微波聯合超聲干燥對大米干燥品質影響研究

摘要：

為探究超聲—微波處理對稻米整體質量的影響，通過Box—Behnken的響應面中心組合試驗設計，以超聲波強度、超聲波持續時間和微波干燥時間為自變量，對稻米的硬度和彈性為響應值進行優化分析。通過全質構試驗，對不同干燥條件下大米的質構特性進行深入分析。結果表明，在超聲功率為300W、超聲處理時間為50min、微波處理時間為3min時，大米的硬度最低，為1005.92g，表明較低的超聲波強度與較長的干燥時間有助于保持大米的柔軟質地。在超聲功率為200W、超聲處理時間為10min、微波處理時間為3min時，大米的彈性最高，為0.679 94，說明在這一條件下，大米保持較好的結構完整性。顏色較深的大米在風味和口感上更受歡迎，這可能與干燥過程中稻谷內物質的變化有關。超聲波—微波聯合處理的最佳條件：超聲功率為240 W，超聲處理時間為46min，微波處理時間為3min。結合掃描電鏡（SEM）觀察，發現稻谷表面出現裂紋和孔洞，內部結構更加松散，且通過CIE Lab顏色參數的變化，驗證稻谷物理性質的改變。

關鍵詞：大米；超聲預處理；微波干燥；干燥品質；響應面分析

中圖分類號：S509.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0146-07

收稿日期：2023年11月7日" 修回日期：2024年1月15日*

基金項目：湖北省重點研發計劃項目（2021BBA080）；武漢輕工大學校立科研項目（2022J04）

第一作者：張沛琳，男，1995年生，江蘇南通人，碩士；研究方向為農產品加工技術及裝備。E-mail： 2011268620@qq.com

通訊作者：李彬，男，1988年生，武漢人，博士，副教授；研究方向為農產品加工技術及裝備。E-mail： 310875976@qq.com

Study on the effects of microwave combined ultrasonic drying on rice drying quality

Zhang Peilin， Li Bin， Hu Zhigang， Zhu Yansong， Ma Ming

（School of Mechanical Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan， 430023， China）

Abstract：

To investigate the effects of ultrasonic and microwave drying on the overall rice quality， a Box—Behnken response surface central composite experiment is designed to optimize the ultrasonic intensity， ultrasonic duration， and microwave drying time as independent variables， with the hardness and elasticity of rice as response variables. The texture characteristics of rice under different drying conditions are analyzed by the whole texture test. The results show that when the ultrasonic power is 300 W， the ultrasonic treatment time is 50 min， and the microwave drying time is 3 min， the hardness of rice is the lowest at 1005.92 g， indicating that lower ultrasonic intensity with longer drying time helps maintain a soft texture of rice. When the ultrasonic power is 200 W， the ultrasonic treatment time is 10 min， and the microwave drying time is 3 min， the rice elasticity reaches a maximum of 0.67994， showing better structural integrity under this condition. Darker rice is more popular in flavor and texture， which may be related to changes in the substances in the rice grain during the drying process. The optimum conditions of ultrasonic and microwave combined treatment are as follows： ultrasonic power of 240 W， ultrasonic treatment time of 46 min， and microwave drying time of 3 min. Scanning electron microscopy （SEM） observations reveal cracks and holes on the rice surface， and the internal structure appears looser. Moreover， changes in CIE Lab color parameters confirm alternation in the physical properties of the rice.

Keywords：

rice; ultrasonic pretreatment; microwave drying; drying quality; response surface analysis

0 引言

水稻是全球最主要的糧食作物之一，為超過半數的世界人口供應食物［1］，是人類重要的營養和能量來源。新鮮稻谷高水分含量會加速品質下降［2］，故采用干燥技術對稻谷的儲存和消費至關重要［3］。傳統干燥方法如熱風、太陽能及流化床已應用于稻谷烘干。這些方法通常耗時長，熱損失大，導致稻谷營養損失和產品質量降低［4］。微波干燥可以有效縮短干燥時間，但可能導致谷物局部焦黃［5］。超聲波技術能有效克服這一缺點，這得益于超聲波的顯著傳質效應，能夠進一步縮短微波干燥時間并提高干燥質量［6］。因此，結合超聲波和微波的稻谷干燥技術在谷物干燥領域具有巨大潛力。

