基于隶属度综合分析法的稻谷干燥—缓苏工艺优化研究

周绪霞 刘 琳 付鹏程 张烝彦 张 坚 闵炎芳 吕 飞 丁玉庭

(浙江工业大学食品工程与质量控制研究所1，杭州 310014)(中储粮成都粮食储藏科学研究所2，成都 610091)(杭州市粮油中心检验监测站3，杭州 310003)(中央储备粮湖州直属库4，湖州 313000)

稻谷干燥是稻谷储藏前处理的一项重要过程，干燥效果的好坏直接影响稻谷的储藏期及其储藏品质。在我国，稻谷是长江流域的主要粮食作物，新鲜收获的稻谷具有高水分、易霉变生虫、易陈化等特点[1]。在夏季收获的籼稻水分会高达26%～32%(以湿基计)[2]，因此在收获后进行快速、高效的干燥，将稻谷含水量降至安全水分以下，是保证稻谷能够安全储藏2～3年的重要环节。

热泵干燥和远红外干燥技术已被国内外学者证明是具有高效、节能、环保的新型干燥技术，现被广泛应用于热敏性农作物的干燥过程中[3]。缓苏是指稻谷经过干燥后，在某一温度条件下稻谷籽粒由内向外进行水分扩散，使其最终达到颗粒内部水分平衡的过程。相比单一干燥过程，干燥结合缓苏的间歇干燥工艺既能提高干燥后稻谷的研磨品质，又能缩短干燥时间，节约干燥成本[4]。其中，国内外许多研究表明[5-7]，60 ℃缓苏能显著提高干燥稻谷的整精米率，使其爆腰率和碎米率降低18%～21%。缓苏比是指一个干燥循环中干燥时间与缓苏时间之比，是除缓苏温度外，影响稻谷加工特性的另一个重要因素[8]。夏宝林等[9]及Shei等[10]研究认为，适当的缓苏比可以使稻谷颗粒达到最大化的水分平衡，因此可以最大程度的降低研磨过程中爆腰现象及碎米的出现。

目前，在评价干燥工艺对稻谷加工品质、理化特性、烹饪特性等指标的影响时，通常采用单因素评价法，而缺少一种综合评价的方法。基于隶属度的综合分析法已广泛应用于水利、管理等学科的相关研究中[11-12]。近年有学者[13-14]将综合分析法应用在食品科学领域，以更全面地评估产品工艺优化等过程中食味品质等指标。杨国峰等[15]利用隶属度的综合评价法研究了干燥段数和缓苏温度对稻谷品质的影响，得出优化的干燥条件为：干燥段数为2段，缓苏温度为60 ℃，此时综合评分达到最大值，使工艺评价更全面、综合。

本研究以浙江地区产晚籼稻为研究对象，研究不同干燥方式结合缓苏对稻谷干燥特性及品质特性，包括加工特性、脂肪酸值、质构特性等指标的影响，同时利用隶属度综合评价法对稻谷干燥品质进行多指标综合评价，从而得出最优干燥工艺。其中干燥分别采用热泵干燥和远红外干燥两种，缓苏过程分别控制缓苏比为1∶1、1∶2、1∶3和1∶4。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

晚籼稻(2016年9月 收获于浙江杭州)：初始含水量(IMC)为(26.9±0.2)%。95% 乙醇；无水乙醇；邻苯二甲酸氢钾(所有试剂均为分析纯): 阿拉丁有限公司。

1.2 仪器设备

凯伦热泵：国华电子有限公司；CY881-3数显远红外干燥箱(干燥功率3.0 kW)：苏州豪悦电子加热设备厂；JLCJ 4.5型出糙机：浙江台州粮仪厂；Kett 精米机：日本东京Kett electric laboratory；JXFM110锤式旋风磨：上海嘉定粮油仪器有限公司；TA.XT Plus 质构仪：英国Statbe Micro Systems。

1.3 实验方法

1.3.1 样品预处理

将新鲜收获的稻谷筛选、去除杂质后，分装在聚乙烯密封袋中置于4 ℃恒温箱中24 h以平衡水分。实验前，将样品从冰箱中取出置于自然环境中平衡至室温，防止凝结现象和其他不利因素。

