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        稻谷真空干燥工藝參數(shù)對糙米爆腰增率的影響

        2019-12-21 02:52:12徐澤敏謝修鴻
        農(nóng)機(jī)化研究 2019年4期
        關(guān)鍵詞:糙米真空度稻谷

        徐澤敏,謝修鴻,牟 莉

        (長春大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130022)

        0 引言

        稻谷相較其他谷物而言難于去除內(nèi)部水分,由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,稻谷外部堅(jiān)硬的颕殼在干燥升溫過程中,將阻止熱量向內(nèi)部傳導(dǎo)及糙米內(nèi)部水分的由內(nèi)向外擴(kuò)散,溫度差、濕度差的產(chǎn)生,將導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大。如若干燥工藝參數(shù)選擇不適,會使糙米內(nèi)外溫度和濕度梯度產(chǎn)生較大變化,容易導(dǎo)致溶質(zhì)失散和食味感觀品質(zhì)降低以致爆腰的產(chǎn)生[1-3]。烘干時(shí),熱風(fēng)溫度不宜過高[4-6],否則易使糙米組分中淀粉糊化和變性,也極易發(fā)生蛋白質(zhì)、氨基酸變性,使應(yīng)力裂紋增大、爆腰粒增多[2,7]、大米品相差、食味品質(zhì)下降、深加工產(chǎn)品得率低,經(jīng)濟(jì)效益受到直接影響。因此,宜采用低溫緩蘇工藝,利用現(xiàn)代的智能技術(shù)手段,優(yōu)化干燥工藝參數(shù)組合,烘干出最佳的糙米品質(zhì)[4,8]。稻谷烘干是通過傳熱傳質(zhì)去除其內(nèi)部水分的過程,也是其水分由內(nèi)向外遷移從液相變?yōu)闅庀嗟淖兓^程[2,9]。在低溫真空條件下,可以加速反應(yīng)進(jìn)程且節(jié)能環(huán)保[10]。目前,應(yīng)用連續(xù)真空干燥技術(shù)烘干稻谷的報(bào)導(dǎo)甚少,主要受到裝備關(guān)鍵技術(shù)和成本的制約。

        筆者在全面實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上,利用二次正交旋轉(zhuǎn)組合方案,試圖建立以爆腰增率為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型,為探索稻谷低溫真空干燥工藝路線及真空干燥機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

        1 原材料、設(shè)備及試驗(yàn)檢測方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        選用吉林省種植的市場售新鮮粳稻,測試水分為22.1%,測爆腰率2.3%。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

        ZK—82A型真空干燥箱,工作溫度室溫~200℃,真空度267Pa;JA10002電子天平,精度為0.01g,最大荷載1 000g;202-3型電熱恒溫干燥箱,溫度為范圍5~300℃,控溫精度±1.0℃;CLS、JLG—1型礱谷機(jī),取樣量20~50g;谷物篩子,方孔2.0mm×2.0mm、1.0mm×1.0mm;分析盤、鑷子;放大鏡。

        1.3 試驗(yàn)檢測檢驗(yàn)方法

        稻谷的參數(shù)指標(biāo)依據(jù)GB5009.3-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中的水分測定方法 ,采用電熱烘干箱法測出含水量為22.1%。根據(jù)GB5496-85糧食、油料檢驗(yàn)糙米裂紋粒的檢驗(yàn)法,取50g稻谷用實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)脫殼后,不加挑選地取整粒糙米100粒放入分析盤中,用放大鏡進(jìn)行鑒別,用鑷子揀出有裂紋的米粒,揀出的粒數(shù)即爆腰率。測得新鮮粳稻爆腰率為2.3%。

        將含水量為22.1%的稻谷每組稱200g試樣,分為3組平行實(shí)驗(yàn),分別裝入網(wǎng)眼平底圓盒中,一起放入真空干燥箱里;打開閥門啟動(dòng)真空泵,使干燥箱內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定壓力并保持;然后,關(guān)閉閥門并進(jìn)行加熱,箱內(nèi)的溫度由溫控儀調(diào)溫控制。干燥開始后,每間隔20min稱1次質(zhì)量,直至達(dá)到所設(shè)定的干燥時(shí)間,3組試樣測定的數(shù)據(jù)取平均值。以稻谷的爆腰(裂紋)增率作為檢測指標(biāo),即真空干燥后測得的爆腰率減掉2.3%。

        2 二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

        本次試驗(yàn)是在玉米薄層真空干燥[9,11]和稻谷降水真空干燥試驗(yàn)[2,7]的基礎(chǔ)上,制定試驗(yàn)指標(biāo)和方案。以爆腰增率為目標(biāo)函數(shù)(Y),影響真空干燥工藝效果的參數(shù)主要有干燥溫度(V1)、真空度(V2)、干燥時(shí)間(V3)。為了確定影響主次和優(yōu)化參數(shù),采用了二次回歸旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì),三因素三水平,中心試驗(yàn)次數(shù)為9,總的試驗(yàn)次數(shù)為23,數(shù)學(xué)模型[12]為

        (1)

        正交試驗(yàn)的各變量關(guān)系和各水平編碼如表1所示。

        表1 試驗(yàn)因素各水平編碼關(guān)系表Table 1 Test factors each level coding relational table

        2.2 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)各因素的編碼數(shù)值組合對水分為22.1%的原稻谷進(jìn)行真空干燥,測得不同干燥參數(shù)影響下的爆腰增率(y)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。