超聲波能加速水分遷移，通過在谷物顆粒內部形成微觀通道來促進水分的擴散和遷移［7］。這加快了谷物內部水分的蒸發，更迅速地達到目標干燥水分含量。Lespinard等［8］在研究蘑菇干燥過程中發現，應用超聲波可增加蘑菇的收縮率和傳熱速率，從而縮短處理時間，降低蘑菇硬度并改善其色澤。同樣，陳文敏等［9］在對紅棗進行中短波紅外波和超聲波聯合處理的研究中發現，這種聯合干燥技術使紅棗表皮變薄，表面產生大量裂縫，為水分擴散提供更多通道，加速了干燥速度，并縮短了干燥時間。超聲波作用下，谷物顆粒表面會形成微氣泡［10］，增加水分與空氣的接觸面，從而加速蒸發和干燥過程。此外，超聲波與微波的聯合處理會改變稻谷中的纖維素、淀粉、脂肪和蛋白質，導致CIE Lab顏色參數的顯著變化［11］，這顯著反映稻谷品質的變化。質構儀分析顯示，超聲波和微波的聯合處理顯著降低大米的硬度并增加其彈性［12］。超聲波在干燥過程中產生的細微振動有助于調整和改善谷物顆粒的內部結構，從而防止干燥過程中的變形和損傷。此外，超聲波干燥能夠減輕熱傳導對谷物營養和風味的破壞［13］，有助于維持其品質。

超聲波強度的變化會導致大米內部微觀結構不同改變程度，進而影響水分傳遞速率和干燥效率［14］。超聲波處理的持續時間會影響大米干燥過程中水分的遷移和蒸發，從而影響大米的最終質地和品質［15］。微波干燥的時長同樣是決定大米干燥效果的關鍵因素，微波干燥的時長會影響大米干燥的均勻性和能量的有效利用［16］。

為探究超聲波—微波聯合干燥技術對稻谷干燥品質的影響，分析不同干燥條件對稻谷干燥品質的作用。本研究評估不同超聲時間、超聲功率以及微波時間對稻谷顏色、質構特性和微觀結構變化的影響，以期為提高稻谷干燥質量提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 稻谷品種與化學試劑

試驗樣本選用來自江蘇省鹽城市種植的南梗9108品種，試驗樣本經收割后，將試驗樣本立即用密封袋封存，并送入實驗室進行研究。樣本應保存在1℃的冰箱中，直至開展試驗。

1.2 試驗設計

根據文獻［10， 17， 18］，設定超聲功率為100 W、200 W和300 W，超聲處理時間為30min、40min和50min，微波處理時間為1min、3min、5min。具體試驗見表1。

1.3 超聲波—微波干燥處理

谷物超聲處理使用超聲波破碎儀，將標準試驗樣品在超聲波破碎儀中以100 W、200 W、300 W的超聲功率分別處理30min、40min、50min，并且超聲溫度閾值設置為40℃。超聲處理完成后，使用M1-L201B型微波爐干燥樣品。將試驗樣品稱重倒入高溫玻璃培養皿，并置于微波爐內干燥1～5min。所制取樣本為顏色分析、質構分析及SEM分析所用。

1.4 大米質構分析

TA.XTC-18型質構儀，檢測精度高達0.000 1 g，力量感應元（0.5～100kg），用于放置樣品的底座及位移控制臺。使用TA.XTC-18型質構儀，對稻谷進行力學壓縮試驗，通過配套軟件自動計算結果并記錄試驗數據；而質構儀所輸出的力學數據將通過配套的軟件轉換成數字信號顯示在電腦上，并繪制相應的力學特性曲線圖。

試驗為TPA（全質構試驗），采用TA/36R柱形探頭向下運動與樣品接觸，當接觸到樣品時對樣品進行壓縮，直到達到設定的目標值，然后返回起始位置。基座為長方體，校準傳感器，探頭高度校準，設置擠壓速率為2mm/s，觸發力為5 N，停留時間為5 s，壓縮比為50%，設置完成后將樣品放置在基座上，調整基座的方位保證每次試驗時壓縮探頭壓在樣品同一位置，每組試驗重復5次，取平均值。

