藝下，成品糧大米含水量平均損耗達0.25%；熱風對流緩蘇工藝下，成品糧大米水分含量變化范圍為-0.03%～0.13%，可實現保水緩蘇。由于空調控溫緩蘇工藝歷時長，包裝袋內濕氣會向周圍緩蘇空間逸散，使得大米最終水分含量降低。

2種工藝緩蘇前后，成品糧大米的整精米率均下降、碎米率上升，平均變化幅度為0.43%。其中，空調控溫緩蘇工藝變化幅度為0.65%，熱風對流緩蘇工藝平均變化幅度為0.36%。大米作為熱不良導體，緩蘇初始階段大米內部冷溫與緩蘇環境熱溫存在明顯熱濕應力差異，導致爆腰率增大、碎米率上升、整精米率下降，但熱風對流緩蘇工藝通過合理組織暖氣流流動路徑，使緩蘇熱量快速均布于緩蘇空間，增加了成品糧大米與緩蘇空間以及各層間的熱濕傳遞效率，快速縮小熱濕應力差，使得新增爆腰率明顯下降。

2種緩蘇工藝緩蘇前后脂肪酸值均升高。空調控溫緩蘇工藝增加0.21 mgKOH/100 g，熱風對流緩蘇工藝平均增加1.59 mgKOH/100 g；增幅擴大1.38 mgKOH/100 g。升溫緩蘇過程，受濕熱變化影響，脂肪酶活性增強，加速了脂肪氧化過程，使游離脂肪酸含量增加，脂肪酸值升高。

2.4 緩蘇工藝指標分析

2.4.1 相關性分析

對實驗過程中涉及的多個指標參數進行了相關性及差異性分析，詳見表5。

表5 指標參數間相關性分析表

由表5可知，不同指標參數間存在不同程度的相關性。風速越大，緩蘇所需時間越短；脂肪酸值與蛋白質含量呈正相關，與直鏈淀粉含量和食味值呈負相關；整精米率、碎米率、堊白粒率等外觀品質指標間均存在極顯著的相關關系；食味值與直鏈淀粉含量呈正相關；蛋白質和直鏈淀粉含量呈顯著負相關。

指標參數間不同程度的相關性，說明其反映的信息有一定程度的重疊，各指標參數對緩蘇工藝的評判作用也不同，有必要對其進行歸類及簡化，來提高品質評價工作的科學性。

2.4.2 主成分分析

主成分分析法具有減少原始數據信息損失、簡化數據結構、避免主觀隨意性等優點[7，8]，主成分分析可用于獲取影響樣本相似性和差異性變量的相關信息[9]，并能夠將數據進行歸類總結，實現數據降維，在損失少量信息的前提下把多個參數指標轉化成幾個綜合性指標，增強分析合理性，提高分析效率[10]。針對各指標參數進行主成分分析，分析結果見表6和表7。

表6 各指標參數方差貢獻分析表

如表6所示，以特征值λ>1為原則[11]，提取了3個主成分，累計貢獻率達到了93.158%，基本涵蓋了所有指標參數的組成信息。其中，第一主成分代表全部信息的48.758%；第二主成分和第三主成分分別包含初始信息量的34.627%和9.773%。

表7 主成分的載荷矩陣和特征值

由表7中的主成分載荷矩陣可知，第一主成分(Z1)主要包含風速、時間、整精米率、碎米率、堊白粒率、堊白度的信息。其中風速、整精米率、堊白粒率、堊白度在第一主成分上呈正向分布，載荷值分別為0.878、0.864、0.817、0.848；時間和碎米率在第一主成分上呈負向分布，載荷值分別為-0.841、-0.861。可見正向作用比負向作用更明顯，其中風速的正載荷系數最大，且與時間、整精米率和碎米率、堊白粒率和堊白度呈顯著相關性，故將風速作為第一主成分的代表指標。

第二主成分(Z2)主要包含脂肪酸值、食味值、蛋白質含量、直鏈淀粉含量的信息。其中脂肪酸值和蛋白質含量在第二主成分上呈正向分布，載荷值分別為0.930和0.716；食味值和直鏈淀粉含量在第二主成分上呈負向分布，載荷值分別為-0.787、-0.853。其中脂肪酸值載荷系數絕對值最大，且與食味值、蛋白質含量、直鏈淀粉含量呈顯著相關性，故將脂肪酸值作為第二主成分的代表指標。

