储藏条件下糙米水分扩散规律研究

贾富国 周玉龙

储藏条件下糙米水分扩散规律研究

贾富国 周玉龙

(东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030)

为探讨储藏条件下糙米籽粒的水分扩散规律，以环境温度和相对湿度为影响因素，采用全因素组合试验方法设计试验，应用静态称重法对糙米籽粒进行了不同温度和相对湿度条件下的吸附与解吸试验，推导出储藏条件下糙米籽粒的水分扩散系数求解方程，求出不同储藏温湿度以及不同原始含水率条件下糙米籽粒的水分扩散系数，应用SAS软件拟合出关于储藏条件下糙米水分扩散系数的二次回归方程。结果表明:储藏环境温湿度及含水率显著地影响糙米水分扩散规律，研究结果可以为探讨糙米水分分布及传递机理提供理论参考。

糙米 水分扩散系数 模型 储藏

糙米储藏是世界稻谷储藏的发展趋势，日本等发达国家已改稻谷储藏为糙米储藏，目前已广泛应用［1］。糙米在储藏过程中，由于环境条件的变化会使其储藏特性、加工特性以及食味值发生较大的变化，这些变化都与储藏环境的温度、相对湿度以及含水率相关［2－3］。因此，如果能够准确地预测并描述糙米储藏过程中的水分分布及传递过程，就可以选择合理的储藏环境条件，防止糙米品质的变化。水分扩散系数是单位时间内水分扩散的面积，是研究谷物水分分布及传递机理的重要物理参数。研究储藏条件下糙米籽粒的水分扩散系数，并获得关于储藏环境温湿度和糙米籽粒含水率的扩散系数方程，对研究糙米水分分布及传递机理有着重要的意义。

国外研究学者报导了利用扩散模型模拟试验数据确定干燥过程中谷物水分扩散系数的方法，证明了水分扩散系数是物料含水率和干燥介质温度的函数［4－5］。国内学者也做了相关的研究，探讨了稻谷薄层干燥过程中的水分扩散模型［6－8］。糙米是稻谷脱壳后的又一形态，且储藏条件较干燥过程缓和，因而储藏条件下的糙米水分分布与传递规律不同于稻谷的干燥过程，而关于储藏条件下糙米水分扩散系数的研究国内外鲜有报道。

本试验应用静力学法，采用全因素组合方法设计试验，研究储藏环境温湿度和含水率对糙米水分扩散规律的影响，探求储藏条件对糙米水分扩散系数的影响规律。

1 材料与方法

1．1 试验材料

试验品种为东农429稻谷。试验前筛选，去芒，脱壳得糙米，剔除不成熟、有病害、有垩白粒。然后随机抽取，作为试验样品。

1．2 仪器设备

オーㄆケFC2K实验用砻谷机:日本大竹制作所;FZ102微型植物试样粉碎机:天津泰斯特仪器有限公司;精度为0．000 1 g电子分析天平:上海天平仪器厂;DGH－9053A鼓风干燥箱:上海益恒试验仪器有限公司;CTHI－150(A)B恒温恒湿箱箱:上海施都凯仪器设备有限公司，温度波动±0．2℃，相对湿度波动±1．5%以内。

1．3 试验方法

糙米含水率测量采用GB 1350—2009方法。

试验样品的制备:将用作测定吸附水分扩散规律试验的糙米籽粒干燥至大约4%(湿基)的含水率［9］;将用作测定解吸水分扩散规律试验的糙米籽粒按约1．5%的水分梯度加湿［10］，使其含水率达到25%左右［11］。将制得的样品置于密封袋中放于4℃的恒温培养箱中，定期摇匀平衡后备用。每份试验样品取400 g，每次试验重复3次，取其平均值为该设定条件下糙米籽粒的吸附或解吸含水率。

吸附和解吸试验采用静态称重法［9］，试样间隔12 h测定一次含水率，直至含水率达到平衡为止，然后通过公式计算出糙米籽粒在该条件下的水分扩散系数。根据实际生产中的储藏环境条件，选取试验参数范围为温度取5、15和25℃ 3个水平，采用恒温恒湿箱控制，箱内相对湿度为15%、35%、55%、75%和95%5个水平。

