魏忠彩，孫傳祝，蘇國粱，石東岳，王法明

(山東理工大學(xué) a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255091)

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紅外玉米穗干燥試驗研究

魏忠彩a，孫傳祝b，蘇國粱b，石東岳b，王法明b

(山東理工大學(xué) a.農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255091)

摘要：為研究紅外輻射干燥條件下收獲期玉米穗干燥的水分遷移規(guī)律，利用自制紅外玉米穗干燥試驗臺對玉米穗進(jìn)行了恒溫和變溫干燥試驗，探討了多種溫度條件下玉米穗的紅外輻射干燥特性及對干燥后玉米穗外觀品質(zhì)的影響規(guī)律。結(jié)果表明:初始含水率、干燥溫度、干燥用時和輻射距離是影響玉米穗干燥效率和外觀品質(zhì)的主要因素；當(dāng)恒溫干燥玉米穗的干燥溫度為58℃、輻射距離為150mm時，干燥速率達(dá)2.25%/h，且玉米籽粒的外觀品質(zhì)最好；變溫干燥玉米穗時，較佳的干燥溫度范圍為55～65℃，且采用逐漸升溫干燥時的干燥品質(zhì)較好。本研究為研制紅外輻射玉米穗干燥機(jī)研發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紅外；玉米穗；恒溫干燥；變溫干燥

0引言

玉米是國內(nèi)重要的糧食作物，其種植面積僅次于小麥和水稻，已經(jīng)成為一種可再生綠色能源作物[1]。玉米收獲時含水率較高，收獲后的干燥問題是確保玉米安全儲藏的一個重要環(huán)節(jié)。因此，近年來國內(nèi)外高校和科研機(jī)構(gòu)圍繞玉米的干燥技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了大量研究與探索[2-6]。

目前，常用的玉米干燥方法有太陽能、熱風(fēng)和真空冷凍干燥等；但往往受自然條件的限制或易產(chǎn)生“爆腰”等現(xiàn)象，影響干玉米的感官品質(zhì)，或工藝復(fù)雜、成本較高，用戶難以接受。而紅外輻射加熱技術(shù)由于可對物料內(nèi)外同時加熱、脫水效率高、清潔無污染，已逐漸成為國內(nèi)外干燥技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[7、8]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于紅外輻射加熱技術(shù)的研究與應(yīng)用主要集中在果蔬干制[9-11]和藥材加工[12]等方面；而關(guān)于玉米穗干燥方面的研究、特別是利用紅外輻射加熱技術(shù)對玉米穗實施干燥方面的研究尚未見報道。因此，筆者研制了一種紅外玉米穗干燥試驗臺，并利用該試驗臺對收獲期玉米穗進(jìn)行了試驗研究。

1試驗臺結(jié)構(gòu)及原理

1.1試驗臺基本結(jié)構(gòu)

自行研制的紅外玉米穗干燥試驗臺主要由箱體、傳動裝置、輸送裝置、輻射裝置、托料裝置、料斗及出料口等組成，如圖1所示。料斗設(shè)置在試驗臺頂部一端，出料口設(shè)置在試驗臺同一端底部，箱壁內(nèi)設(shè)有保溫層。箱體內(nèi)沿長度方向設(shè)有帶撥料桿的雙面輸送裝置，并通過傳動裝置驅(qū)動運(yùn)轉(zhuǎn)。輸送裝置的上、下兩段直線段下方設(shè)有表面帶凹凸?fàn)罨y的托料裝置，上方設(shè)有高低可調(diào)的輻射裝置，并單方向朝著托料裝置向下輻射紅外線。箱體內(nèi)紅外輻射裝置下方設(shè)有溫度傳感器，以便在線測量紅外輻射元件的輻射溫度。