第三主成分(Z3)主要包含水分含量的信息。其在第三主成分上呈負向分布，載荷值為-0.573，將水分含量作為第三主成分的代表指標。

2.5 緩蘇工藝綜合評價

2.5.1 基于主成分分析

由表7中主成分特征向量，通過主成分與對應變量的相關關系，構建各主成分與指標參數之間的線性關系，見表8。

表8 各主成分與指標參數之間的線性關系表

綜合主成分系數及其對應的方差貢獻率，得到緩蘇工藝的綜合評價公式。

Z=0.488Z1+0.346Z2+0.098Z3

通過綜合評價公式計算緩蘇工藝綜合評分，見表9。

表9 不同緩蘇條件及緩蘇工藝綜合評分表(主成分分析法)

由表9可知，熱風對流緩蘇工藝3種工況下的綜合評分分別為10.375、11.131、11.429，均高于空調控溫緩蘇工藝的評分9.433；且隨著熱風風速的增加，緩蘇工藝綜合評分升高。

2.5.2 基于熵權法

熵權法是一種客觀賦權的方法，消除計算權重時主觀因素的影響，使指標評價結果與實際結果更貼近[12]。該方法根據數據熵值大小判斷該指標的離散程度：熵值越小，說明該指標差異程度越大，即該指標在評價過程中起到的作用就越大，所占權重越大[13]。通過熵權法計算得到風速、脂肪酸值、水分含量三個代表指標的權重，進而對緩蘇工藝進行綜合評價，評分結果見表10。

表10 不同緩蘇條件及緩蘇工藝綜合評分表(熵權法)

由表10可知，代表指標所占權重由高到低依次為：含水量39.35%、脂肪酸值37.53%、風速23.12%。通過計算得到熱風對流緩蘇工藝在3種工況下的綜合評分分別為8.891、9.032、10.935，均高于空調控溫緩蘇工藝的評分8.677；且隨著熱風風速的增加，緩蘇工藝綜合評分升高。

分析證明，熱風對流緩蘇是一種可保障糧食品質，緩蘇歷時短、效率高、損耗少的快速緩蘇工藝。

3 結論

低溫成品糧大米出庫緩蘇過程中，緩蘇初期成品糧處于“冷芯”狀態，外界緩蘇空間溫度較高，在大米包裝袋周圍形成“熱皮”。隨著緩蘇歷程推進，伴隨濕熱傳遞作用影響，熱量由成品糧包裝袋外部高溫區向內部低溫區傳遞，包裝袋內溫度逐漸升高至緩蘇目標溫度。

空調控溫緩蘇與熱風對流緩蘇兩種緩蘇工藝的對比研究發現：2種緩蘇工藝均可防止低溫成品糧大米出庫結露；相對于長期低溫儲藏，2種短時間緩蘇工藝均加快了成品糧大米品質指標變化幅度；熱風對流緩蘇工藝相對于空調控溫緩蘇工藝，可實現低溫成品糧大米出庫保水緩蘇，水分損耗控制在±0.1%；在確保安全緩蘇不結露的前提下，熱風對流緩蘇效率較空調控溫高40%。

主成分分析法及熵權法的評價結果均表明熱風對流緩蘇工藝(綜合評分：11.429、10.935)優于空調控溫緩蘇工藝(綜合評分：9.433和8.677)。因此，熱風對流緩蘇是一種快速、高效、節能、可保障成品糧品質的緩蘇工藝，可以為低溫儲藏成品糧大米快速安全出倉提供新的方案，為國家糧食應急供給提供技術支撐。

進一步地提出熱風對流緩蘇工藝條件的優化建議：緩蘇時可調節熱風機出風口位置、截面積等因子，增大熱風與堆垛接觸面，有效減少緩蘇過程中溫濕度分層現象，進一步縮短緩蘇歷時，提高熱風對流緩蘇均勻性及緩蘇效率；熱風緩蘇時增加緩蘇空間濕度調控。