袁攀強 楊思成 趙會義 張洪清 田 琳張 浩 王 永 曹 陽

(武漢輕工大學(xué)1，武漢 430023) (國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院2，北京 100037) (青白江國家糧食儲備庫3，成都 610300) (四川廣漢精力倉儲設(shè)備制造有限公司4，德陽 618300)

稻谷是世界主要的糧食之一，世界人口的50%以稻谷為主糧。在我國，稻谷作為三大主糧之一，其產(chǎn)量僅次于玉米，居于第二位。2018年全國稻谷種植面積0.3億公頃，產(chǎn)量約2.1億t，種植面積及產(chǎn)量均居世界首位。稻谷收獲后的水分含量通常較高，此時稻谷自身呼吸旺盛，同時糧堆生物代謝活動強烈，若不及時處理，極易造成發(fā)熱、發(fā)芽、霉變等不良后果。我國因收獲后高水分稻谷來不及干燥而未達(dá)到安全儲存水分所導(dǎo)致在存儲、運輸、加工等環(huán)節(jié)的損失率高達(dá)5%[1]。

稻谷干燥是收獲后必經(jīng)的處理環(huán)節(jié)。稻谷是熱敏性高的谷物，不合理的干燥方式會使稻谷主要成分發(fā)生理化特性變化。因此，選擇有效、合適的干燥方式尤為重要。自然干燥目前是我國糧食干燥的主要方法，但自然干燥存在占地大、污染嚴(yán)重、招鼠雀、易受天氣影響等缺點，已不能滿足當(dāng)今稻谷干燥的發(fā)展需求。隨著農(nóng)業(yè)機械的長足發(fā)展，糧食烘干機逐漸普及，大型烘干機具有濕糧處理批量大、干燥效率高等優(yōu)點，但也存在費用高、設(shè)備利用率低等諸多問題，中國農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶較多，分散較廣，難以適應(yīng)這種集中烘干作業(yè)模式[2]。

國家糧食和物資儲備局科學(xué)研究院研發(fā)出一種新型糧食旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉[3]，該倉以機械通風(fēng)降水為依據(jù)，兼具獨特的旋轉(zhuǎn)功能，能一次性對大批量糧食進(jìn)行降水干燥。本實驗利用旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉、自然晾曬和循環(huán)式烘干機3種干燥模式對高水分稻谷進(jìn)行降水處理，探究旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉、自然晾曬干燥過程中稻谷水分變化規(guī)律，對3種方式處理后的稻谷品質(zhì)加以對比分析，以期為稻谷產(chǎn)后合理有效干燥方式的選擇提供借鑒和參考。

1 材料與儀器

1.1 實驗材料

2017年9月新收獲稻谷，品種為深兩優(yōu)5814，產(chǎn)地為成都市新津縣。稻谷初始水分23.11%，雜質(zhì)1.83%，出糙率76.36%。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

C4-72-11型離心風(fēng)機，101-1A電熱鼓風(fēng)干燥箱，JFSD-100粉碎機，JJSD型篩選器，JLG-1型礱谷機，JNM-III型碾米機，JXFM110錘式旋風(fēng)磨，HPS-250生化培養(yǎng)箱，JSWL大米食味測定儀，TH802A機械溫濕度計。

2 方法

2.1 干燥方式

2.1.1 旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥

實驗用旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，整倉共分為兩部分——倉體和底座，尺寸為長4.92 m寬3.00 m高3.45 m=50.92 m3，有效倉容21.27 m3。

按圖2所示連接旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉，離心風(fēng)機為壓入式風(fēng)機，利用帆布筒將風(fēng)機出口與連接彎管一端進(jìn)行軟連接，連接彎管的另一端對接旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉中心風(fēng)管。在進(jìn)行稻谷干燥時，空氣分別經(jīng)過風(fēng)機、帆布筒、彎管，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)倉中心風(fēng)管內(nèi)，在壓力差驅(qū)動下，空氣由風(fēng)管上通風(fēng)孔被強制送入倉內(nèi)，從而改變糧堆氣體介質(zhì)的參數(shù)，調(diào)整糧堆溫度、濕度，并與濕糧進(jìn)行濕熱交換，從而帶走糧食內(nèi)部的水分。

利用皮帶輸送機將9.80 t稻谷裝倉，裝載率85.6%。裝糧后，每天9:00—17:00共8 h進(jìn)行稻谷旋轉(zhuǎn)機械通風(fēng)干燥，倉體旋轉(zhuǎn)速度為3 min/r，每天8:30取樣測定稻谷水分。為了解旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉內(nèi)各位點稻谷水分變化情況，考慮到通風(fēng)倉旋轉(zhuǎn)特性，設(shè)定取樣點如圖3。