2 储藏条件下糙米水分扩散模型

2．1 水分扩散方程的建立

现有关于稻谷颗粒传质模型是将稻谷颗粒简化为球体建立的，而实际上稻谷颗粒为两端呈圆锥形的扁圆柱体，试验测得糙米籽粒其等效半径为1．35 mm。由于糙米两端表面积远小于圆柱体表面积，所以将糙米视为圆柱体，并建立其沿径向一维传质模型更为切合实际。根据Fick扩散定律，可导出糙米籽粒内部的水分扩散方程为:

式中:M为t时刻糙米籽粒含水率/%;t为水分扩散时间/s;r为等效半径mm;D为水分扩散系数。

式(1)即为圆柱坐标下的糙米水分扩散模型。

其定解条件:

初始条件为:M(r，0)=M0(0≤r≤R，t=0)，

式中:M0为糙米初始含水率;R为糙米籽粒半径。

边界条件:M=Me(r=R，t＞0)，这是因为糙米在水分传递过程中，糙米颗粒表面水分等于其对应条件下的平衡水分，该平衡水分由试验测得。在颗粒轴心，由于对称性则有

2．2 水分扩散系数D的确定

对偏微分方程式(1)进行积分并代入初始和边界条件可得到:

式中:Bn为方程J0(x)=0的第n阶根，可通过查表得到其值［12］，这里取其五阶根，B1=2．404 8、B2=5．520 1、B3=8．653 7、B4=11．791 5、B5=14．930 9。F0为傅里叶准数。

对其求平均浓度解，式(2)的解可表示为:

将式(3)和式(4)联立可知，在水分扩散过程中，任意t时刻糙米籽粒的平均含水率M和水分扩散系数D都是成明确的函数关系的，因此可以在不同时刻，不同环境温湿度条件下测定糙米籽粒的含水率，将扩散系数与糙米籽粒储藏环境温湿度和糙米含水率之间的函数关系表示出来，并求得不同含水率和不同环境温湿度下糙米籽粒的水分扩散系数。

3 结果与分析

3．1 吸附过程

3种储藏温度下，不同相对湿度条件下糙米籽粒吸附水分扩散系数见图1。

图1 不同温度下糙米籽粒吸附水分扩散系数

3．1．1 回归模型的建立

糙米籽粒吸附过程中不同环境温湿度和含水率条件下的水分扩散系数如图1所示，应用SAS9．1软件对所得试验数据进行处理，得到环境温湿度及含水率对吸附水分扩散系数的回归模型为:

方程显著性水平P＜0．001(极显著)

式中:D为水分扩散系数/m2/h;x1为含水率/%w．b;x2为环境温度/℃;x3为环境相对湿度/小数。

3．1．2 含水率对吸附水分扩散系数的影响

图1显示:在试验参数范围内吸附水分扩散系数随糙米含水率的增加呈递减趋势，含水率接近平衡含水率时，扩散系数也接近零。这是因为在吸附过程中，含水率越高，越接近平衡含水率，水分梯度越小，水分传递的动力越小，因而其水分扩散系数越小。

3．1．3 环境相对湿度对吸附水分扩散系数的影响

图1显示:在试验参数范围内吸附水分扩散系数随环境相对湿度的增加呈递增趋势。这是因为吸附环境相对湿度越高，环境与糙米籽粒内部的水分蒸汽压差值越大，水分梯度越大，水分传递的动力越大，因而水分扩散系数越大。

3．1．4 环境温度对吸附水分扩散系数的影响

对比图1中各分图可以看出:吸附水分扩散系数随环境温度的升高呈递增趋势。这是因为随着环境温度的升高，水分子的活动能力增加、运动剧烈，渗透速度加快，因而水分扩散系数越大。

3．2 解吸过程

3种储藏温度下，不同相对湿度条件下糙米籽粒解吸水分扩散系数见图2。

3．2．1 回归模型的建立

糙米籽粒解吸过程不同环境温湿度和含水率条件下的水分扩散系数如图2所示，应用SAS9．1软件对所得试验数据进行处理，得到环境温湿度及含水率对解吸水分扩散系数的回归模型为:

方程显著性水平P＜0．001(极显著)