1.5 谷物顏色分析

在目前的工作中，CIE Lab顏色參數（L*，a*，b*）被用來描述干燥過程中的顏色變化動力學。L*表示從0（黑色）到100（白色）范圍的明暗光譜，而a*表示從-60（綠色）到+60（紅色）范圍的紅綠光譜，b*表示從-60（藍色）到+60（黃色）范圍的黃藍光譜。在進行顏色測量之前，將測量頭的尖端平放在白色校準板的表面上進行校準。校準后，將樣品移位到樣品盤和測量頭底部，表面緊密接觸。然后測量樣品的L*（亮度）、a*（紅/綠）和b*（黃/藍）值。每次試驗將樣品隨機測色3次，取其平均值，繪制出顏色變化動力學。每30 s進行1次顏色測量，直到獲得平衡水分含量為止。

1.6 掃描電鏡（SEM）

首先，使用Lyolab 3000真空冷凍干燥機進行稻谷干燥，干燥后的樣品被固定在銀板上并放置在標本架上。然后，樣品在RV3真空蒸發器中被涂覆一層金薄膜。最后，使用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡在5.0kV的加速電壓下對稻谷樣品的表面和截面進行研究。

2 結果與分析

2.1 超聲波和微波處理參數對稻谷質構特性的影響

超聲波和微波處理會使稻谷中的淀粉、蛋白、脂類等成分發生變化。超聲波會使得淀粉粒吸水膨脹至破裂糊化，直鏈淀粉及部分支鏈淀粉游離出淀粉粒，這些游離物相互交聯，蛋白質、脂肪、非淀粉類多糖類等也與部分淀粉結合，阻止淀粉類多糖游離析出，影響糊化。

因此，米飯的食味及質構特性很大程度上取決于內在化學組成成分含量、形態、結合或排布方式，以及彼此間相互作用的動態結果。

響應面試驗數據如表2所示，測量值為大米質構試驗的硬度與彈性。超聲—微波聯合干燥下大米硬度的變化范圍為939～1 684 g，彈性的變化范圍為0.6～0.67。由圖1和圖2可知，兩因素交互中超聲功率與超聲時間對大米的硬度產生顯著的影響（plt;0.05），微波時間也存在一定的影響（0.1lt;plt;0.05），在彈性方面，超聲時間對大米的彈性產生顯著的影響（plt;0.05）。

根據表2，使用Design—Expert 13軟件進行擬合，得到硬度H與彈性E的擬合回歸方程，如式（1）和式（2）所示。

H=

6 214.02－6.424 82A－182.96B－300.64C+

0.020 7AB－0.020 5AC+2.55BC+

0.008 869A2+1.980 16B2+38.501C2

（1）

E=

0.196 02+0.000 892A+0.131 26B+

0.067 511C+0.000 003 075AB－

0.000 048AC－0.000 22BC－

0.000 002 092 25A2－0.000 151B2－

0.008 206C2

（2）

其中，A、B、C分別代表超聲功率、超聲時間、微波時間的實際值。綜合回歸模型的方差分析，結果如表3和表4所示，可用于檢驗式（1）和式（2）的有效性。

2.2 不同超聲功率下的稻谷顏色分析

2.2.1 不同超聲功率下的稻谷顏色分析

在不同超聲功率下樣品亮度（L*）變化，如圖3（a）所示。L*值表示樣品亮度值，隨著干燥時間的增加，稻谷外殼的顏色漸深，因此，L*值逐漸減小。所有干燥后的稻谷亮度明顯比新鮮稻谷的亮度暗，L*值約從62.5降低到54。此外，在干燥初期，由于稻谷外殼含有一部分水分減緩了亮度變化，故L*值變化相對緩慢。L*值的變化趨勢與含水量變化趨勢非常相似。樣本的顏色變化是一個復雜的現象。由于稻殼中的纖維素受到高溫作用，其中的結構發生改變，導致光的反射和散射特性發生變化，進而降低L*值，這與于海霞［19］對毛竹高溫處理的結果一致。還可以看出，超聲功率的升高對L*值的降低有著積極的影響，其中超聲功率越高，L*值的下降速率越快。L*值（約58）最低的樣品是在300 W功率下干燥的樣品，其次是在200 W功率（約59）和100 W功率（約61）下干燥的樣品。這種差異可以歸因于較高的超聲功率加速淀粉的糊化，并且通過美拉德反應使其亮度值降低。Ramesh等［20］對辣椒粉的干燥，Zenoozian等［21］對南瓜的脫水，Xiao等［22］對山藥片的干燥也報告了類似的結果。

