稻谷緩蘇干燥工藝關鍵參數優化試驗

摘要：

針對傳統干燥后稻谷裂紋率較高、稻谷品質無法得到保證的問題，探究緩蘇溫度、緩蘇比、稻谷初始含水率等工藝參數對稻谷裂紋增率、干燥速率影響及緩蘇工藝抑制稻谷干燥性裂紋的機理。采用三元二次正交旋轉組合設計優化稻谷緩蘇干燥工藝參數，以緩蘇溫度、緩蘇比、稻谷初始含水率為試驗因素，使用Box-Behnken試驗，建立回歸模型并分析各因素與試驗指標之間的關系。使用Design-Expert 12軟件對試驗結果進行參數優化及數據分析，得出最優工藝參數：緩蘇溫度為57℃，初始含水率為23%，緩蘇比為2.4∶1。在此組合參數下稻谷裂紋增率為9.53%，干燥速率為0.104%/min，且相對誤差較小。研究表明，經優化后組合參數對降低稻谷裂紋增率、提高干燥速率有著積極的作用，可為實際生產提供理論基礎。

關鍵詞：稻谷；緩蘇工藝；參數優化；干燥速率；爆腰率

中圖分類號：S226.6

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0125-06

Experiment on optimization of key parameters of tempering drying process of rice

Qu Tianqi¹， Wan Lin^{1， 2}， Che Gang^{1， 2}， Zhang Zhi³， Zhang Qilin¹， Zhong Guoliang¹

（1. "College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163319， China；

2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Machinery and Equipment of Heilongjiang Procince， Daqing，

163319， China； 3. Heilongjiang Beidahuang Rice Industry Group Co.， Ltd.， Harbin， 150090， China）

Abstract：

In order to reduce the crack rate of rice after drying and improve the drying efficiency of rice， this experiment explored the effects of technological parameters such as retarding temperature， retarding ratio and initial moisture content of rice on the crack growth rate and drying rate of rice， and the mechanism of retarding technology to inhibit drying cracks of rice. The technological parameters of rice slow-tempering drying were optimized by three-dimensional quadratic orthogonal rotation combination design. Taking slow-tempering temperature， slow-tempering ratio and initial moisture content of rice as experimental factors， Box-Behnken test was used to establish a regression model and analyze the relationship between each factor and the experimental indicators. The Design-Expert 12 software was used to optimize the parameters and analyze the data of the test results， and the optimal process parameters were obtained as follows： the retarding temperature was 57℃， the initial moisture content was 23%， and the retarding ratio was 2.4∶1. Under these combined parameters， the rice crack growth rate is 9.53%， the drying rate is 0.104%/min， and the relative error is small. The results show that the optimized combination parameters have a positive effect on reducing the crack growth rate and improving the drying rate of rice， which can provide a theoretical basis for practical production.

Keywords：

rice; tempering process; parameter optimization; drying rate; crack rate

0"引言

水稻通常在高含水率的情況下進行收割（濕基含水率21%以上），需要及時進行干燥至安全存儲含水率（14%～14.5%）以防止變質^［1］。熱風干燥是稻谷機械化干燥的一種重要方式，可以快速地使剛收獲的水稻降至安全含水率。稻谷裂紋是由于突然的干燥或濕潤，稻谷籽粒表面的失水速度超過稻谷籽粒內部水分傳遞速度，導致稻谷內部形成水分梯度，稻谷籽粒表面失水產生收縮，而籽粒內部由于失水速率低于表面，就會形成濕應力，當濕應力超過稻谷籽粒所能承受限度時，就會形成裂紋^{［2， 3］}。因此，為了減少稻谷在干燥中的損失，需要降低干燥速率。但干燥速率降低，干燥時間會加長，加大干燥能耗，延誤干燥進程。所以在保證稻谷裂紋率的同時，提升干燥速率也不能被忽略。

通常在干燥進程中加入緩蘇工藝^［4］來平衡由于蒸發速率快而稻谷內水分傳遞慢產生的水分梯度，降低籽粒應力，從而降低稻谷裂紋率，在一定程度上提升干燥速率。王丹陽等^［5］對稻谷緩蘇干燥特性進行研究，并建立干燥過程中水分含量預測模型。吳中華等^［6］利用聲發射理論對干燥過程中裂紋的產生和發展進行了探究，通過建立稻谷干燥進程的濕熱傳遞模型，分析稻谷緩蘇時籽粒內部水分的變化規律。周緒霞等^［7］對比熱泵干燥與遠紅外干燥發現緩蘇比為1∶3時，稻谷各項干燥后指標最優。Truong等^［8］研究了高溫干燥和緩蘇會使稻谷內淀粉糊化，從而增強稻谷籽粒完整性。Ghasemi等^［9］通過研究發現緩蘇時間應隨著干燥時間的增加而增加，且可以有效平衡稻谷籽粒內部產生的水分梯度。Tuyen等^［10］探究了在高溫和長時間的緩蘇后，淀粉在谷粒外層形成糊化層，可以有效提高在碾磨過程中稻谷籽粒的抗斷性。荔淑楠^［11］、宮元娟^［12］、張麗娟^［13］等也通過試驗驗證了合理的緩蘇工藝參數可有效提高當歸、香菇、大豆等農產品干燥速率，并提高物料干燥后的整體品質。