圖2 干旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉連接實物圖

圖3 稻谷取樣點示意圖

圖4 取樣檢測點分布圖

2.1.2 自然干燥

根據(jù)農(nóng)戶常用稻谷晾曬干燥的模式，適應(yīng)地形條件，將同批次濕稻谷平鋪于罩棚下的水泥地面。稻谷總質(zhì)量1.60 t，所占場地面積為97.05 m2，厚度約為0.04 m。每天8:30定時取樣檢測稻谷水分，檢測取樣點分布位置如圖4所示，設(shè)置6個取樣檢測點，分布于5個角及中心處，5個角的取樣點距兩鄰邊均為1 000 mm。依照農(nóng)民晾曬稻谷的傳統(tǒng)，每天9:00和14:00利用木耙各翻動1次，并在晾曬場地邊放置溫濕度計，每天9：00—17:00每個整點記錄環(huán)境溫度及相對濕度。

2.1.3 機械干燥

稻谷機械干燥利用谷王5HXG-15B型循環(huán)干燥機進(jìn)行10.00 t同品種、同批次濕稻谷的干燥，干燥機類型為橫流式循環(huán)烘干機，熱源為煤炭，利用生產(chǎn)生活中本烘干機設(shè)定的正常狀態(tài)進(jìn)行實驗。研究顯示，42 ℃及以上的溫度處理是引起谷物品質(zhì)劣變的界限溫度，為了較好地保證稻谷品質(zhì)，將熱風(fēng)溫度設(shè)定為42.0 ℃，烘干目標(biāo)水分設(shè)定為14.00%。

2.2 品質(zhì)測定

水分測定按GB 5009.3—2016進(jìn)行；爆腰率測定按照GB/T 5496—1985進(jìn)行；發(fā)芽率測定按照GB/T 5520—2011進(jìn)行；出糙率測定按照GB/T 5495—2008進(jìn)行；整精米率測定按照GB/T 21719—2008進(jìn)行；脂肪酸值測定按照GB/T 5510—2011進(jìn)行；食味值測定利用礱谷機將稻谷脫殼成糙米，利用食味計進(jìn)行測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 水分變化

3.1.1 旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥

根據(jù)各取樣點檢測的稻谷水分，取平均值，得到旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉內(nèi)稻谷水分變化趨勢。通過208 h的通風(fēng)干燥，稻谷水分從23.11%降至13.81%，共下降了9.30%，達(dá)到稻谷安全儲存水分，平均日降水量為0.33%。稻谷水分整體上呈勻速下降趨勢，對水分變化曲線進(jìn)行擬合，擬合方程為y=-0.343 1x+23.783，擬合度R2=0.986 4，擬合度高，表明稻谷水分呈線性變化趨勢。

為了解旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉內(nèi)各層稻谷水分變化趨勢，將取樣平面分為5層(點1、6、11、16、21、26為1層，……，點5、10、15、20、25、30為5層)。每層稻谷水分取平均值，得到各層稻谷水分變化曲線如圖5所示。

圖5 各層稻谷水分變化圖

1層稻谷降水速度最快，水分變化趨勢與2～5層差異明顯。干燥時長0～64 h時，1層水分下降速度快，在64～128 h之間下降速度變慢，通風(fēng)干燥128 h后，含水量基本維持在平衡狀態(tài)，在14.00%左右波動。2～5層水分含量差異小，下降趨勢基本相同。擬合1層稻谷水分變化曲線得到y(tǒng)=0.019 6x2-0.923x+24.828，擬合度R2=0.969 3，將2～5層稻谷每日水分取平均值，并擬合曲線得到y(tǒng)=-0.339 2x+24.216，擬合度R2=0.976 1，可見各層水分均按照一定規(guī)律下降。

將各層日降水量與環(huán)境溫度、相對濕度做相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉內(nèi)1～5層稻谷的日降水量僅有1層和2層水分與環(huán)境溫度呈正相關(guān)，3～5層呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性1層>3層>5層>4層>2層，且只有1層相關(guān)性顯著。1、2、4層稻谷日降水量與環(huán)境相對濕度呈負(fù)相關(guān)，3、5層呈正相關(guān)，相關(guān)性1層>2層>4層>5層>3層，且均不顯著。

