热风和真空干燥条件下玉米应力裂纹变化的研究

周显青,成军虎,张玉荣,刘诺阳,李 洋

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

热风和真空干燥条件下玉米应力裂纹变化的研究

周显青,成军虎,张玉荣,刘诺阳,李 洋

(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州 450052)

借助热风和真空干燥研究了玉米应力裂纹率和裂纹的表现形式,分析了不同干燥方式下玉米应力裂纹的变化规律.结果表明:随着干燥温度升高,热风和真空干燥的玉米裂纹率均升高,热风温度大于 80℃时玉米裂纹率大于 50%,而真空干燥玉米裂纹率均在 48%以下,自然干燥的裂纹率最低为 8%.玉米干燥时间较短时主要以单裂为主;随着干燥时间的延长,双裂数、龟裂数逐渐增加,最后以龟裂为主.裂纹数量的发展过程为从单裂到双裂再到龟裂.

玉米;热风干燥;真空干燥;应力裂纹

0 前言

裂纹率是影响干燥后玉米品质的一个重要指标,而裂纹主要是由于干燥应力诱导而产生的.干燥、缓苏及冷却过程中由于籽粒内部存在温度梯度和水分梯度,形成热应力和湿应力,两种应力总称为干燥应力.当干燥应力超过籽粒胚乳的破坏强度极限时,就会产生应力裂纹[1].出现裂纹的玉米存在很多问题:其一是在后续输送和加工过程中易破碎;其二是裂纹玉米使玉米湿法加工淀粉得率降低;其三是裂纹玉米在贮存过程中易吸湿、霉变和产生病虫害;其四是食品加工中 (如玉米片的加工)不能使用有裂纹的玉米;其五是有裂纹玉米降低了玉米等级;其六是裂纹玉米会降低种子发芽率.因此,研究干燥玉米应力裂纹具有重要意义.

许多专家学者对干燥玉米应力裂纹进行了研究.朱文学等[2]研究了自然晾晒玉米的显微结构发现,自然晾晒玉米的胚乳中存在应力裂纹,应力裂纹是由玉米受热和失水引起的干燥应力造成的.应力裂纹的宽度、长度及深度比人工干燥玉米内部应力裂纹小,在灯光下无法从完整籽粒的外部观察到.应力裂纹大多数横穿过细胞壁,沿淀粉颗粒边缘扩展,但也出现了应力裂纹撕开淀粉颗粒的情况.胚乳细胞也有轻微的破坏,一部分粉质胚乳比角质胚乳破坏严重.郝立群等[3]研究表明,当干燥温度超过 150℃时,玉米受热温度超过60℃,并且一次性降水幅度过大、降水速率过快,将造成玉米的种皮与胚乳分离,增加破碎率.Weller等[4]研究认为较高的干燥温度会使玉米的裂纹率增加,进而导致湿法加工淀粉得率降低.作者借助热风和真空干燥研究了玉米应力裂纹率和裂纹的表现形式,进一步分析不同的干燥方式下玉米应力裂纹的变化规律,探讨干燥玉米应力裂纹产生的机理,旨在为裂纹率评价及控制方法的建立提供依据.

1 材料与方法

1.1 材料

马齿形黄玉米:水分含量 24.7%,色泽、气味正常,无破碎粒、生霉粒,原始样品裂纹率为 3%.样品存放于 4℃冰箱.

1.2 仪器与设备

DRH型电热鼓风干燥箱:广东省医疗器械厂;DZF—6050真空干燥箱:上海申贤恒温设备厂;ZXZ—2旋式真空泵:北京中兴伟业仪器有限公司;FSF粉碎机:上海嘉定粮油检测仪器厂.

1.3 方法

1.3.1 玉米干燥

自然干燥:称取 300 g原料玉米于室内自然晾晒,平均室温为 20℃,湿度为 60%,60 h后达到安全水分以下,用密封袋密封保存于 4℃冰箱中.