以上研究缺乏針對緩蘇條件如緩蘇溫度、緩蘇比、初始含水率對抑制稻谷裂紋生成原因的系統分析，且不同緩蘇因素對降低稻谷裂紋增率、提高干燥速率的影響規律有待深入研究。本文在前人研究基礎上，探究緩蘇溫度、稻谷初始含水率及緩蘇比對稻谷裂紋增率和干燥速率的影響趨勢。通過正交試驗優化緩蘇干燥參數，以得到較為可靠的干燥工藝，從而降低稻谷裂紋率以及提高干燥速率。

1"材料與方法

1.1"材料

試驗選用稻花香2號，將水稻過篩去除雜質，使用105℃烘干法測得稻谷初始含水率為21%～22%，將其使用密封袋封裝起來，放置在4℃的恒溫冰箱內，將一部分水稻噴施蒸餾水使其含水率達到23%，另將一部分水稻進行通風晾曬調節含水率至19%，試驗前將水稻放置在室溫下，待與室溫平衡后再次測量含水率，隨后進行試驗。

1.2"儀器與設備

采用自制稻谷薄層干燥試驗臺，試驗臺由風機、加熱裝置、稱重裝置以及控溫系統等組成，如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

其他儀器：GZX-DH30A電熱恒溫鼓風干燥箱；BLH-3250B試驗礱谷機；HK-06A 300 g手提式粉碎機；DHS-10A電子水分測定儀；JA5003B電子天平。

1.3"試驗指標

1.3.1"含水率

含水率檢測參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》^［14］。使用電動粉碎機，將去除雜質的稻谷進行粉碎，取0.5g樣品均勻散布在水分儀內105℃烘干10min。含水率計算如式（1）所示。

Xw=mt-mdmt

（1）

式中：

Xw——濕基含水率，%；

mt——t時刻物料質量，g；

md——物料干質量，g。

1.3.2"裂紋率

裂紋率檢測參照GB/T 5496—1985《糧食、油料檢驗 黃粒米及裂紋粒檢驗法》^［15］。干燥前隨機取出100粒完整稻谷籽粒，手工剝去稻殼，將去殼籽粒放在爆腰燈上，通過觀察挑選出裂紋米并進行計數，重復3次，計算平均值后為稻谷初始裂紋率，裂紋率計算如式（2）所示。干燥結束后裝在密封袋中，在室溫下靜置48h直至恢復至室溫后，隨機挑選100粒完整稻谷剝殼測其爆腰率。對每個樣本進行2次測量并計算平均值，測得結果為干燥后爆腰率。

λ=λ1λ2

（2）

式中：

λ——裂紋率，%；

λ1——有裂紋的稻谷數；

λ2——剝殼稻谷總數。

1.4"試驗方法

試驗于2023年3月在黑龍江八一農墾大學干燥實驗室進行，環境溫度為11℃～16℃，環境濕度為9.2%～9.8%，試驗開始前將水稻放置在室溫平衡。固定因素：熱風溫度為45℃，熱風風速為0.5m/s。

將薄層干燥試驗臺與烘干箱分別預熱至干燥溫度與緩蘇溫度，取250g水稻放置在試驗網篩內，再將網篩放置在薄層干燥試驗臺后進行計時，每干燥10min按照試驗設計的緩蘇比（緩蘇時間/干燥時間）將網篩放入烘箱中進行停風保溫緩蘇，緩蘇結束后繼續干燥，循環上述操作至試驗樣品達到安全含水率（14%）停止試驗。

1.4.1"單因素試驗設計

干燥性裂紋產生的主要原因是籽粒內水分傳遞速度低于籽粒表面水分散失速度，導致籽粒內外產生水分梯度，從而導致稻谷籽粒內部產生濕應力，而緩蘇的主要目的就是抑制這種現象^{［16， 17］}。稻谷籽粒內部的水分傳遞速度與水分擴散系數有關，溫度越高水分擴散系數越大，因此，緩蘇溫度應比干燥溫度高一些，更有利于籽粒內部的水分擴散。試驗設計如表2所示，選取緩蘇溫度，初始含水率以及緩蘇比3個因素進行單因素試驗，稻谷裂紋增率和干燥速率為考察指標。

