探究變溫干燥對稻谷特性與干燥品質的影響

張亞偉, 尹 君, 渠琛玲

(河南工業大學糧食和物資儲備學院,糧食儲運國家工程實驗室1,鄭州 450000)

(國家糧食和物資儲備局科學研究院糧食儲運國家工程研究中心2,北京 100037)

新收獲的稻谷水質量分數高,需要干燥至目標水分方可進入下一環節,因此干燥是稻谷收獲后處理的必要和關鍵環節。淀粉是稻谷的主要成分之一,其作為一種非晶態物質,在干燥全過程中,會發生玻璃化轉變現象。加之,稻谷也是一種熱敏性物質,不合理的干燥工藝易導致籽粒形成裂紋和爆腰[1]。Cnossen等[2]提出玻璃化轉變理論可以闡明稻谷干燥過程中出現裂紋和爆腰的現象。劉木華等[3]研究表明,稻谷產生裂紋與其玻璃化轉變溫度密切相關,且其玻璃化轉變溫度與水質量分數呈負相關。因此,在干燥過程中可根據稻谷玻璃化轉變溫度與水質量分數的關系制定合理的變溫干燥工藝。

研究表明變溫干燥是行之有效的節能工藝方式[4]。霍巖[5]設計的薄層干燥實驗臺,實現了稻谷變溫干燥過程的自動測控,結果表明干燥速率和能耗均優于恒溫干燥工藝,但稻谷干燥后的爆腰率較高,由于在線監測參數的精準度不高和控制系統遲滯性較大,還有待進一步優化。鄭先哲等[6]開展稻谷變溫干燥實驗,結果表明,稻谷處于橡膠態下干燥,可有效降低稻谷籽粒內部水分梯度,減少裂紋的形成。有研究提出稻谷分程變溫干燥工藝,相較于傳統恒溫干燥工藝,稻谷干燥后品質更佳[7,8]。Xu等[9]研究了干燥溫度、變溫時刻、變溫溫度、變溫時長、變溫次數等實驗因素對稻谷干燥特性與干燥后品質的影響規律,結果表明,采用循環變溫干燥可獲得較好的干燥品質。王潔等[10]對比分析了兩級變溫干燥與50 ℃恒溫干燥,結果表明,兩級變溫干燥的干燥時間縮短,爆腰率降低,脂肪酸值降低,直鏈淀粉降低,也驗證了兩段變溫干燥是一種先進的熱風干燥方法,既保證了稻谷干燥后的品質,又提高了干燥速率。

因此,基于玻璃化轉變理論,根據稻谷玻璃化轉變溫度與水質量分數的關系,通過變溫干燥工藝與恒溫的對比,探究初始水質量分數、變溫幅度、熱風風速等因素對稻谷干燥速率和干燥后品質的影響,以期實現稻谷干燥高效率與高品質的目標。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以稻花香五優稻4號為實驗材料,產自黑龍江省五常市,初始水質量分數為(14.5±0.2)%(本研究中水質量分數均指濕基水質量分數)。實驗前,用人工調水法,即分多次加入一定質量的蒸餾水,每次均勻噴灑蒸餾水與稻谷中并進行5～10次晃動;調濕后的稻谷裝入雙層自封袋中,并置于6 ℃冷藏庫。水平平衡期間每12 h搖晃均勻1次,直至水分平衡,以獲得不同水質量分數(22%、24%、26%)的稻谷樣品。

1.2 實驗儀器與設備

JK-LB1799型多參數可控原位精確干燥實驗臺,Q2000差示掃描量熱儀(DSC),PQ-520型Kett(凱特)米麥單粒水分計,JDMZ-100稻谷出米率檢測儀,JMWT-12大米外觀品質檢測儀,DGG-9140A電熱恒溫鼓風干燥箱,YP30002電子天平。