表1 各層稻谷日降水量與環(huán)境溫濕度相關(guān)性分析結(jié)果

由圖6可見，由于干燥過程中稻谷體積變小、雜質(zhì)析出，稻谷裝載率逐漸變小，糧面高度逐漸下降，糧面距風(fēng)管中心的距離由通風(fēng)干燥前的0.90 m下降到干燥后的0.58 m，同時，在糧面不斷降低過程中，由于倉體的旋轉(zhuǎn)特性，中心管周圍不流動稻谷的體積不斷變小，外圈流動的稻谷充分混合，到干燥完成時僅有1層取樣點在不旋轉(zhuǎn)的區(qū)域，2～5層稻谷已經(jīng)充分融合。由此造成1層稻谷與2～5層水分變化趨勢差異較大，2～5層稻谷水分變化趨勢基本一致。

為簡化分析，更形象直觀表現(xiàn)旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉內(nèi)整體稻谷水分變化趨勢，選取通風(fēng)干燥0、64、128、208 h后的檢測數(shù)據(jù)，利用Matlab繪圖工具繪制得到4個時刻的旋轉(zhuǎn)倉稻谷含水率分布如圖7所示。整體上看，旋轉(zhuǎn)倉內(nèi)稻谷水分，在軸向上無明顯差異，通風(fēng)管的各個部位可看成近似相同；在徑向方向，經(jīng)過了均勻分布—梯度分布—均勻分布的變化。由圖7可以看出，初始稻谷水分基本相同，經(jīng)過64 h通風(fēng)干燥后，稻谷徑向方向呈現(xiàn)明顯的水分梯度，靠近中心管降水速率大于遠(yuǎn)離中心管，最大值最小值相差4.99%，通風(fēng)時長達(dá)到120 h時，稻谷整體水分在下降，但水分梯度依然存在，此時最大值最小值相差4.64%，當(dāng)?shù)竟雀稍锿瓿蓵r，水分最大值最小值差距下降到0.94%，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉稻谷整體水分差異不大，干燥均勻。

3.1.2 自然干燥

在自然陰干條件下，共耗費28 d的干燥時間，稻谷水分從23.11%降到安全水分14.38%，共下降8.73%，日降水量為0.31%。干燥速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，擬合水分變化曲線為y=0.018 5x2-0.841 4x+24.309，擬合度R2=0.970。

3.1.3 機械干燥

利用低溫循環(huán)谷物干燥機進(jìn)行稻谷機械干燥實驗。稻谷質(zhì)量為10.00 t，稻谷含水量為23.11%，通過在線水分測定儀讀取稻谷水分，當(dāng)含水量低于14.00%時停止干燥，干燥用時為5 h。干燥后稻谷千粒重23.34 g，雜質(zhì)為1.28%，谷外糙米率0.91%。

3.2 不同干燥方式稻谷干燥結(jié)果

3.2.1 降水幅度

ΔM=M1-M2

式中：ΔM為降水幅度/%；M1為干燥前稻谷平均水分/%；M2為干燥后稻谷平均水分/%。

3.2.2 干燥能力

P=GΔM/T

式中：P為干燥能力/t·%/h；G為干燥前稻谷平均水分/t；T為干燥時間/h。

3.2.3 干燥速度

v=(M1-M2)/T

式中：v為干燥速度/%/h；T為干燥時間/h。

代入數(shù)值，得到不同干燥方式稻谷干燥結(jié)果如表2，相同批次濕稻谷經(jīng)過旋轉(zhuǎn)倉干燥、自然干燥和機械干燥3種方式干燥到14.00%左右的安全水分，機械烘干利用熱源進(jìn)行加熱干燥，干燥速度和干燥能力遠(yuǎn)高于旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥和自然干燥。比較3種干燥方式的干燥速度，機械干燥是自然干燥的138.0倍，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥速度是自然干燥的3.3倍；比較干燥能力，機械干燥是自然干燥的864.0倍，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉是自然干燥的20.3倍?？梢?，在濕稻谷處理能力上，機械干燥速度最快，旋轉(zhuǎn)干燥倉比自然干燥優(yōu)勢明顯。

表2 不同干燥方式稻谷干燥結(jié)果

3.3 不同干燥方式對稻谷品質(zhì)的影響

3.3.1 不同干燥方式對稻谷爆腰率的影響

稻谷爆腰粒也稱裂紋粒，指稻谷顆粒胚乳產(chǎn)生橫向或縱向的裂紋而種皮仍保持完整。稻谷產(chǎn)生爆腰的主要原因是外界不良條件造成稻谷內(nèi)部產(chǎn)生溫度、水分梯度，進(jìn)而出現(xiàn)濕熱應(yīng)力。稻谷爆腰率過高直接導(dǎo)致后續(xù)碾米過程碎米率的增加，不僅影響經(jīng)濟價值，對大米的口感及營養(yǎng)價值也會產(chǎn)生不良影響[4-5]。