1.4.2"參數優化試驗設計

根據單因素試驗結果，選取緩蘇溫度、稻谷初始含水率以及緩蘇比為試驗因素，裂紋增率Y1和干燥速率Y2為指標，根據Box-Behnken中心組合原理設計試驗。試驗因素水平編碼表如表3所示。

依據水平編碼表設計正交試驗及結果如表4所示，其中X₁、X₂、X₃為因素編碼值。所有試驗重復進行3次，結果取平均值。

2"結果與分析

2.1"單因素結果分析

2.1.1"緩蘇溫度對稻谷干燥品質的影響

圖2（a）為不同緩蘇溫度下稻谷裂紋增率的變化曲線，在緩蘇比為2∶1、初始含水率為21%時，隨著緩蘇溫度的升高，稻谷的裂紋率逐漸降低，當緩蘇溫度超過55℃時裂紋增值率又有所提高。這說明在一定限度內提升緩蘇溫度有助于降低裂紋增率。由于稻谷水分擴散系數隨溫度的升高而增加，當緩蘇溫度與干燥溫度相差不大時，稻谷的水分擴散系數也不會有提升，致使由于干燥產生的水分梯度得不到充分的平衡就進入下一個干燥段，內部的濕應力也就得不到緩解。但當緩蘇溫度過高時，裂紋率也會增加，是因為當緩蘇溫度過高時，由于干燥溫度與緩蘇溫度溫差較大，當稻谷由緩蘇段進入干燥段時，由于溫度快速降低以及籽粒外部快速失水會導致稻谷籽粒外層先轉變為玻璃態^［18］，因為稻谷不同狀態下的膨脹系數不同，所以外表先轉變為玻璃態的部分就會受到拉應力，而內部仍處于橡膠態會受到壓應力，當濕應力達到一定限度時就會導致稻谷產生裂紋。

從干燥時間來看，由圖2（b）可知，在緩蘇溫度為60℃時，相比于45℃干燥速率最快，為0.0886%/min。當緩蘇溫度超過55℃時，干燥速率雖有所提升但并不明顯。當緩蘇溫度為55℃時稻谷裂紋率最低，且干燥速率也相對較高，故而選取50℃～60℃為正交試驗取值。

2.1.2"緩蘇比對稻谷干燥品質的影響

由圖3（a）可知，隨著緩蘇比達到2.5∶1時稻谷裂紋增率最低，為9.22%。緩蘇時稻谷處于停風狀態但溫度升高，隨著緩蘇比的提高，緩蘇時間也隨之增加，稻谷由于在干燥段產生的水分梯度可以得到平衡。當緩蘇比過低時緩蘇時間不足以平衡水分梯度，當緩蘇比達到一定值時就會使稻谷內部的水分梯度平衡，減少由水分梯度而產生的濕應力^［18］。但繼續增加緩蘇比就會使稻谷裂紋增率提高，這是因為當緩蘇時間超過水分梯度所需的平衡時間后，稻谷表層的水分就會向上層稻谷運動，導致上層稻谷出現吸濕現象，最終導致裂紋率增加。

由圖3（b）可知，隨著緩蘇比的增加，干燥速率明顯加快。當緩蘇比為1∶1時，干燥速率最低，為0.0714%/min。當緩蘇比提高到2∶1時，干燥速率大幅提高至0.0875%/min，同時也是干燥速率提升最明顯的一段。當緩蘇比由2∶1提高至3∶1，干燥速率的變化并不明顯，是因為當緩蘇比達到2∶1時，稻谷籽粒內部水分已經大致均勻。這說明當緩蘇比達到一定值的時候，增加緩蘇比也無法提高降水速度。

2.1.3"稻谷初始含水率對稻谷干燥品質的影響

由圖4（a）可知，在稻谷含水率為22%時進行緩蘇干燥，可以明顯降低稻谷裂紋率。當稻谷在含水率較高時進行緩蘇干燥，由于稻谷含水較多，稻谷內部自由水也相比于含水率較低的稻谷多，所以在干燥段結束進入緩蘇段后水分也會快速的重新分布，能快速降低水分梯度引起的濕應力。稻谷在含水率較低進行緩蘇干燥裂紋增率較高是由于含水率較低時，稻谷籽粒內部自由水較少^［19］，即使緩蘇也無法充分均勻籽粒內部水分梯度，從而致使濕應力的產生導致裂紋增加。由圖4（b）可知，稻谷初始含水率越高，干燥速率也就越快，是因為高含水率的稻谷內部自由水含量較高，而稻谷干燥階段主要的失水形式就是自由水，且由于每段干燥時間為10min，所以每個干燥段稻谷籽粒外層失水較多，而內部失水較少，這更有助于緩蘇段充分平衡水分^［20］。