1.3 實驗方法

1.3.1 測定稻谷玻璃化轉變溫度

通過DSC分別測定不同初始水質量分數稻谷的玻璃化轉變溫度。實驗前,根據GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》(水質量分數低于18%)和GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》(水質量分數高于16%)測定稻谷水質量分數,然后將其磨成粉末狀,稱取(10.0±0.1)mg樣品,置于樣品坩堝內,以空坩堝作為對照。載氣與冷卻樣品為50 mL/min高純氮氣。利用DSC自帶軟件控制升溫速率為10 ℃/min,升溫范圍由-20～120 ℃。從熱流曲線上得到開始(Tgi)、中點(Tgm)和終點(Tge)的玻璃化轉變溫度,通常取中點Tgm作為玻璃化轉變溫度,記為Tg。每組樣品實驗重復3次。

1.3.2 實驗流程與設計

干燥實驗開始前,將每組約為500 g稻谷均勻平鋪在篩網上,稻谷層厚度為1.5 cm。選取初始水質量分數(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%、(26.0±0.5)%、變溫幅度(4、6、8 ℃)、熱風風速(1.2、1.5、1.8 m/s)為實驗因素,以爆腰增率、整精米率為實驗品質指標,探究實驗因素對稻谷干燥速率、爆腰增率、整精米率等的影響規律。當稻谷水質量分數為(14.5±0.2)%時,停止干燥實驗。將干燥后的稻谷裝入自封袋中,并在室溫(28±2)℃放置48 h,記錄爆腰增率,測定整精米率,對比變溫干燥工藝與恒溫的干燥后爆腰增率和整精米的變化。

橡膠態變溫干燥實驗設計:橡膠態變溫干燥工藝的溫度變化范圍為36～56 ℃,變溫幅度分別為4、6、8 ℃。根據稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線設定稻谷起始干燥溫度,確保稻谷一直處于橡膠態。在干燥過程中,每5 min稱量稻谷質量,通過設定公式獲得稻谷水質量分數,目標水質量分數為(14.5±0.2)%時,結束干燥實驗。在干燥過程中保證稻谷處于橡膠態,以稻谷初始水質量分數為22.3%為例,稻谷玻璃化轉變溫度為39 ℃,然后分別以變溫幅度4、6、8 ℃進行變溫,起始干燥溫度分別為43、45、47 ℃。當起始干燥溫度達到稻谷水質量分數下降時對應的玻璃化轉變溫度方可進行變溫,使干燥溫度高于稻谷玻璃化轉變溫度,確保稻谷處于橡膠態(稻谷初始水質量分數為24.3%、25.7%的變溫操作類似)。

玻璃態變溫干燥實驗設計:玻璃態變溫干燥工藝的溫度變化范圍為32～48 ℃,變溫幅度分別為變溫幅度分別為4、6、8 ℃。根據稻谷玻璃化轉變溫度擬合曲線設定稻谷起始干燥溫度,確保稻谷處于玻璃態。在干燥過程中,每10 min稱量稻谷質量,通過設定公式獲得稻谷水質量分數,目標水質量分數為(14.5±0.2)%時,結束干燥實驗。在干燥過程中保證稻谷處于玻璃態,以稻谷初始水質量分數為22.5%為例,稻谷玻璃化轉變溫度為39 ℃,起始干燥溫度為39 ℃,下一次變溫溫度為43 ℃,以變溫幅度4 ℃進行變溫。稻谷水質量分數下降時對應的玻璃化轉變溫度為43 ℃時開始變溫,使干燥溫度低于稻谷玻璃化轉變溫度,確保稻谷處于玻璃態,變溫幅度為6、8 ℃操作類似(稻谷初始水質量分數為23.9%、26.2%的變溫操作類似)。

恒溫干燥實驗設計:干燥溫度設定為45 ℃,稻谷初始水質量分數分別為(22.0±0.5)%、(24.0±0.5)%和(26.0±0.5)%,熱風風速分別為1.2、1.5、1.8 m/s進行兩因素三水平全面實驗。