1.3.2 薄层干燥—缓苏工艺

稻谷属热敏性物料，干燥温度过高会影响其干燥品质[16]，且热泵干燥温度不能设置过高，因此将干燥温度设定为65 ℃。远红外干燥温度设定为65 ℃，辐照距离为25 cm。本实验采用薄层干燥，稻谷厚度为5 mm，载重量2 kg/m2，相对湿度为(35±1)%。稻谷干燥均至含水量为13.5%后结束干燥，分装在密封聚乙烯包装袋中，置于60 ℃烘箱中进行缓苏，缓苏比分别设置为1∶1、1∶2、1∶3和1∶4。在干燥—缓苏工艺结束后，取稻谷样品测定各项指标。

1.4 干燥后稻谷各项指标的测定

1.4.1 含水量的测定

根据GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的测定常规法》105 ℃恒重法测定稻谷初始含水量，以及干燥过程中含水率的变化。本实验中所有含水率的计算均以湿基计。

1.4.2 出糙率的测定

根据GB/T 5495—2008《粮油检验 稻谷出糙率检验》

1.4.3 整精米率的测定

根据GB/T 21719—2008《稻谷整精米率检验法》

1.4.4 脂肪酸值的测定

根据GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值的测定》

1.4.5 蒸煮大米质构特性的测定

大米烹饪方法根据GB/T 15682—2008《粮油检验 稻谷、大米蒸煮食用品质感官评价方法》。质构特性(Texture Profile Analysis，TPA)采用TA.XT Plus质构仪进行测定，参考蔡雪梅[17]及Ding等[18]的方法，并做适当改进。采用P/36R探头；测试模式为：Measure Force in Compression；压缩比为75%；触发力为10 g；测试前速度为0.7 mm/s，测试速度为0.5 mm/s，测试后速度为1 mm/s；数据获取率为400 pps。每组测试进行6次平行实验，并去掉最大最小值后取平均值。

1.5 数据处理与分析

1.5.1 统计学分析

实验数据用SPSS 21.0处理，平均数之间的比较采用Pearson显著性分析、Duncan’s多重比较法和One way ANOVA 方差分析。

1.5.2 隶属度综合分析法

基于隶属度的综合评价法流程一般分为三个步骤[11]：一是构建评价指标体系；二是对评价指标体系中指标的权重进行划分；三是结合指标权重和各个指标的得分情况，计算出各个干燥—缓苏工艺的总得分，根据得分高低排名，从而确定最优干燥工艺。

其中，评价指标体系是为尽可能全面反映出影响评价对象的各种因素，而在评价前建立的较全面的一项评估体系。在模糊数学理论中将其称为因素集，即影响被评判对象质量的指标集合，以U=(u1, u2, u3, …, ui, …, um)表示，其中U为因素集，ui为第i个因素[19]。本实验中，评价指标体系(即因素集)包括整精米率、出糙率、脂肪酸值、TPA指标，即U=(整精米率u1, 出糙率u2, 脂肪酸值u3,TPA u4)。

根据隶属度理论[22]，建立隶属度函数。对于正向指标数据和负向指标数据的标准化处理公式分别如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

本实验中，根据对稻谷干燥品质、食味品质的正面、负面影响，可将指标数据划分为：正向指标，包括整精米率、出糙率、TPA(胶黏度、黏性、弹性、内聚性、回弹力)；和负向指标，包括脂肪酸值、TPA(硬度、咀嚼性)。通过对各项指标进行ANOVA方差分析，根据各指标间的相关性，选取具有相关性的指标进行隶属度计算、权重分配，并根据公式(3)，计算得出两种干燥方式结合不同缓苏比的干燥工艺对评价指标的综合得分S，按得分高低依次判断各工艺的优劣。

S=k1y1+k2y2+…+kiyi+…kmym

(3)