2.2"響應面優化試驗數據處理

2.2.1"試驗因素對裂紋增率的影響

根據試驗結果剔除不顯著因素建立回歸方程如式（3）所示。對試驗結果進行方差分析如表5所示，回歸方程模型方程顯著性為極顯著（plt;0.01），失擬項檢驗為不顯著（pgt;0.05），表明回歸方程擬合較好。該模型決定系數R²=0.9895、調整決定系數Radj²=0.976，表明該模型具有較高的擬合精度，變異系數CV=1.73%，表明試驗的重復性較好，結果精度高。

Y1=

9.15-0.97x1+0.24x3-1.48x1²+

0.41x2²+0.72x3²

（3）

圖5（a）表明隨著緩蘇溫度的增加和初始含水率的升高，稻谷裂紋增率先減小然后趨于平緩，當初始含水率一定時，增加緩蘇溫度會降低稻谷裂紋增率。當緩蘇溫度在56℃、稻谷含水率在21.5%時，稻谷裂紋增率接近最低。圖5（b）是初始含水率為22%時，緩蘇溫度與緩蘇比交互作用對稻谷裂紋率影響的響應面圖。分析可知，在緩蘇比一定時，稻谷裂紋率隨緩蘇溫度的升高逐漸降低，說明較低的緩蘇溫度不利于抑制稻谷干燥性裂紋的產生，稻谷裂紋率會伴隨緩蘇溫度的升高呈正相關。圖5（c）是緩蘇溫度為55℃時，初始含水率與緩蘇比交互作用對稻谷裂紋率影響的響應面圖，緩蘇比升高，初始含水率對稻谷裂紋率的影響越明顯。

2.2.2"試驗因素比對干燥速率的影響

根據試驗結果剔除不顯著因素建立回歸方程如式（4）所示。對試驗結果進行方差分析如表6所示，回歸方程模型方程顯著性為極顯著（plt;0.01），失擬項檢驗為不顯著（pgt;0.05），表明回歸方程擬合較好。該模型決定系數R²=0.9391、調整決定系數Radj²=0.8609，表明該模型具有較高的擬合精度，變異系數CV=3.3%，表明試驗的重復性較好，結果精度高。

Y2=

0.098-0.005x1+0.009x2+0.008x1²

（4）

圖6（a）是當緩蘇比為2.5∶1時，緩蘇溫度與初始含水率交互作用對干燥速率影響的響應面圖。在緩蘇溫度一定的情況下，干燥速率隨稻谷初始含水率的升高而逐漸升高，說明當稻谷初始含水率較高時，更有利于提高稻谷的干燥速率，稻谷初始含水率對干燥速率的影響顯著。圖6（b）是初始含水率為22%時，緩蘇溫度與緩蘇比對干燥速率影響的響應面圖。緩蘇溫度對干燥速率的影響較緩蘇比顯著，隨著緩蘇溫度的提高，干燥效率呈先上升后下降的趨勢，在緩蘇溫度不變的情況下，干燥效率隨著緩蘇比的增大而出現先減后增的趨勢。圖6（c）是緩蘇溫度為55℃時初始含水率與緩蘇比交互作用對干燥速率影響的響應面圖。稻谷初始含水率越高，緩蘇比對稻谷干燥速率的影響越明顯。

2.2.3"參數優化

在Design-Expert軟件中設置優化的參數范圍，如式（5）所示。

minY1

maxY2

s.t.

50℃lt;x1lt;60℃

21%lt;x2lt;23%

2∶1lt;x3lt;3∶1

（5）

由式（5）可知，當緩蘇溫度為56.8℃、初始含水率為22.9%、緩蘇比為2.37∶1時為最優參數組合。處理后選取緩蘇溫度為57℃，初始含水率為23%，緩蘇比為2.4∶1。對上述參數工藝進行3次重復試驗取平均值，試驗結果如表7所示，實際結果與優化結果基本一致，本試驗選擇影響因素選擇合理。

3"結論

1） 通過進行單因素試驗，研究不同緩蘇條件對稻谷干燥后的裂紋增率和干燥速率的影響。同時也確定正交試驗的取值范圍，為緩蘇干燥優化試驗取值提供依據。

2） "確定緩蘇溫度為（50℃～60℃）、緩蘇比（2∶1～3∶1）、稻谷初始含水率（21%～23%）為主要試驗因素，以稻谷裂紋增率和干燥速率為試驗指標，通過二次回歸正交組合試驗對緩蘇參數進行綜合分析，得出試驗因素對試驗指標影響顯著。

3） "通過Design-Expert 12軟件，對各項試驗指標進行優化求解，經分析后，最優的組合參數實際取值緩蘇溫度為57℃，初始含水率為23%，緩蘇比為2.4∶1。根據優化后的參數組合進行重復試驗，取平均值后稻谷裂紋增率為9.53%，干燥速率為0.104%/min。

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