热风干燥:称取 300 g原料玉米样品单层摊放于孔径为 4.0 mm的筛网上,立即放于温度为60、80、100℃的鼓风干燥箱 (T±1℃)中鼓风干燥,每 20 min取 1次样 (100℃时,温度较高,降至安全水分所需时间较短,每 10 min取 1次样).干燥结束后样品于 30℃下缓苏,缓苏时间︰干燥时间 =5︰1,缓苏结束后,各样品在室温下放置 30 min后用密封袋密封保存于 4℃冰箱中.

真空干燥:称取 300 g原料玉米样品均匀平摊于托盘中,单层料层厚度,立即放于温度为 60、80、100℃的真空干燥箱 (T±1℃)中干燥,开启真空泵使真空度迅速达到 0.09MPa,每 20 min取1次样 (100℃时,温度较高,降至安全水分所需时间较短,每 10 min取 1次样).干燥结束后样品于 30℃下缓苏,缓苏时间︰干燥时间 =5︰1,缓苏结束后,各样品在室温下放置 30 min后用密封袋密封保存于 4℃冰箱中.

1.3.2 水分测定

参照GB/T10362-89.

1.3.3 裂纹率测定

玉米裂纹率的测定采用灯箱法观测,每次选取100粒干燥后的玉米,数出其中带有裂纹的籽粒个数,观察裂纹形式.测 3次取其平均值作为结果.

2 结果与讨论

裂纹率是评价玉米品质好坏的重要指标.高温快速干燥引起玉米力学特性的较大变化,形成较大的干燥应力,造成大的应力裂纹.在热风干燥过程中,高温热风使玉米表面温度快速升高导致了玉米籽粒表面的水分快速汽化,玉米籽粒内部组织水分向表面转移的过程是一种渗透过程,这一过程比较缓慢,这样在玉米籽粒的表面和内部组织结构之间形成一个水分梯度,边界层水膜就会破裂,籽粒表面就会出现局部干裂现象,形成玉米裂纹.在不同干燥温度下,玉米干燥至安全水分时裂纹率测定结果见图 1.

图1 干燥温度对裂纹率的影响

由图 1可知,随着干燥温度升高,热风和真空干燥的玉米裂纹率升高,热风温度大于 80℃时玉米裂纹率大于 50%,而真空干燥玉米裂纹率均在48%以下,自然干燥的裂纹率最低为 8%.热风温度高时,干燥速率快,籽粒表面收缩大,当单位表面的拉应力超过其强度极限时则产生裂纹.这表明玉米裂纹率是随着热风温度和干燥速率的升高而增大的.干燥温度分别为 60、80、100℃时,玉米裂纹率随干燥时间的变化见图 2.

2.1 干燥条件对玉米裂纹率的影响

图2 干燥时间对裂纹率的影响

由图 2可知,随着干燥时间的延长,热风干燥和真空干燥裂纹率都逐渐增加,热风干燥裂纹率与真空干燥裂纹率之间存在显著差异,热风干燥玉米裂纹率明显高于真空干燥.在各个干燥温度下,玉米真空干燥平均裂纹率比热风干燥低12%,真空干燥玉米裂纹率均低于 62%,而热风干燥最大裂纹率为 79%,这都说明了真空干燥方式优于热风干燥.

2.2 干燥条件对玉米裂纹表现形式的影响

玉米是一种热敏性较高的粮食,干燥速度过快或其他干燥参数选择不当容易产生裂纹,玉米干燥过程中裂纹的形成是一个极其复杂的过程,受热量、水分传递、玉米品种特性和干燥处理方式的影响.玉米干燥冷却以后,颗粒表面产生细微可见的裂纹,玉米裂纹的几种表现形式如图 3所示.(1)完好玉米:玉米没有任何裂纹,完好无损,如图 3(a)所示;(2)单裂玉米:在横轴方向上出现一条贯穿整个玉米的裂纹,如图 3(b)所示;(3)双裂玉米:在横轴方向上出现两条贯穿整个玉米的裂纹,如图 3(c)所示;(4)龟裂玉米:在横轴方向上出现 3条以上贯穿整个玉米的裂纹,如图 3(d)所示.