1.料斗　2.張緊裝置　3.出料口　4.箱體　5.輻射裝置

1.2試驗臺工作原理

試驗前，設(shè)定輸送速度、輻射距離、加熱溫度后，紅外輻射加熱管通電，當(dāng)箱體內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定時，啟動傳動裝置通電；并通過鏈條帶動撥料桿運(yùn)行。試驗時，從料斗加入的玉米穗有序進(jìn)入輸送裝置相鄰的兩撥料桿之間，并承托在托料裝置上吸收紅外輻射熱。由于托料裝置上表面設(shè)有凹凸?fàn)罨y，玉米穗在與托料裝置之間摩擦力的作用下邊滾邊滑，因此能夠保證玉米穗各處籽粒均勻地吸收熱量，迫使玉米穗內(nèi)部水分向外溢出。與此同時，向外溢出的玉米穗內(nèi)部水分通過設(shè)置在箱體頂部和底部的通氣孔向外對流散失。當(dāng)玉米穗運(yùn)行至托料裝置末端時，由于失去支承而沿導(dǎo)料槽落到下面輸送裝置相鄰的兩撥料桿之間，并承托在下面的托料裝置上，朝著與初始運(yùn)行方向相反的方向運(yùn)行。玉米穗經(jīng)一次干燥從出料口流出后，若含水率未達(dá)到要求可再次加入料斗重復(fù)干燥，直到達(dá)到最佳脫粒含水率為止。

2材料與方法

2.1試驗材料及試驗設(shè)備

試驗用收獲期玉米穗購自于淄博市農(nóng)田，要求新采摘無霉變，購買后帶皮儲藏于冰箱5℃環(huán)境下。試驗設(shè)備包括自行研制的紅外玉米穗干燥試驗臺(見圖1)、美國康州HZ的HZQ-A10000電子天平和自行研制的紅外干燥試驗箱。

2.2試驗方法

2.2.1處理方法

取出冰箱中玉米穗放置室溫環(huán)境下，待玉米穗恢復(fù)至常溫后剝皮。

2.2.2試驗方法

將處理好的玉米穗每次取20個，從每個玉米穗上取少許籽粒放入料盤中稱重，在紅外干燥試驗箱中測定新鮮玉米穗初始含水率；將玉米穗加入已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度的紅外玉米穗干燥試驗臺箱體內(nèi)進(jìn)行干燥，每出料一次按照上述方法取樣測定落料后玉米穗的含水率；重復(fù)以上步驟，直到玉米穗干燥至最佳脫粒含水率范圍內(nèi)停止。

2.2.3試驗方案

影響收獲期玉米穗紅外干燥特性的因素主要有輻射溫度、初始含水率、輻射距離及干燥用時等。本文研究多種溫度條件下玉米穗的紅外輻射干燥特性，對比玉米穗在恒溫和變溫條件下紅外輻射干燥后的含水率變化規(guī)律及外觀品質(zhì)，探索玉米穗紅外輻射干燥條件下的最優(yōu)參數(shù)。

2.3測定指標(biāo)及其計算方法

1)初始含水率的測定。

筆者按照GB5009.3-2010的要求，對所采購的收獲期玉米穗測定的含水率如表1所示。玉米穗籽粒取樣稱重后放入紅外干燥試驗箱中干燥，每隔30min稱重1次，直至兩次質(zhì)量相差值小于0.1g時，認(rèn)定為玉米籽粒為絕干狀態(tài)。同一次試驗的玉米籽粒取自同一農(nóng)田的不同玉米穗，用于水分測定的玉米穗均取自淄博市3個不同地區(qū)。

表1　收獲期玉米穗的含水率

2)玉米穗含水率為

wt=(Mt-Mc)/Mt

(1)

式中wt—玉米籽粒干燥至t時刻的含水率(%)；

Mt—玉米籽粒干燥至t時刻的質(zhì)量(kg)；

Mc—玉米籽粒絕干物質(zhì)的質(zhì)量(kg)。

3)玉米穗干燥速率為

vt=(wt-wt+1)/Tt

(2)

式中wt+1—玉米籽粒干燥至t+1時刻的含水率(%)；

Tt—t+1與t時刻之間的時間間隔(h)。

3結(jié)果與分析

干燥溫度是影響玉米穗干燥效率及干燥后品質(zhì)的首要因素。因此，試驗中首先在輻射距離為150mm、玉米穗單次干燥用時為60min的條件下，進(jìn)行了紅外玉米穗的恒溫干燥和變溫干燥試驗；然后，改變輻射距離后進(jìn)行了對比試驗，此選取幾組有代表性的試驗對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1恒溫干燥對干燥效果的影響

