羅春興，唐 正，陳嘉睿，史健偉，闞立民，張紫恒，曹龍奎，張吉軍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，黑龍江大慶 163319）

稻谷是我國(guó)三大谷物之一，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[1-2]，2017年全國(guó)糧食總產(chǎn)量為61 791×104t，稻谷產(chǎn)量為20 856×104t，稻谷產(chǎn)量的占比約為33.75%；2018年全國(guó)糧食總產(chǎn)量為65 789×104t，稻谷產(chǎn)量為21 213×104t，稻谷產(chǎn)量的占比約為32.24%。從2017、2018兩年的數(shù)據(jù)可以看出，我國(guó)水稻產(chǎn)量在糧食總產(chǎn)量中基本達(dá)到1/3，因此稻谷生產(chǎn)在國(guó)家糧食安全中占有重要地位。國(guó)內(nèi)約60%的地區(qū)和人口以大米為主食[3]。隨著生活水平的逐年提高，高品質(zhì)稻谷在我國(guó)糧食消費(fèi)中將受到越來越多的青睞。

稻谷在我國(guó)種植分布廣泛，南北均有分布，南方的暖濕氣候條件適合稻谷種植。收獲后的稻谷貯藏是要解決的最后一公里問題。南方稻谷一般在夏季高濕環(huán)境下收獲，稻谷的含水率較高；而北方地區(qū)一般在較干燥的秋季收獲，稻谷含水率相對(duì)低一些，但都遠(yuǎn)高于安全水分。如果大批量稻谷收獲后不能及時(shí)干燥到安全水分將會(huì)產(chǎn)生霉變；干燥過程的不合理方法也將會(huì)使稻谷在貯藏過程中產(chǎn)生品質(zhì)劣變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年收獲的糧食中由于干燥不及時(shí)導(dǎo)致霉變的損失量占全年谷物總產(chǎn)量的1.5%～3.0%。南方雨季較長(zhǎng)的省份這一比例可高達(dá)10%[4]。因此，收獲后的稻谷進(jìn)行及時(shí)干燥處理已經(jīng)成為稻谷產(chǎn)后加工的必要環(huán)節(jié)。合理有效的干燥技術(shù)是解決稻谷貯藏最后一公里問題的核心手段。

隨著我國(guó)稻谷行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，相應(yīng)的稻谷干燥機(jī)械、干燥技術(shù)得以快速發(fā)展并取得了很大進(jìn)步。目前，稻谷干燥技術(shù)主要包括熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽(yáng)能干燥等方法；稻谷干燥應(yīng)用最成熟的干燥方法是熱風(fēng)干燥，但是熱風(fēng)干燥能耗高、效率較低，對(duì)環(huán)境污染具有一定影響?！氨Ｗo(hù)環(huán)境、節(jié)約能源”成為我國(guó)未來長(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略，因此發(fā)展節(jié)能、綠色干燥技術(shù)是適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)糧食干燥可持續(xù)發(fā)展的重要手段。微波干燥是一種節(jié)能、綠色干燥技術(shù)，研究對(duì)稻谷微波干燥原理、現(xiàn)狀及基本試驗(yàn)研究進(jìn)行闡述。

1 微波干燥技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

微波是一種波長(zhǎng)范圍為1～1 000 mm，頻率范圍為3.0×102-3.0×105MHz的高頻電磁波。微波干燥原理是依靠以每秒幾億次速度進(jìn)行周期變化的微波透入物料內(nèi)，與物料的極性分子相互作用，物料中的極性分子（如水分子）吸收了微波能量后，改變了其原有的分子極性，以同樣的高速度作電場(chǎng)極性運(yùn)動(dòng)，致使極性分子間頻繁碰撞而產(chǎn)生大量的摩擦熱，在宏觀上表現(xiàn)為物料的溫度升高，進(jìn)而發(fā)生水分的蒸發(fā)，使物料失水從而得到干燥的目的[5]。與傳統(tǒng)干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、清潔生產(chǎn)、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高干燥質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此，在糧食干燥、化工、冶金、食品加工、農(nóng)產(chǎn)品干燥、保鮮與包裝、殺菌殺蟲等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。