在紅度（a*）方面，所有干燥的稻谷都明顯比新鮮的稻谷更紅，如圖3（b）所示。在所有情況下，稻谷的a*值均隨干燥時間的增加而增加，表明樣品在干燥過程中變紅。圖3（b）還顯示，在干燥結束時，a*隨著超聲功率的升高而增加。在100 W、200 W和300 W條件下干燥的樣品的a*值分別為7.7、8.2和8.6，表明較高的超聲功率可以加快顏色變化。由于稻谷顏色對溫度和水分含量敏感，這種現象可歸因于在干燥過程中稻谷中的脂肪、蛋白質發生氧化反應［23］，產生具有紅色色調的物質。稻谷內部所含豐富的淀粉在一定條件下，淀粉可轉化為還原糖，引起美拉德反應的發生，生成紅棕色物質［24］。

在黃度（b*）方面，所有干燥稻谷的黃度都明顯高于新鮮稻谷，如圖3（c）所示。所有情況下的b*都隨著干燥時間的增加而增加。且超聲功率對b*的變化有顯著的影響。在100 W、200 W和300 W的超聲功率下，樣品的b*值分別為29.5、31.0和33.0。這說明超聲功率的增強會加速黃度的變化。微波干燥可以引起稻谷中的淀粉糊化，會導致淀粉分子吸收更多的黃色光波，從而使稻谷呈現出更強的黃色色調［25］。稻殼中的纖維素受熱后其黃度值可能會上升，在干燥過程中，纖維素結構發生改變，導致其反射特性發生改變，從而呈現更強的黃色色調。這與于海霞［19］對毛竹高溫處理的結果一致。

2.2.2 不同超聲處理時間下的稻谷顏色分析

在不同超聲處理時間下，樣品亮度（L*）變化如圖4（a）所示。超聲處理時間越久，L*的下降幅度越大。在30min、40min和50min的超聲處理時間條件下，樣品的L*值分別為59.5、58.6和57.0。但不同超聲功率對亮度值的影響顯著大于不同超聲處理時間。

如圖4（b）所示，在所有情況下，a*值隨著超聲處理時間的增加而增加，表明樣品在干燥過程中變紅。在30min、40min和50min條件下干燥的樣品的a*值分別為7.4、7.9和8.6，表明長時間的超聲處理可以加快稻谷中的脂肪與蛋白質的氧化［25］，加大a*的顏色變化范圍。

如圖4（c）所示，所有情況下的黃度都隨著干燥時間的增加而增加。在30min、40min和50min的超聲處理時間下，樣品的b*值分別為30.5、31.5和32.2，并且略高于圖3（c）所示的b*值，說明長時間的超聲處理會使稻谷中的變化加劇，從而呈現更強的黃色色調。

2.2.3 不同微波功率下的稻谷顏色分析

在不同微波功率下，樣品亮度（L*）變化如圖5（a）所示。微波功率的增加對L*的降低有積極影響，時間越久，L*的下降幅度越大。當微波功率為210 W、350 W和560 W，樣品的L*值分別為59.7、58.8和54.6，遠低于圖3（a）與圖4（a）的結果，這種差異可以歸因于微波功率的增加，使得纖維素在高溫環境下迅速變暗［19］，從而導致樣品L*大幅降低。

如圖5（b）所示，在所有情況下，稻谷的a*值隨著微波功率的增加而增加。當微波功率為210 W、350 W和560 W，a*值分別為7.5、8.2和8.6，且a*最大值均為8.6。

如圖5（c）所示，所有情況下的黃度都隨著微波功率的增加而增加。當微波功率為210 W、350 W和560 W，樣品的b*值分別為30.6、31.2和32.1。與圖3（c）、圖4（c）結果相比，b*值略低，可能由于過高的溫度使纖維素在黃度方面呈下降趨勢［19］。