紅外玉米穗恒溫干燥試驗含水率變化規(guī)律及總干燥速率如表2所示，試驗NO4-NO7的含水率變化曲線如圖2所示。由于設(shè)定的單次干燥用時Ti=60min，玉米穗每從出料口流出測定1次含水率，因此測定含水率的時間間隔為60min。試驗NO1-NO3的干燥用時均為300min，而試驗NO4-NO7的干燥用時均為360min。

表2　紅外玉米穗恒溫干燥試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖2　紅外玉米穗恒溫干燥含水率變化曲線

由表2看出：試驗NO1-NO4干燥5次后的含水率已達(dá)到或接近玉米穗的最佳脫粒含水率18%[13]，干燥速率也顯著高于其它試驗。這說明干燥溫度越高，干燥用時越少，干燥效率也越高。但試驗中發(fā)現(xiàn)，試驗NO1-NO4干燥后產(chǎn)生大量裂紋，并伴隨有明顯的變紅、甚至變黑等顏色變化，因此不能滿足實際生產(chǎn)需要。由表2和圖2看出：試驗NO6和NO7雖然在干燥后無任何裂紋和顏色變化，但經(jīng)6次干燥后含水率分別為26.5%、26.9%，仍未達(dá)到玉米穗的最佳脫粒含水率要求，且干燥效率過低，因此也無法滿足實際生產(chǎn)需要。試驗NO5即干燥溫度為58℃時，6次干燥后含水率已達(dá)到最佳脫粒含水率要求，干燥速率達(dá)2.25%/h，不僅干燥效率高，而且干燥后的玉米穗品質(zhì)好。因此認(rèn)為， 紅外玉米穗恒溫干燥時較佳干燥溫度為58℃。

3.2變溫干燥對干燥效果的影響

紅外玉米穗變溫干燥試驗含水率變化規(guī)律及總干燥速率如表3所示，試驗NO9和NO13的含水率變化曲線如圖3所示。變溫干燥試驗過程中，玉米穗每干燥1次即重新設(shè)定干燥溫度，測定含水率的時間間隔仍為60min。試驗NO8、NO9、NO11和NO13的干燥用時均為360min，試驗NO10和NO12的干燥用時均為420min。

由表3和圖3可見：試驗NO13干燥360min后含水率下降了13.4%，干燥速率為2.23%/h；而試驗NO9含水率僅下降了9.7%，干燥速率為1.62%/h，說明紅外干燥玉米穗升溫干燥比降溫干燥脫水速率更快。試驗NO11和NO12均為升溫干燥，但前者比后者提前60min達(dá)到玉米穗最佳脫粒含水率，進(jìn)一步說明了干燥溫度對干燥效率的影響程度。試驗NO11和NO8干燥60min后均達(dá)到了玉米穗的最佳脫粒含水率18%，但試驗NO11玉米穗未產(chǎn)生裂紋和顏色變化，而試驗NO8雖然玉米穗籽粒的顏色變化不明顯，發(fā)現(xiàn)少量裂紋。因此，認(rèn)為采用紅外變溫干燥時，其溫度范圍在55～65℃內(nèi)，且為逐漸升溫變化時干燥效果較好。

表3　紅外玉米穗變溫干燥試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖3　紅外玉米穗變溫干燥含水率變化曲線

3.3輻射距離對干燥效果的影響

圖4為不同輻射距離、58℃恒溫干燥時的含水率變化曲線，干燥60min后的含水率分別為15.9%、17.8%和19.8%。

圖4　不同輻射距離時含水率變化曲線

由圖4可以看出：輻射距離為140mm時干燥效率最高，說明輻射距離越近干燥效率越高，但干燥后玉米籽粒產(chǎn)生裂紋，且伴有顏色變化；而輻射距離為160mm時雖然干燥品質(zhì)好，但含水率尚未達(dá)到最佳脫粒含水率。因此，較佳的輻射距離為150mm左右。