2 稻谷微波干燥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在稻谷微波干燥領(lǐng)域進(jìn)行了很多有價(jià)值的研究。Kim S S等人[7]研究了微波干燥中水分的擴(kuò)散，Ofol I等人[8]模擬了微波干燥中食品熱力學(xué)參數(shù)的變化，T T Chen等人[9]研究了微波與熱風(fēng)組合干燥過程中的熱量和質(zhì)量傳遞。國(guó)內(nèi)針對(duì)不同類型稻谷的微波干燥研究主要集中在干燥特性、干燥工藝參數(shù)優(yōu)化、干燥品質(zhì)、干燥工藝流程、干燥滅菌等方面。

王俊等人[10]對(duì)粳稻的微波干燥特性及品質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，稻谷微波干燥時(shí)的整個(gè)失水過程和溫度變化過程都分為2個(gè)階段，微波干燥貯藏3—6個(gè)月后稻谷內(nèi)脂肪酸含量比熱風(fēng)干燥的低，表明微波干燥稻谷有利于長(zhǎng)時(shí)間貯藏。于秀榮等人[11]對(duì)粳稻種子糧進(jìn)行了微波干燥試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，低功率、長(zhǎng)流程的工藝條件干燥稻谷，可在降低水分的同時(shí)，保證稻谷的種用品質(zhì)及爆腰率增加值低于5%，適宜的干燥功率和干燥時(shí)間是保證稻谷干燥效果的主要條件。朱德文[12]通過微波干燥粳稻的試驗(yàn)研究，證實(shí)了當(dāng)?shù)竟任⒉ǜ稍锕β省?.2 W/g，溫度為50℃，平均失水率為0.1%/min時(shí)，可確保稻谷干燥后的品質(zhì)和較高的發(fā)芽率，并減少稻谷干燥的爆腰率和降低脂肪酸含量，便于稻谷長(zhǎng)期貯藏。張習(xí)軍等人[13]研究了微波處理對(duì)粳稻品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，稻谷經(jīng)微波處理后，溫度呈線性上升，不同的微波處理?xiàng)l件對(duì)稻谷品質(zhì)的影響有差異，適宜的微波條件對(duì)碎米率、爆腰率影響較小。梁禮燕[14]對(duì)熱風(fēng)和微波干燥粳稻的干燥特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，微波功率越大，稻谷的爆腰率增大，發(fā)芽率和整精米率下降。相對(duì)連續(xù)微波干燥，間歇干燥明顯提高了稻谷干燥后的品質(zhì)。楊慧萍等人[15]以微波、熱風(fēng)2種方式，在低溫45℃和高溫65℃恒溫干燥工藝條件下處理粳稻，并與自然風(fēng)干對(duì)照組比較試驗(yàn)。結(jié)果表明，低溫時(shí)微波和熱風(fēng)干燥處理與自然風(fēng)干對(duì)照組相比，改善了稻谷品質(zhì)。高溫時(shí)，微波和熱風(fēng)干燥處理與自然風(fēng)干對(duì)照組相比，稻谷品質(zhì)受損，不利于后期的貯藏及食用。上述研究者進(jìn)行微波干燥研究采用的設(shè)備主要為微波爐或微波化學(xué)反應(yīng)器或微波干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這些試驗(yàn)設(shè)備所能提供的微波功率較低、干燥稻谷量較少，與實(shí)際生產(chǎn)存在一定的差距。