表3 不同干燥方式對稻谷爆腰率的影響

由表3可知，經(jīng)過不同干燥方式處理得到的稻谷爆腰率大小依次為機械干燥>自然干燥>旋轉(zhuǎn)倉干燥。其中，機械干燥稻谷比自然干燥爆腰率高3.00%，比旋轉(zhuǎn)干燥倉稻谷高4.00%，差異性均顯著?？梢姍C械烘干的熱空氣易使稻谷發(fā)生爆腰。干燥過程中旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉通入的空氣即自然空氣，干燥期間環(huán)境溫度不超過30 ℃，由于糧層厚度導(dǎo)致遠(yuǎn)離風(fēng)管的位置溫度更低，低溫使得稻谷內(nèi)外層降水速度差異小，并且在不通風(fēng)的時間段，旋轉(zhuǎn)干燥倉內(nèi)稻谷有足夠時間進(jìn)行緩蘇，所以旋轉(zhuǎn)倉干燥稻谷具有較自然干燥更低的爆腰率。

3.3.2 不同干燥方式對稻谷出糙率的影響

出糙率即凈稻谷脫殼后的糙米占試樣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中不完善粒折半計算?，F(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)以出糙率作為稻谷的定等指標(biāo)，研究表明，出糙率跟出米率存在正相關(guān)性，在一定程度上反映了稻谷的加工品質(zhì)[6]。由表4可知，不同干燥方式后稻谷出糙率大小依次為旋轉(zhuǎn)倉干燥>機械干燥>自然干燥，差異均顯著，可見旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥稻谷加工品質(zhì)好。

表4 不同干燥方式對稻谷出糙率的影響

3.3.3 不同干燥方式對稻谷整精米率的影響

整精米即糙米研磨成加工精度為國家標(biāo)準(zhǔn)三級大米時，長度達(dá)到試樣完整米粒平均長度四分之三及以上的米粒。精米是稻谷加工的最終形態(tài)，整精米率的高低不僅影響稻谷的經(jīng)濟價值，對大米的口感及營養(yǎng)價值也會產(chǎn)生影響[7]。由表5可以看出，在不同條件下干燥后，得到的稻谷整精米率大小依次為旋轉(zhuǎn)倉干燥>自然干燥>機械干燥，旋轉(zhuǎn)倉干燥稻谷整精米率分別比自然干燥稻谷高2.20%，比機械干燥稻谷高3.20%，表現(xiàn)出最優(yōu)的加工品質(zhì)。

表5 不同干燥方式對稻谷整精米率的影響

3.3.4 不同干燥方式對稻谷發(fā)芽率的影響

稻谷發(fā)芽率是綜合衡量稻谷新陳度的重要指標(biāo)。糧食的新鮮程度及食用品質(zhì)好壞可以通過發(fā)芽率的變化而體現(xiàn)出來，經(jīng)不同干燥方式降水處理后稻谷的發(fā)芽率見表6。稻谷發(fā)芽率自然干燥>旋轉(zhuǎn)倉干燥>機械干燥，旋轉(zhuǎn)倉干燥稻谷發(fā)芽率比自然干燥低于1.00%，差異不顯著，與旋轉(zhuǎn)倉干燥和自然干燥稻谷相比，機械干燥稻谷發(fā)芽率明顯更低。熱處理相對環(huán)境溫度更高，對稻谷發(fā)芽率影響較大，嚴(yán)重影響了稻谷生長力，自然干燥和旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥由于不提供高溫?zé)嵩矗瑢Φ竟确N子結(jié)構(gòu)有很好的保護(hù)作用[8]。

表6 不同干燥方式對稻谷發(fā)芽率的影響

3.3.5 不同干燥方式對稻谷脂肪酸值的影響

稻谷在干燥過程中脂質(zhì)會氧化生成游離脂肪酸含量由脂肪酸值來表示，脂肪酸值是判定稻谷品質(zhì)的一項重要指標(biāo)。由表7可知，經(jīng)不同干燥方式處理得到的稻谷脂肪酸值大小依次為旋轉(zhuǎn)倉干燥>自然干燥>機械干燥。游離脂肪酸含量的增長速率與脂肪酶的相對活力成極顯著的正相關(guān)。在本實驗中，由于旋轉(zhuǎn)倉干燥和自然干燥處于更低的溫度環(huán)境，在干燥過程中，脂肪酶保持著更高的相對活性，另外，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉和自然干燥時間較長，游離脂肪酸的累積程度更高，使其脂肪酸值更高[9]。