1.4 實驗指標測定

1.4.1 稻谷水質量分數測定

參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》(水質量分數低于18%);GB/T 20264—2006《糧食、油料水分兩次烘干測定法》(水質量分數高于16%)。

1.4.2 干燥速率的計算

式中 :v為干燥速率/%/min;Mi為干燥前稻谷初始水質量分數/%;Mt為干燥t時刻稻谷水質量分數/%;Δt為干燥時間/min。

1.4.3 爆腰增率測定

實驗前隨機抽取原始完整的稻谷300粒,每100粒為1組,手工剝殼后檢測其中有裂紋的糙米均為爆腰粒,取其3組均值為初始爆腰率。干燥實驗結束48 h后,任意抽取100粒為1組待測,測其裂紋粒數,每組樣品做3次平行實驗,取其均值與初始爆腰率之差為稻谷爆腰增率[11]。

1.4.4 整精米率測定

參照GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》執行。

1.5 數據處理與分析

采用SPSS和Origin軟件進行數據統計和繪圖。

2 結果與分析

2.1 稻谷玻璃化轉變溫度與初始水質量分數的關系

稻谷玻璃化轉變溫度與初始水質量分數的關系:Y=75.689 99-1.670 12X,R2=0.987 04。當干燥溫度高于稻谷玻璃化轉變溫度時,稻谷處于橡膠態區域;當干燥溫度低于稻谷玻璃化轉變溫度時,稻谷處于玻璃態區域[12]。實驗結果表明,稻谷水質量分數由22%降至15%,其玻璃化轉變溫度由38 ℃上升到50 ℃,呈線性負相關。因為水是一種增塑劑,對高分子材料中非晶態高聚物有增塑效應,會影響體系的玻璃化轉變溫度[13]。

2.2 變溫干燥與恒溫干燥對稻谷干燥速率和干燥品質的影響

由圖1和表1可知,干燥前期,恒溫干燥速率最快;干燥后期,橡膠態變溫干燥速率保持最快直至目標水分;玻璃態變溫干燥速率最慢。這是由于玻璃態變溫干燥時,稻谷籽粒內的淀粉處于玻璃態,其籽粒內外水分梯度小,內部水分流動性弱,水分擴散速率慢,水分從內部擴散到表面速率較慢,籽粒內外的水分梯度小,產生的應力小,干燥后爆腰率低,保證了整精米率。恒溫干燥條件下,在干燥前期(稻谷水質量分數大于18%),干燥溫度較高,籽粒內部的水分梯度較大,水分擴散速率較快,隨著干燥進行,稻谷水質量分數下降,籽粒內部水分擴散速率變慢,此時稻谷玻璃化轉變溫度升高,稻谷發生了玻璃化轉變,其籽粒內部形成較大的應力,導致裂紋產生,爆腰增率增加。橡膠態變溫干燥,稻谷籽粒處于橡膠態,隨在干燥溫度升高,其內部水分擴散動力增大,干燥速率加快。因此,在干燥后期(稻谷水質量分數小于18%)橡膠態變溫干燥速率大于恒溫干燥。由表1可知,橡膠態變溫干燥條件下,變溫幅度為8 ℃時,爆腰增率有所增加,整精米率下降,因此要合理控制變溫幅度才能保證該條件下稻谷干燥后的品質。在干燥速率方面,橡膠態變溫干燥工藝更占優勢。在干燥后品質方面,玻璃態變溫干燥工藝更占優勢,這與劉坤等[7]研究結論一致。