4結(jié)論

1)初始含水率、干燥溫度、干燥用時和輻射距離是影響玉米穗干燥效率和外觀品質(zhì)的主要因素，相同干燥溫度時初始含水率越高，玉米穗越容易產(chǎn)生“爆腰”或者顏色變化。

2)玉米穗采用恒溫紅外干燥時，干燥溫度為58℃、輻射距離為150mm時的干燥速率達(dá)2.25%/h，且玉米籽粒的外觀品質(zhì)最好。

3)玉米穗采用變溫紅外干燥時，較佳的干燥溫度范圍為55～65℃，且采用逐漸升溫干燥時的干燥品質(zhì)較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]周聰，王新華.中國玉米產(chǎn)量主要影響因素的協(xié)整分析[J].糧食科技與經(jīng)濟(jì)，2014，39(1)：9-12.

[2]任麗輝，趙學(xué)工，王赫，等.玉米平流薄層干燥特性研究[J].糧食加工，2014，39(2)：65-66.

[3]趙罘.筒式玉米干燥機(jī)烘干過程的計算機(jī)模擬[J].北京工商大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29(3)：55-58.

[4]曹崇文.玉米干燥中應(yīng)力裂紋的生成、擴(kuò)展、檢測和預(yù)防分析[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2009，7(4)：153-158.

[5]董宏宇.谷物干燥的紅外輻射陶瓷材料及紅外干燥機(jī)理研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[6]Jyoti Hundal, Pawan Singh Takhar.Experimental study on the effect of glass transition on moisture profiles and stress-crack formation during continuous and time-varying drying of maize kernels[J].Biosystems engineering, 2010, 106(2): 156-165.

[7]高揚(yáng)，解鐵民，李哲濱，等.紅外加熱技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].食品與機(jī)械，2013，29(2)：218-222.

[8]李樹君，林亞玲，潘忠禮.紅外技術(shù)用于農(nóng)產(chǎn)品滅酶和脫水干燥的研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39(6)：109-112.

[9]Hasan T.Simple modeling of infrared drying of fresh apple slices[J].Journal of Food Engineering, 2005, 71(3): 311-323.

[10]張麗麗，王相友．紅外輻射加熱蒜片的薄層干燥特性研究[J].食品科技，2013，38(11)：87-90.

[11]曾目成，畢金峰，陳芹芹，等.獼猴桃切片中短波紅外干燥特性及動力學(xué)模型[J].現(xiàn)代食品科技2014，30(1)：153-159，199.

[12]劉云宏，朱文學(xué)，劉建學(xué)．地黃真空紅外輻射干燥質(zhì)熱傳遞分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(10)：135-140.

[13]王長春，馮衛(wèi)東，盧賢繼.兩級干燥工藝在玉米種子收獲中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1998，29(2)：179-180.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0247-EA

Research on the Experiment of Infrared Corncob-drying

Wei Zhongcaia, Sun Chuanzhub, Su Guoliangb, Shi Dongyueb, Wang Famingb

(a.School of Agricultural and Food Engineering；b.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255091,China)

Abstract：With the aim to research the moisture migration regularity of harvest corncob, isothermal or variable temperature experiments were done by using the self-made infrared corncob drying test-bed, which explored the infrared drying characteristics and the appearance quality. The results showed that the initial water content, drying temperature, drying time and radiation distance were the main factors which affected the drying efficiency and appearance quality; the drying efficiency could be up to 2.25 %/h when the isothermal drying temperature was about 58℃and the radiation distance was about 150mm, and the quality of corn grain could be best; the better variable temperature range was 55～65℃, and the quality of the dried corn could be better if the drying temperature was gradually improved. It could lay a good foundation for infrared radiation corncob dryer.

Key words：infrared; corncob; isothermal drying; variable temperature drying

文章編號：1003-188X(2016)01-0247-04

中圖分類號：S375；S226.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：魏忠彩(1990-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)weizc2011sdut@163.com。通訊作者：孫傳祝(1959-),男，山東青島人，教授， (E-mail) suncz@sdut.edu.cn。

收稿日期：2014-12-17

專利項目：國家發(fā)明專利(201410227754.0)