2 结果与讨论

2.1 两种干燥方式的干燥曲线

由图1可以看出，两种干燥方式的干燥曲线差异显著(P<0.05)。从拟合系数(R2)可看出，该干燥曲线能较好地拟合并预测两种干燥方式含水量的减少趋势，其中，热泵干燥的拟合曲线(R2=0.989 0)较远红外干燥拟合曲线(R2=0.973 1)能更好地反映热泵干燥对稻谷含水量降低的影响趋势。远红外干燥速率更高，采用热泵干燥稻谷(IMC=26.9%)至安全水分(MC=13.5%)需要180 min，而通过远红外干燥稻谷至相同水分仅需60 min，总耗时比热泵干燥缩短了2倍。这是由于两种干燥技术的原理有本质差异，热泵干燥是通过热泵系统从低温热源吸取热量，由低品位热能转化为高品位热能，使稻谷籽粒的热量传递由外向内进行，从而实现水分扩散的过程[16]。而远红外干燥是通过辐射器发射的0.75～1 000 μm的远红外线照射稻谷颗粒，稻谷内部的分子在此波段有较大的吸收，吸收的能量可以在短时间内加剧稻谷中分子的运动，从而使谷物内部温度快速升高，加速水分子的蒸发，达到高效干燥谷物的目的[23]。罗剑毅[24]通过对稻谷的远红外干燥特性的研究，结果表明稻谷在65 ℃下经远红外干燥85 min能使水分降至12%以下。其他影响干燥速率的因素有载重量、初始含水量及干燥温度。

图1 两种干燥方式的干燥速率曲线

2.2 不同干燥方式结合缓苏对稻谷加工特性的影响

整精米率及出糙率是反映稻谷加工特性且直接影响大米品级评判的重要指标。两种干燥方式结合不同缓苏比60 ℃缓苏对稻谷这两个指标的影响如表1所示。可以看出，与无缓苏的单一干燥方式相比，进一步结合60 ℃缓苏处理能显著影响稻谷的出糙率及整精米率(P<0.05)。

表1 不同干燥方式结合缓苏比对稻谷研磨品质的影响

2.2.1 不同干燥方式结合缓苏对出糙率的影响

与未缓苏相比，60 ℃缓苏处理可以在不同程度上提高稻谷的出糙率。同一干燥方式下，不同缓苏比对稻谷的出糙率均有显著影响(P<0.05，表1)。经热泵干燥—缓苏的方式，在缓苏比为1∶3时，出糙率最高，达到84.2%，显著高于其他缓苏比(P<0.05)。而经远红外干燥—缓苏方式的最佳条件为缓苏比1∶2，此时出糙率可以达到81%。但是，经远红外干燥后的出糙率普遍低于热泵干燥后的出糙率，这可能是由远红外辐射能传递能量的物质直接引起的内部特征变化对稻谷加工特性造成的影响[25]。

2.2.2 干燥结合缓苏对整精米率的影响

与无缓苏的单一干燥方式相比，60 ℃缓苏能显著提高稻谷的整精米率(P<0.05)。同一干燥方式下，不同缓苏比对整精米率的影响差异显著(P<0.05)。其中，在缓苏比1∶2时，经热泵干燥的稻谷整精米率达到最高，达到71.0%，且高于同比之下远红外干燥—缓苏的11%。而经远红外干燥—缓苏后，整精米率在缓苏比1∶3时最高，为65.2%，且高于同比之下热泵干燥—缓苏结果的1.8%。在缓苏比1∶4时，两者的整精米率均显著降低，这可能是由于在高温下缓苏时间过长，对稻谷颗粒内部造成了应力改变，从而加剧了裂纹的产生[26]。这与Li[27]的研究结果是一致的，未经缓苏的稻谷研磨后碎米率最高，随着缓苏比的增大碎米率会大幅度减小，整精米率增加，而缓苏比过高反而会导致负面效应，使碎米率增高。

当缓苏比分别为1∶2和1∶3时，经热泵干燥和远红外干燥后缓苏，稻谷的整精米率分别达到最大值，且前者整精米率高出后者5.8%。说明适当的缓苏比能够使稻谷在缓苏过程中更全面、有效的的进行水分平衡，从而降低稻谷颗粒在研磨过程中产生的各种不利影响。因此，远红外干燥—缓苏工艺效率更高，而热泵干燥—缓苏工艺更有利于保证加工品质。