表1分别为不同干燥时间的裂纹表现形式.从表1可以看出,随着干燥时间的延长,单裂数、双裂数、龟裂数都增加,并且干燥时间较短时主要以单裂为主,随着时间的延长双裂数、龟裂数逐渐增加,最后以龟裂为主.这种试验现象说明低温干燥时产生的裂纹率比较低,单裂的数目也比较少;高温干燥在短时间内就能产生裂纹,一般情况下都先生成单裂,随着时间的延长转变成双裂和龟裂,最后都成龟裂.

2.3 讨论

应力裂纹就是谷物表面出现的细小裂缝,主要发生在玉米和稻谷上,它是粮食干燥品质损伤的主要形式之一,对稻谷和玉米的品质影响很大.粮食应力裂纹生成的机理目前有多种学说,普遍认可的是应力理论学说[5].干燥过程中谷粒胚乳既发生压缩变形,又发生扭转变形.根据正应力破坏理论,正应力大于屈服应力时,材料才被破坏.玉米干燥过程中粉质胚乳的变形大,导致淀粉颗粒结合较松散的粉质胚乳被破坏.干燥初期,玉米籽粒含水率较高且较均匀一致,其内部组织较软,内层和外层可同时收缩和膨胀,干燥应力小.但是干燥到一定水分时,籽粒外层部分水分较低,其质地较坚硬,膨胀和收缩量大大减小,中心部分则水分较高,随着干燥继续收缩,造成内外的膨胀和收缩量不一致,干燥应力就无法消除,当达到极限时,产生应力裂纹.

玉米干燥过程中产生应力裂纹是一个很复杂的过程,目前有许多学者研究了玉米的应力裂纹问题.干燥过程中玉米籽粒的两侧面与正面交界处容易产生裂纹,靠近顶部的为角质胚乳部分,裂纹首先发生在角质与粉质胚乳的交界处,并产生竖向裂纹.Balastreire等[6]通过显微镜观测到当裂纹接近籽粒表面时,裂纹变窄.根据这一结果他们认为,应力裂纹在籽粒中心部位生成,然后沿着淀粉颗粒的边缘向表面扩展,应力裂纹是玉米籽粒内部细微的缝隙,不能撕裂种皮.关于裂纹的起始点和扩展规律,玉米吸湿产生裂纹通常是沿着宽度方向发展,应用 X-射线观察到籽粒的裂纹起始于中部位置,然后沿着与长轴垂直的方向延伸到外表.Siebenmorgen等[7]研究了玉米的应力裂纹后指出,玉米的应力裂纹不只是由温度梯度引起的,而是由温度梯度和水分梯度共同作用的结果,水分梯度产生的应力比温度梯度引起的应力还要大.籽粒干燥时产生的应力状态是内压外拉,吸湿时的应力状态是内拉外压,当内部的拉应力超过籽粒的抗拉极限时即产生应力裂纹,所以应力裂纹首先发生在籽粒内部.Yang等[8]认为干燥对裂纹的影响主要是由水分梯度而不是温度梯度造成的,因为温度梯度在干燥开始后 2～3 min全部消失,这段时间内玉米的水分含量还较高,颗粒具有弹性而不易破裂;与此相反,Cnossen等[9]则认为在整个干燥过程中水分梯度在达到最大值后始终保持在较高的水平,随干燥时间的延长水分梯度加大,内部应力也就越大,如果应力超过玉米颗粒的强度,将导致裂纹形成.