鄭先哲，王磊，于潔等人[16-18]針對(duì)活性米在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行了干燥深入研究，取得了較好效果。張斌等人[19]研究了不同微波有效功率下高水分稻谷的微波干燥特性，以及微波處理對(duì)稻谷加工品質(zhì)及微生物量的影響。結(jié)果表明，適宜的微波處理在保障高水分稻谷加工品質(zhì)的前提下，可顯著縮短干燥時(shí)間，并獲得高質(zhì)量的殺菌效果。劉雅婧等人[20]以熱風(fēng)干燥法為對(duì)照，研究了微波干燥對(duì)高水分稻谷中脂肪酶、脂肪氧化酶和過氧化物酶活性的影響。結(jié)果表明，微波處理對(duì)稻谷脂肪酶、脂肪氧化酶和過氧化物酶的反應(yīng)最適溫度和熱穩(wěn)定性、最適pH值和pH值穩(wěn)定性均有影響。雖然這些研究采用的是連續(xù)式微波干燥設(shè)備，但干燥方式不是間歇式的。通過大型連續(xù)式微波干燥設(shè)備進(jìn)行間歇式的稻谷微波干燥未見公開報(bào)道，研究將在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行間歇式的稻谷微波干燥特性試驗(yàn)。

3 稻谷在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上的“間歇式”干燥試驗(yàn)研究

3.1 材料與方法

3.1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)用水稻品種為墾粳1501號(hào)品種，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。由于試驗(yàn)是在非收獲季節(jié)進(jìn)行的，因此所用水稻為較干燥的水稻。水稻在干燥試驗(yàn)前要先進(jìn)行除雜處理，然后進(jìn)行噴濕處理，使水稻含水率達(dá)到收獲時(shí)的含水率。

隧道式微波干燥機(jī)，甘肅天水華圓制藥設(shè)備有限公司產(chǎn)品；電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品；水分分析儀，奧豪斯常州儀器有限公司產(chǎn)品；精密電子天平，普利塞斯上海天美天平儀器有限公司產(chǎn)品；便攜式紅外測(cè)溫儀等設(shè)備。

3.1.2 試驗(yàn)因素水平的選取

采用單因素試驗(yàn)方法，在排濕風(fēng)速為1.45 m/s的條件下，選取微波強(qiáng)度（W/g）、每循環(huán)干燥時(shí)間（min）2個(gè)因素，每個(gè)影響因素選取5個(gè)水平值。微波強(qiáng)度分別取 2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g；每循環(huán)干燥時(shí)間分別取1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min，通過改變干燥機(jī)傳送帶速度來改變干燥時(shí)間。試驗(yàn)微波功率5 kW，采用特制干燥盒稱取定量物料進(jìn)行干燥。

3.1.3 試驗(yàn)方法

固定每循環(huán)干燥時(shí)間、排濕風(fēng)速不變，改變微波強(qiáng)度，研究微波強(qiáng)度對(duì)于稻谷干燥特性的影響；固定每微波強(qiáng)度、排濕風(fēng)速不變，改變每循環(huán)干燥時(shí)間，研究每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于稻谷干燥特性的影響。干燥試驗(yàn)中采用間歇式的干燥方式（干燥與不干燥交替進(jìn)行），可以更好地保證稻谷的干燥品質(zhì)。

3.1.4 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

（1） 稻谷初始含水率的測(cè)定。采用105℃烘箱法進(jìn)行干燥前物料初始含水率的測(cè)定，測(cè)定3次，取平均值。測(cè)得試驗(yàn)稻谷的初始含水率約為25.97%。

（2）稻谷實(shí)時(shí)含水率的測(cè)定。以干燥過程中物料干物質(zhì)保持不變的原理為依據(jù)，通過測(cè)量每次干燥循環(huán)后的稻谷質(zhì)量，計(jì)算出稻谷實(shí)時(shí)含水率。

（3）物料溫度的測(cè)定。采用便攜式紅外測(cè)溫儀測(cè)定物料溫度，每循環(huán)干燥結(jié)束后從連續(xù)式微波干燥機(jī)出料口處測(cè)物料溫度，操作要規(guī)范迅速。采用測(cè)溫儀測(cè)定稻谷中層的中心和同一層面上離中心等距的周邊4個(gè)點(diǎn)的溫度，然后取平均值作為稻谷溫度。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)稻谷干燥特性的影響

在風(fēng)速1.45 m/s，微波強(qiáng)度2.98 W/g的不變條件下，選取每循環(huán)干燥時(shí)間分別為1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min進(jìn)行循環(huán)干燥試驗(yàn)。