2.3 不同干燥方式结合缓苏对稻谷脂肪酸值的影响

从图2可以看出，干燥结合缓苏过程中，稻谷的脂肪酸值均随缓苏比的增加而呈增长趋势。在干燥终点时，经热泵干燥的脂肪酸值比远红外干燥后的高1.01 mgKOH/100 g，这与远红外干燥及其缓苏时间相比于热泵干燥明显更短相关。与单一干燥方式相比，缓苏会对稻谷的脂肪酸值造成一定的影响。稻谷中的脂肪酸来源于脂肪酶水解脂类产生，且其易受温度影响而变化[28]，而缓苏是在一定温度下持续一段时间的过程，因此对稻谷脂肪酸值会产生影响。在两种干燥—缓苏过程中，脂肪酸值分别增加2.78、1.67 mgKOH/100 g。说明缓苏比对稻谷脂肪酸值具有显著影响(P<0.05)，该结论与仇红娟[29]的实验结果相吻合，根据其方差分析结果认为，缓苏与否对稻谷脂肪酸值的影响大于干燥方式对其的影响。

图2 不同缓苏比对稻谷脂肪酸值的影响

2.4 不同干燥方式结合缓苏对蒸煮米饭质构品质的影响

将不同干燥方式处理后的稻谷制成米饭，用质构仪进行TPA 测试得到米饭的质构指标，其结果见表2。

表2 不同缓苏比对稻谷质构品质(TPA)的影响

大米的TPA指标可以客观、定量地反映大米蒸煮品质及陈化的变化趋势和情况。其中包括硬度、胶黏度、弹性、内聚性、黏性、咀嚼性、回复性7个指标。硬度、黏性和弹性是评价大米陈化的重要指标[30]，随着大米新鲜度的降低，硬度也随之增大、胶黏度及弹性降低，内聚性、回复性变差，咀嚼性降低。如表2所示，经过60 ℃缓苏后的稻谷在制成米饭后，硬度和弹性随缓苏比的增加而增大，胶黏度在缓苏前后也有显著变化。在缓苏比为1∶3时，硬度显著降低(P<0.05)、弹性及胶黏度与缓苏前相比无显著差异(P>0.05)，说明缓苏比为1∶3的60 ℃缓苏对米饭硬度、弹性和胶黏度的影响最小，且对其产生有利影响。这是由于大米食味品质受直链淀粉含量、蛋白质、脂质等成分的综合作用，而适当的缓苏比使大米中支链淀粉向直链淀粉的转化发生可逆反应，而缓苏比过低或过高都会影响淀粉的糊化特性，使大米中直链淀粉含量发生改变从而影响大米硬度、弹性及胶黏度[31]，其中，不溶性直链淀粉含量与硬度呈显著正相关，与米饭弹性、胶黏度呈极显著负相关[17]。但大米硬度还受多种因素的影响，干燥温度、初始含水量等都会对其硬度产生显著影响[32]。

郑先哲[32]认为稻谷经过高温(45 ℃以上)干燥后，米粒内部的淀粉结构由有序排列变得杂乱，而这可能会影响到大米的弹性、黏性等力学特性。咀嚼性是影响蒸煮大米食用品质的重要因素，可以反映米饭的食用口感，新鲜大米由于硬度较低、胶黏度较高，所需咀嚼力较低，因此咀嚼性能更低。随着大米品质的降低咀，嚼性也随之增高。由表2可知，在经过热泵干燥和远红外干燥后，稻谷均在缓苏比为1∶3时咀嚼性值最低，与未缓苏时的值无显著差异。说明经过不同缓苏比对大米的咀嚼性影响有所不同，缓苏比1∶3更有利于保持大米的咀嚼性，该项指标与硬度、胶黏度、弹性等指标在1∶3时的趋势相吻合。大米内聚性与回复性均在未缓苏时有最低值，60 ℃缓苏可以提高蒸煮米饭的内聚性和回复性。