表7 不同干燥方式對稻谷脂肪酸值的影響

3.3.6 不同干燥方式對稻谷食味值的影響

大米食味是指人們對食用的米飯的眼、口、鼻、牙齒的綜合感覺。大米食味好壞沒有絕對的尺度，主要是從米的外觀、香味、味道、黏度、硬度及綜合指標(biāo)來評價。由于人工感官評價較為復(fù)雜，且干擾因素太多，在實際的稻谷品質(zhì)評價中并不實用。食味計的主要原理是將通過特定波長的近紅外光產(chǎn)生的吸光度的差異來準(zhǔn)確測定決定大米食味的直鏈淀粉、蛋白質(zhì)、水分、脂肪酸等成分，然后將不同的成分?jǐn)?shù)據(jù)與實驗得到的大米食味資料結(jié)合起來，并通過簡單的數(shù)值來進(jìn)行評分，達(dá)到客觀反映大米食味的目的[10]。

如表8所示，不同干燥方式處理后稻谷的食味值大小依次為自然干燥>旋轉(zhuǎn)倉干燥>機械干燥，自然干燥稻谷分值比旋轉(zhuǎn)倉高2.33，比機械干燥高5.66，自然干燥處理的稻谷具有最優(yōu)的食味品質(zhì)，旋轉(zhuǎn)倉干燥稻谷次之，差異不顯著，表明自然干燥和旋轉(zhuǎn)倉干燥均能較好地保護(hù)稻谷食味品質(zhì)，而機械干燥稻谷食味品質(zhì)最差，且與前兩者差異顯著。

表8 不同干燥方式對稻谷食味值的影響

3.4 不同干燥方式稻谷品質(zhì)綜合評分

由于稻谷品質(zhì)指標(biāo)眾多，難以從一個方面去評判，采用變異系數(shù)法的綜合評價法來對稻谷品質(zhì)進(jìn)行賦權(quán)評分，變異系數(shù)法是通過利用各項指標(biāo)所包含的信息計算權(quán)重的一種客觀賦權(quán)方法，其廣泛應(yīng)用于多指標(biāo)綜合評價[11]。

利用變異系數(shù)法對不同干燥方式后稻谷各指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和權(quán)重進(jìn)行計算，結(jié)果見表9。稻谷爆腰率、發(fā)芽率、脂肪酸值所占權(quán)重較大，分別為0.616 5、0.192 4、0.116 7，能客觀體現(xiàn)在干燥后稻谷品質(zhì)評價中，這3個指標(biāo)的相對重要情況，也表明這3個指標(biāo)因干燥方式的不同而有較大差異。

表9 稻谷各項指標(biāo)的權(quán)重

將低優(yōu)指標(biāo)爆腰率和脂肪酸值轉(zhuǎn)化成高優(yōu)指標(biāo)，歸一化后得到表10。

表10 稻谷品質(zhì)指標(biāo)歸一化結(jié)果

由不同干燥方式得到的稻谷6個指標(biāo)值歸一化結(jié)果及各指標(biāo)占總指標(biāo)的權(quán)重，計算出不同干燥方式得到的稻谷品質(zhì)的綜合評分值，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)干燥稻谷得分為0.750 3；自然干燥稻谷得分為0.527 4；機械干燥稻谷得分為0.332 8。

3種方式干燥后稻谷綜合得分大小為旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉>自然干燥>機械干燥，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥后稻谷品質(zhì)最佳。

4 結(jié)論

利用旋轉(zhuǎn)倉通風(fēng)208 h將9.80 t稻谷的水分由23.11%降到13.81%，干燥前期靠近風(fēng)管內(nèi)層稻谷降水速度快，中外層水分變化趨勢基本相同，且慢于內(nèi)層。干燥后期，水分梯度減小，整倉稻谷水分分布均勻。相同時間內(nèi)，水泥地陰干稻谷的水分從23.11%降到14.38%。低溫循環(huán)干燥機干燥稻谷由23.11%降到13.80%共耗時5 h，干燥幅度為9.31%，干燥能力為18.62 t·%/h，干燥速度為1.86%/h。

綜合比較3種方式處理后稻谷品質(zhì)，利用變異系數(shù)法確定稻谷爆腰率、出糙率、整精米率、發(fā)芽率、脂肪酸值、直鏈淀粉等品質(zhì)指標(biāo)的權(quán)重，對不同干燥稻谷進(jìn)行綜合評分，旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥、自然干燥、機械干燥的分值分別為0.750 3、0.527 4和0.332 8，表明旋轉(zhuǎn)通風(fēng)倉干燥后稻谷品質(zhì)最佳。