式中各符号意义同式(5)。

图2 不同温度下糙米籽粒解吸水分扩散系数

3．2．2 含水率对解吸水分扩散系数的影响

图2显示:在试验参数范围内解吸水分扩散系数随糙米含水率的增加呈递增趋势。这是因为在解吸过程中，含水率越高，越远离平衡含水率，水分梯度越大，水分传递的动力越大，因而其水分扩散系数越大。

3．2．3 环境相对湿度对解吸水分扩散系数的影响

图2显示:在试验参数范围内解吸水分扩散系数随环境相对湿度的增加呈递减趋势。这是因为解吸环境相对湿度越高，环境与糙米籽粒内部的水分蒸汽压差值越小，水分梯度越小，水分传递的动力越小，因而水分扩散系数越小。

3．2．4 环境温度对解吸水分扩散系数的影响

对比图2中各分图可以看出，解吸水分扩散系数随环境温度的升高呈递增趋势。这是因为随着环境温度的升高，水分子的活动能力增加、运动剧烈，渗透速度加快，因而水分扩散系数越大。

4 结论

4．1 储藏环境温湿度和糙米原始含水率显著地影响糙米水分扩散系数。

4．2 建立的储藏条件对糙米水分扩散系数的回归方程，可以描述水分扩散系数随储藏条件的变化规律。

4．3 研究结果可以为探讨糙米水分分布及传递机理提供理论参考。

［1］王莉蓉，张建华．糙米流通技术开发探讨［J］．粮食与饲料工业，2000(1):5－7

［2］N N Sarker．Transient moisture gradients in rough rice mapped with finite element model and related to fissures after heated air drying［J］．Transactions of the ASAE，1996，2(39):625

［3］竹生新治郎ら．米の食味と理化学的性质の关联［J］．淀粉化学，1993，22:30－34

［4］Bartozo M A S，Henrique H M，Sartori D J M．The use of the orthogonal collocatin method on the studa of the drying kinetics to soybean seeds［J］．Journal of stored products research．2006，42:348－356

［5］Yamaguchi S．Temperature and moisture dependent diffusivity of moisture in rice kernel［J］．Drying，1992，92:1389－ 1398

［6］王剑平，王成芝．谷粒内部水分扩散系数的确定［J］．东北农业大学学报，1996，27(1):63－67

［7］洪新华，李保国．稻谷薄层干燥及其颗粒内部传质过程的试验研究［J］．2000，21(2):57－60

［8］李业波，曹崇文．稻谷颗粒内部传质及其应用［J］．农业工程学报，1993，9(1):74－82

［9］潘永康，王喜忠，刘相东．现代干燥技术［M］第二版．北京:化学工业出版社，2007

［10］贾富国，白士刚．糙米加湿调质过程中最佳一次加湿量的研究［J］．中国粮油学报，2005，20(6):1－3

［11］胡坤．稻谷等温线的影响因子与模型的研究［D］．华中农业大学硕士论文，2000

［12］沈永欢．实用数学手册［M］．北京:科学出版社，1992．

Study on Moisture Diffusion Regularity of Brown Rice under Storage Conditions

Jia Fuguo Zhou Yulong
(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030)

To study the storage conditions of brown rice moisture diffusion regularity，and ambient temperature，relative humidity as the factors，and the full factor combination experiments were chosen in this paper，the static gravimetric method was used in this paper，equilibrium moisture content for adsorption and desorption of brown rice were determined at a wide range of temperature，storage ambient temperature and relative humidity and moisture content of brown rice moisture diffusion coefficient，and storage conditions about brown rice moisture diffusion coefficient of quadratic regression equation was fitted by SAS software．The results showed that storage ambient temperature and relative humidity and moisture content had great influence on the brown rice moisture diffusion regularity，the results provide a theoretical reference for the discussion of water distribution and transmission mecha-nism of brown rice．

brown rice，moisture diffusion regularity，model，storage

TS212．4

A

1003－0174(2012)01－0087－04

黑龙江省自然科学基金(C200809)，东北农业大学博士启动基金(2009RC27)

2011－03－25

贾富国，男，1964年出生，教授，博士生导师，农产品加工技术及设备