2.5 基于隶属度综合评价法对干燥工艺的优化评估

通过对TPA各指标进行ANOVA方差分析的结果如表3及表4所示(表3为热泵干燥—缓苏结果、表4为远红外干燥—缓苏结果)。结果表明，分别经过热泵及远红外干燥的蒸煮米饭在TPA指标中，硬度与内聚性、黏性、咀嚼性和回弹力之间有极显著的相关性，而与胶黏度和弹性无显著相关性，因此在选取综合评价指标时，将硬度、内聚性、黏性、咀嚼性、回复力作为评价指标。即k1=k2=0.2,k3=0.1,k4=0.5(其中各评价指标的权重均为0.1)。

表3 经热泵干燥—缓苏的蒸煮米饭质构品质间的相关系数

注：**和*分别表示P<0.01 和P<0.05，余同。

表4 经远红外干燥-缓苏的蒸煮米饭质构品质间的相关系数

表5 两种干燥方式结合不同缓苏比工艺的隶属度综合评价得分及排名

根据隶属度综合评价法对各干燥工艺的综合评分如表5所示。由表5可知，综合得分最高的前两位依次为，缓苏比1∶3的远红外干燥及热泵干燥方式，得分分别为0.777和0.695；而缓苏比1∶2的远红外干燥和热泵干燥方式分别排名3、4；得分最低的两种工艺分别为未经60 ℃缓苏的单一远红外干燥方式及缓苏比为1∶4的远红外干燥方式。由此可以得出，综合研磨特性、脂肪酸值及TPA等各项指标，在60 ℃缓苏条件下缓苏比1∶3的远红外干燥为最优干燥工艺，缓苏比1∶3是最优缓苏比。

该评价方法所得结论与对出糙率、整精米率、TPA等单一指标评价干燥效果的结论相一致。在缓苏比为1∶3时，整精米率、出糙率、硬度、胶黏性对稻谷品质有显著正向影响(P<0.05)，而对内聚性和回复性的有显著性影响但无明显规律(P<0.05)；根据表5中各工艺的隶属度yi可以看出，未经缓苏的远红外干燥对多数指标的影响都处于不利地位，因此综合得分最低，而该结论同样与通过单一指标评价干燥效果的结论相吻合。说明基于隶属度的综合评价法可作为一种评价体系用于稻谷干燥工艺评价，能够根据定量得分全面、有效、客观地评价干燥—缓苏工艺，与单因素比较法相比，隶属度综合评价法更加客观准确，能够通过隶属度直观的看出某项指标对该工艺的贡献值，区分度更加明显。

3 结论

本研究比较了热泵和远红外两种干燥方式结合不同缓苏比缓苏对稻谷加工特性、脂肪酸值以及蒸煮米饭质构特性等的影响。两种干燥方式各具其优势，热泵干燥的研磨品质更好，远红外干燥速率更高且对稻谷脂肪酸值的影响较小。稻谷分别经过65 ℃ 热泵与65 ℃远红外干燥后，分别在60 ℃、缓苏比为1∶2和1∶3缓苏时，稻谷的整精米率达到最高，蒸煮米饭的硬度最低，咀嚼性最低，弹性、胶黏度与未经缓苏时相比无显著差异，仍保持较高水平。缓苏能显著提高蒸煮米饭的内聚性和回复性。稻谷经过适当的缓苏比能够保持米饭重要品质与单一干燥方式的结果无显著差别。稻谷的脂肪酸值随着缓苏比的增加呈略微增加的趋势。基于隶属度综合评价法可以全面客观地分析得出最佳干燥—缓苏工艺为经过65 ℃远红外干燥结合60 ℃、缓苏比为1∶3缓苏的干燥工艺，最佳缓苏比为1∶3。基于隶属度的综合评价法可以全面、有效、客观的评价干燥—缓苏工艺，与单因素比较法相比，隶属度综合评价法能够通过隶属度直观的看出某项指标对该工艺的贡献值，区分度更加明显，因此可作为一种综合评价体系用于稻谷干燥工艺评价。