        表2 二次正交旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測得數(shù)據(jù)Table 2 Design and data of quadrature orthogonal rotation experiment

        續(xù)表2

        150009.02160008.59170008.78180008.97190008.52200008.77210009.16220008.56230008.45

        2.3 統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)學(xué)模型的建立與檢驗(yàn)

        2.3.1 爆腰增率回歸模型的取得

        根據(jù)表1、表2變量關(guān)系試驗(yàn)方案測得的稻谷爆腰增率的測試數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法,用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS分析計(jì)算,得出編碼空間的回歸二次方程為

        y=8.8255+3.7448x1-0.5353x2+2.8324x3-

        0.145x1x2+1.354x1x3+0.57x2x3+

        (2)

        2.3.2 模型的顯著性分析

        獲得的二次回歸方程,用軟件同時(shí)進(jìn)行方差顯著性檢驗(yàn)及回歸系數(shù)|t|檢驗(yàn),結(jié)果如表3所示。表3數(shù)據(jù)表明:方程的回歸性明顯,證明模型(2)與實(shí)際真空干燥測得的結(jié)果有較好的擬合。

        為此,二次回歸方程式(2)可作為稻谷爆腰增率編碼空間的數(shù)學(xué)模型。

        表3 方程的回歸系數(shù)檢驗(yàn)檢測表Table 3 The regression coefficient of equation is tested

        續(xù)表3

        3 影響爆腰增率的因素分析

        通過對數(shù)學(xué)模型(2)進(jìn)行降維應(yīng)用分析,確定各參數(shù)之間的相互作用關(guān)系對稻谷爆腰增率的影響,通過圖形來分析說明。

        3.1 干燥時(shí)間對爆腰增率的作用

        以編碼模型為分析對象,針對真空度和干燥溫度處于因素水平中間3個(gè)區(qū)間時(shí)進(jìn)行對比作圖分析。圖1顯示了干燥溫度為恒溫40℃時(shí)干燥時(shí)間對爆腰增率的影響。由圖1可知:隨著干燥時(shí)間的延長,爆腰粒在增多;不同真空度下,爆腰增率有些許變化,真空度越大,稻谷爆腰增率越小,但隨干燥時(shí)間的增加,減小的幅度越來越小最后趨于一致。因此,干燥加熱時(shí)間對稻谷爆腰影響較大,大于真空度對其的影響,應(yīng)盡量縮短干燥時(shí)間;但在溫度不變的條件下,干燥稻谷到安全水分,如若縮短烘干時(shí)間,就要相應(yīng)地提高真空度。

        圖1 干燥時(shí)間影響曲線Fig.1 The drying time affects the curve

        3.2 真空度對爆腰增率的作用

        圖2為干燥時(shí)間4h時(shí)3種不同溫度下真空度對稻谷爆腰增率的影響曲線。由圖2可知:隨著真空度的增大,爆腰增率在緩慢減小,3條曲線斜率皆較小,真空度對其影響較弱;而3條曲線間隔較大,溫度對其影響較明顯,尤其45℃曲線與40℃間隔更大,爆腰粒更多,說明干燥溫度不宜過高。

        圖2 真空度影響曲線Fig.2 The vacuum degree affects the curve

        3.3 干燥溫度對爆腰增率的作用

        圖3所示為真空度0.05MPa時(shí)不同的干燥時(shí)間條件下干燥溫度對爆腰增率的影響曲線。由圖3可知:爆腰增率隨干燥溫度的上升而顯著上升,同樣溫度下,干燥時(shí)間越長,爆腰粒越多;當(dāng)溫度低于35℃時(shí),3條曲線斜率較小,尤其干燥時(shí)間3h曲線幾乎處于水平,爆腰率無大變化;溫度高于45℃,曲線越陡峭,斜率越大。

        圖3 干燥溫度影響曲線Fig.3 The drying temperature affects the curve

        3.4 實(shí)驗(yàn)因素排序主次分析

        根據(jù)以上回歸模型的降維分析及回歸系數(shù)t檢測統(tǒng)計(jì)得出:稻谷真空干燥時(shí)應(yīng)力裂紋(爆腰)的程度受干燥時(shí)間、真空度和干燥溫度3個(gè)因素的交互作用;在實(shí)驗(yàn)區(qū)間范圍內(nèi),3因素對爆腰增率的作用由強(qiáng)至弱的次序可排列為:干燥溫度(x1)>干燥時(shí)間(x3)>真空度(x2)。

        4 結(jié)論

        1)利用正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)方法,建立了以干燥時(shí)間、真空度和干燥溫度為參數(shù)的稻谷爆腰增率的二次回歸模型,通過統(tǒng)計(jì)分析顯著性檢驗(yàn),確定模型的可行性。

        2)采用單因素降維分析,詮釋了三因素對稻谷爆腰增率的交互作用影響,繪制了三因素的影響圖表,直觀地反映出真空干燥過程中稻谷爆腰增率的指標(biāo)。

        3)利用t值檢驗(yàn)和圖表分析,確定了三因素對目標(biāo)函數(shù)的影響。影響稻谷爆腰增率的主次因素依序應(yīng)為干燥溫度、干燥時(shí)間、真空度;爆腰增率正相關(guān)于干燥溫度和干燥時(shí)間,負(fù)相關(guān)于真空度。

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