2.3 掃描電鏡（SEM）觀察

糙米含有90%的淀粉，如圖6（a）所示，在其未處理的狀態下，可以清晰地觀察到其麩皮表面致密且保持自然形態。經過超聲波處理（UT）后，如圖6（b）所示，這種自然形態會被改變，且超聲波功率越高，這種改變越明顯。UT不僅改變糙米的表面形態，還導致表面的嚴重破壞，所有UT處理的樣品都顯示出表面變得更加毛糙，并且可以清晰地看到表面出現裂紋和孔洞。這是由于富含蛋白質的外層米糠層逐漸被剝落。

UT處理的樣品表面出現裂紋，這種微觀結構的變化可能源于超聲波處理和浸泡過程中的空化效應，這個過程中的機械射流和剪切力對大米表面造成破壞。在UT過程中，大米表面的氣泡在超聲波的影響下在顆粒表面不斷振動、生長和塌陷，產生局部的正負壓交替，促使顆粒膨脹和收縮。此外，氣泡不對稱的坍縮產生微射流，在米粒表面形成沖擊力，高速穿透界面，這在一定程度上破壞和松動了米粒的淀粉顆粒。在干燥方面，表面的裂紋和孔洞可以促進水分的遷移，加快水分的蒸發，從而縮短干燥時間。

從大米截面來看，UT處理顯著影響米粒內部淀粉顆粒的形態。如圖7（a）所示，在未經處理的大米中，可以清晰地觀察到多邊形的淀粉顆粒，這是其常見的結構形態。這些顆粒具有致密的結構特征，限制水分的吸收，從而降低蒸煮時的糊化程度。相比之下，UT處理后的樣品中淀粉顆粒呈現晶體狀，并且松散地堆積在籽粒中，大多顯示為不太明確的多邊形邊界，如圖7（b）所示。這導致相鄰的淀粉顆粒分離，形成內部均勻的復合團簇，SEM圖像也顯示顆粒尺寸有所減小。

UT處理導致樣品表面出現裂縫，進而引發破裂和淀粉的浸出。SEM圖片顯示，這一處理使大米的內部結構變得更為松散，如圖7（b）所示，并促使大米中的蛋白質發生水解。這一變化導致蛋白質含量降低，從而減弱蛋白質與直鏈淀粉之間的相互作用，進而促使淀粉分子內部的氫鍵和凝膠網絡的形成［26］，這不僅改善了大米的黏彈性口感，還優化了外觀［27］。

另外，UT處理會使得大米的硬度降低（Plt;0.05），這與其咀嚼性有直接關系，意味著咀嚼大米所需的能量減少，從而使UT處理的大米具有更好的咀嚼性。此外，UT處理還能改善大米的糊化性能，使煮熟的大米擁有更好的質地。

3 結論

1）" 探究超聲—微波處理對稻米整體質量的影響，如顏色、質構特性和微觀結構。分析大米在不同干燥條件下的顏色變化、風味特征、口感以及整體接受度。利用色差儀對大米顏色的變化進行詳細觀察，并通過TPA試驗，對不同干燥條件下大米的質構特性進行深入分析。此外，通過SEM觀察分析超聲波處理如何在大米內部產生微觀通道，以促進水分的傳遞和加快干燥過程。

2） 通過TPA試驗發現，在300-50-3的干燥條件下，大米的硬度最低，為1005.92g，表明較低的超聲波強度與較長的干燥時間有助于保持大米的柔軟質地。在200-40-3的干燥條件下，大米的彈性最高，為0.679 94，說明在這一條件下，大米保持較好的結構完整性。顏色分析顯示，顏色較深的大米在風味和口感上更受歡迎，這可能與干燥過程中稻谷內物質的變化有關。并且通過響應面方法的優化分析，確定超聲波—微波聯合處理的最佳條件為超聲功率240 W下超聲處理46min之后微波干燥3min。這種處理方法顯著縮短大米的干燥時間，而且改善大米的整體品質。

3） 超聲波處理可以在稻米內部產生微觀通道，加快水分傳遞過程，同時配合微波干燥可以縮短干燥時間，并且彌補微波干燥不均的缺點。在蒸煮過程中，稻米內部的微觀通道，可以促進水分吸收，進一步加速淀粉糊化，使米飯質地更柔軟。超聲波處理淀粉分子失去蛋白質屏障，隨著蛋白質含量降低，淀粉糊化升高，米飯的硬度降低，黏度和彈性上升。總之，通過超聲—微波處理可以一定程度上減少干燥時間，還可以改善大米的整體品質。

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