表1 變溫與恒溫干燥后稻谷干燥品質對比表

圖1 變溫與恒溫稻谷干燥速率變化曲線

2.3 橡膠態變溫干燥速率和干燥后品質分析

綜合考慮稻谷干燥速率和干燥后品質,選擇橡膠態變溫干燥工藝探究初始水質量分數、變溫幅度、熱風風速對干燥速率和干燥品質的影響規律。

2.3.1 初始水質量分數對稻谷干燥速率和干燥品質的影響

由圖2和圖3可知,在變溫幅度6 ℃、熱風風速1.5 m/s的條件下,稻谷初始水質量分數處于不同水平時,其干燥速率隨水質量分數升高而加快。這主要是因為稻谷初始水質量分數越高,其內部以自由水結合形式的水分維持在較高水平,水分從內部擴散到表面的速率較快。同時稻谷籽粒內外的水分梯度大,形成的內外應力大,導致裂紋產生,爆腰率增加,整精米率下降[14]。

注:圖中不同字母表示有顯著差異。余同。

2.3.2 變溫幅度對稻谷干燥速率和干燥品質的影響

由圖4和圖5可知,在初始水質量分數24.3%、熱風風速1.5 m/s,隨變溫幅度增加,稻谷干燥速率加快,爆腰增率增加,整精米率變化與之相反。這主要是因為稻谷在干燥時主要以對流、熱傳導等方式進行傳熱[15]。稻谷籽粒存在各向異性,隨著干燥進行,籽粒內外的水分分布不均勻,變溫幅度增加時,干燥溫度升高,水分擴散速率加快。同時,籽粒內部的水分梯度變大,形成的干燥應力增大,超過了稻谷籽粒所承受的極限強度,則產生裂紋,導致爆腰率增加,整精米率下降。變溫幅度較低時,有利于稻谷籽粒在干燥全過程不同階段(干燥和緩蘇)水分平衡,使其內部的水分梯度減小,降低籽粒內外產生的應力,進而降低爆腰增率,保證整精米率。

圖4 不同變溫幅度稻谷干燥速率變化曲線

圖5 變溫幅度對爆腰增率和整精米率的影響

2.3.3 熱風風速對稻谷干燥速率和干燥品質的影響

由圖6和圖7可知,在初始水質量分數為24.3%,變溫幅度為6 ℃條件下,干燥速率隨熱風風速增加而加快。這主要是因為熱風風速影響稻谷籽粒表面水分的擴散速率,在所選取的參數范圍內,熱風風速越大,籽粒表面水分蒸發速率越快,從而使干燥速率加快。同時,熱風風速增大,稻谷籽粒表面水分的蒸發速率大于內部的水分擴散速率,籽粒表面的玻璃化轉變溫度比其內部的高,故在同一干燥溫度下,籽粒外部處于玻璃態,而內部處于橡膠態,內外形成的拉壓力變大,導致裂紋產生,爆腰增率上升,整精米率下降。

圖6 不同熱風風速稻谷干燥速率變化曲線

圖7 熱風風速對爆腰增率和整精米率的影響

3 結論

基于玻璃化轉變理論,研究了變溫干燥工藝對稻谷干燥速率和干燥后品質的影響,并與恒溫干燥工藝進行對比,結果表明:處于一種狀態(橡膠態或玻璃態)的稻谷變溫干燥工藝下,理論上講,因稻谷不發生玻璃化轉變,干燥后的爆腰增率明顯降低,整精米率增加,但實際上因稻谷籽粒個體存在差異,部分稻谷籽粒會發生玻璃化轉變,在干燥后會出現爆腰增加的現象。相比于恒溫干燥工藝,橡膠態變溫工藝干燥速率較快,變溫幅度為4 ℃和6 ℃時,爆腰增率降低,整精米率增加,干燥后品質有所改善。玻璃態變溫干燥速率最慢,但其干燥后品質最優,考慮到干燥速率和能耗的因素,玻璃態變溫干燥工藝不宜采用。因此,綜合考慮稻谷干燥速率和干燥后品質,采用橡膠態變溫干燥工藝,合理控制變溫幅度和熱風風速,可實現高干燥速率和高品質的目標。