不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷含水率變化曲線見圖1。

由圖1可知，在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng)。隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加，干燥循環(huán)次數(shù)明顯減少。原因在于，隨著干燥時(shí)間的增加，使得微波輻照物料上的時(shí)間增加，熱量累積快速增加，水分蒸發(fā)加快。由圖1可知，當(dāng)干燥時(shí)間為6.25 min時(shí)，干燥1次循環(huán)水分下降到約15.85%；干燥2次循環(huán)水分下降到約7.4%；當(dāng)干燥時(shí)間為8.33 min時(shí)，干燥1次循環(huán)水分下降到約12.34%?？梢姡@2種干燥時(shí)間使物料水分下降過快，不利于保證稻谷原有的品質(zhì)。

不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷籽粒溫度的變化曲線見圖2。

圖1 不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷含水率變化曲線

圖2 不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷籽粒溫度的變化曲線

由圖2可知，在不同的每循環(huán)干燥時(shí)間下，稻谷籽粒溫度首先快速增加，然后緩慢增加，溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。原因在于干燥初期，稻谷吸收微波能力強(qiáng)，溫度增加快；在干燥中后期，水分蒸發(fā)吸熱與稻谷吸收微波能產(chǎn)熱大致平衡，溫度趨于穩(wěn)定。不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于溫度的變化幅度有差異性影響，干燥時(shí)間超過2.0 min時(shí)溫度升高較快，最高溫度變化幅度不超過5℃，最高溫度不超過61℃?？傮w溫度不算高的原因主要是采用“間歇式”的干燥方式，間歇階段稻谷水分得到一定的平衡，稻谷溫度有所下降，再進(jìn)行干燥時(shí)溫度增加的幅度減小，因此總體稻谷最高溫度不算高，這有利于保持稻谷原有的品質(zhì)。

3.2.2 微波強(qiáng)度對(duì)稻谷干燥特性的影響

在風(fēng)速1.45 m/s、每循環(huán)干燥時(shí)間為2.0 min的條件下，選取微波強(qiáng)度分別為2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g進(jìn)行循環(huán)干燥試驗(yàn)。

不同微波強(qiáng)度下稻谷含水率變化曲線見圖3。

圖3 不同微波強(qiáng)度下稻谷含水率變化曲線

由圖3可知，在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著微波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，但是變化存在差異性。微波強(qiáng)度為2.08，2.98，3.97 W/g時(shí)降水幅度變化顯著；當(dāng)微波強(qiáng)度增大到4.97，5.87 W/g時(shí)，降水幅度變化不顯著。原因主要在于，微波強(qiáng)度為2.08，2.98，3.97 W/g時(shí)干燥的稻谷量較多，吸收微波能力強(qiáng)，降水較快；當(dāng)微波強(qiáng)度為4.97，5.87 W/g時(shí)干燥的稻谷量偏少，吸收微波能力較弱，降水變緩。

不同微波強(qiáng)度下稻谷籽粒溫度的變化曲線見圖4。

圖4 不同微波強(qiáng)度下稻谷籽粒溫度的變化曲線

由圖4可知，在不同微波強(qiáng)度下，稻谷籽粒溫度變化首先快速增加，然后緩慢增加。溫度變化也可分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強(qiáng)度對(duì)于溫度的變化幅度有一定影響，但是差異性不顯著，最高溫度變化幅度不超過8℃，最高溫度不超過66℃?？傮w溫度變化的原因與圖2變化原因基本一致。

4 結(jié)論

（1）在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行間歇式干燥稻谷是可行的。在微波干燥過程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng)，稻谷含水率下降幅度隨著微波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，但是變化存在差異性。

（2）在不同微波強(qiáng)度、不同每循環(huán)干燥時(shí)間條件下，稻谷籽粒溫度先是快速增加，然后是緩慢增加。溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強(qiáng)度、不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于溫度的變化幅度有一定影響，但是存在差異性，物料最高溫度整體不算高，表明“間歇式”的微波干燥對(duì)于減緩稻谷干燥過程中的溫升具有積極作用，進(jìn)而對(duì)于保證稻谷原有品質(zhì)有利。