还有部分学者对应力裂纹的产生过程进行了一定的模拟.朱文学等[10]研究发现玉米应力裂纹具有近似的自相似性,即分形特征,可以用分形理论进行研究,认为分形裂纹的扩展有 4种机制,即沿晶扩展、穿晶扩展、沿晶和穿晶偶合扩展及分叉扩展.朱文学等[11]研究了玉米应力裂纹的分形模拟后发现,由于玉米籽粒内部各种无序因素 (如淀粉粒大小、蛋白质间的厚薄、淀粉结构等)的影响,玉米应力裂纹实际上是沿着一条不规则的曲折路径扩展的,由此形成的断裂表面往往是粗糙不平的,断裂面的截面 (裂纹线)也是曲折的,在一定的尺度范围内存在近似的自相似性.应力裂纹的分维测量已证明,应力裂纹线越曲折,分维越高,裂纹形态 (单裂、双裂、龟裂)越复杂;作为玉米应力裂纹扩展过程最直观的表现,复杂的断面形貌或曲折的裂纹线的定量分析可为应力裂纹的动力学描述提供基础数据,应力裂纹生成过程的模拟可使人们了解应力裂纹的全貌,对应力裂纹的生成过程有一个深刻的认识.

已有很多学者研究了玉米干燥过程中产生的应力裂纹,但由于影响因素多,机理仍不够明确,同时该领域的研究还不够深入,且研究结论或所观察的现象还存在一定的矛盾,如缓苏阶段到底是减少裂纹率还是增加裂纹率,又如对玉米裂纹率的要求指标应定在多少适宜.在检测裂纹率时,对测定时间、取样位置、裂纹的定义和干燥条件均应有统一的标准,否则测定结果会有很大误差,甚至出现不符合客观规律的现象.可见,就玉米干燥过程中应力裂纹产生机理及其检测方法需进一步研究.

3 结论

随着干燥温度升高,热风和真空干燥的玉米裂纹率均升高,热风温度大于 80℃时玉米裂纹率大于 50%,而真空干燥玉米裂纹率均在 48%以下,自然干燥的裂纹率最低,为 8%.应力裂纹首先在玉米侧面的冠部生成,从白色星状斑点发展成短裂纹,最后发展成长裂纹.

玉米干燥时间较短时主要以单裂为主,随着时间的延长,双裂数、龟裂数逐渐增加,最后以龟裂为主.裂纹数量的发展过程为从单裂到双裂再到龟裂.裂纹的形态以竖裂纹为主,很少出现横裂纹,出现横裂纹的籽粒绝大部分已发展到龟裂阶段.

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[11]朱文学,张玉先,李栋,等.玉米应力裂纹扩展的分形模型及动力学分析[J].农业机械学报,1999,30(3):48-52.

RESEARCH ON STRESS CRACK CHANGES OFMA IZE BY HOT-A IR AND VACUUM DRYING

ZHOU Xian-qing,CHENG Jun-hu,ZHANG Yu-rong,L IU Nuo-yang,L I Yang
(School of Food Science and Technology,Henan University of Technology,Zhengzhou450052,China)

The paper studied the stress crack rate and the crack forms ofmaize by hot-air and vacuum drying,and analyzed the change rule of the stress crack ofmaize under different drying conditions.The results showed that the crack rate ofmaize under hot-air drying and vacuum drying increased as the drying temperature rose;the crack rate was larger than 50%when the hot-air temperature was larger than 80℃;the crack rate of maize under vacuum dryingwas lower than 48%;and the lowest crack rate ofmaize under natural dryingwas 8%.The maize mainly had single cracks after dried for a short period of time;the numbers of double cracks and map cracks gradually increased as the drying time prolonged;and the map crackswas in a dominant position finally.The development of the crackswas as follows:single crack,double cracks and map cracks.

maize;hot-air dring;vacuum drying;stress crack

TS210.1

B

1673-2383(2011)01-0001-04

2010-08-14

周显青 (1964-),男,江西吉水县人,教授,硕士生导师,主要从事谷物科学及产后加工与利用研究.