稻谷微波干燥技术现状及连续式微波干燥机上的干燥试验研究

罗春兴 唐正 陈嘉睿 史健伟 阚立民 张紫恒 曹龙奎 张吉军

摘要：通过论述干燥技术对于稻谷贮藏的重要作用，分析稻谷微波干燥技术的原理及研究现状，得出稻谷在大型连续式微波干燥设备上的试验方案及结果分析。结果表明，在采用“间歇式”的微波干燥模式下，稻谷含水率下降幅度随着每循环干燥时间的增加而显著增强;稻谷含水率下降幅度随着微波强度的增加而增强;干燥过程中，稻谷籽粒的温度变化可以分为快速上升和趋于稳定2个变化阶段。采用“间歇式”的微波干燥方式对于减缓物料温升有积极作用。

关键词：稻谷微波干燥;干燥现状;间歇式微波干燥;试验研究

中图分类号：TS210     文献标志码：A    doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2020.02.019

Current Status of Rice Drying Using Microwave Drying Technology and

Drying Test Research on Continuous Microwave Dryer

LUO Chunxing，TANG Zheng，CHEN Jiarui，

SHI Jianwei1，KAN Limin1，ZHANG Ziheng1，CAO Longkui2，*ZHANG Jijun1

（1. College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China;

2. College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）

Abstract：The important role of drying technology on rice storage was discussed，the principle and research status of rice microwave drying technology were analyzed，the experimental scheme and result analysis of rice drying on large continuous microwave drying equipment were given. Experimental results showed that in using intermittent microwave drying mode，the decrease amplitude in moisture content of rice was significantly enhanced with increasing of drying time per cycle，the decrease amplitude in moisture content of rice was enhanced with increasing of microwave intensity. During the drying process，the temperature change of rice granules could be divided into two stages：rapid ascending phase and stabilizing phase. The use of intermittent microwave drying had a positive effect on slowing the temperature rise of the material.

Key words：rice microwave drying;drying status;intermittent microwave drying;experimental research

稻谷是我國三大谷物之一，据国家统计局数据显示[1-2]，2017年全国粮食总产量为61 791×104 t，稻谷产量为20 856×104 t，稻谷产量的占比约为33.75%;2018年全国粮食总产量为65 789×104 t，稻谷产量为21 213×104 t，稻谷产量的占比约为32.24%。从2017、2018两年的数据可以看出，我国水稻产量在粮食总产量中基本达到1/3，因此稻谷生产在国家粮食安全中占有重要地位。国内约60%的地区和人口以大米为主食[3]。随着生活水平的逐年提高，高品质稻谷在我国粮食消费中将受到越来越多的青睐。

稻谷在我国种植分布广泛，南北均有分布，南方的暖湿气候条件适合稻谷种植。收获后的稻谷贮藏是要解决的最后一公里问题。南方稻谷一般在夏季高湿环境下收获，稻谷的含水率较高;而北方地区一般在较干燥的秋季收获，稻谷含水率相对低一些，但都远高于安全水分。如果大批量稻谷收获后不能及时干燥到安全水分将会产生霉变;干燥过程的不合理方法也将会使稻谷在贮藏过程中产生品质劣变。据统计，我国每年收获的粮食中由于干燥不及时导致霉变的损失量占全年谷物总产量的1.5%～ 3.0%。南方雨季较长的省份这一比例可高达10%[4]。因此，收获后的稻谷进行及时干燥处理已经成为稻谷产后加工的必要环节。合理有效的干燥技术是解决稻谷贮藏最后一公里问题的核心手段。

随着我国稻谷行业的稳定发展，相应的稻谷干燥机械、干燥技术得以快速发展并取得了很大进步。目前，稻谷干燥技术主要包括热风干燥、远红外干燥、微波干燥、真空干燥、太阳能干燥等方法;稻谷干燥应用最成熟的干燥方法是热风干燥，但是热风干燥能耗高、效率较低，对环境污染具有一定影响。“保护环境、节约能源”成为我国未来长期的发展战略，因此发展节能、绿色干燥技术是适应国家战略、实现粮食干燥可持续发展的重要手段。微波干燥是一种节能、绿色干燥技术，研究对稻谷微波干燥原理、现状及基本试验研究进行阐述。

1   微波干燥技术的原理、特点及应用

微波是一种波长范围为1～1 000 mm，频率范围为3.0×102-3.0×105 MHz的高频电磁波。微波干燥原理是依靠以每秒几亿次速度进行周期变化的微波透入物料内，与物料的极性分子相互作用，物料中的极性分子（如水分子）吸收了微波能量后，改变了其原有的分子极性，以同样的高速度作电场极性运动，致使极性分子间频繁碰撞而产生大量的摩擦热，在宏观上表现为物料的温度升高，进而发生水分的蒸发，使物料失水从而得到干燥的目的[5]。与传统干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、节能、生产效率高、清洁生产、易实现自动化控制和提高干燥质量等优点[6]。因此，在粮食干燥、化工、冶金、食品加工、农产品干燥、保鲜与包装、杀菌杀虫等领域已得到了广泛应用。

2   稻谷微波干燥技术的发展现状

国内外学者在稻谷微波干燥领域进行了很多有价值的研究。Kim S S等人[7]研究了微波干燥中水分的扩散，Ofol I等人[8]模拟了微波干燥中食品热力学参数的变化，T T Chen等人[9]研究了微波与热风组合干燥过程中的热量和质量传递。国内针对不同类型稻谷的微波干燥研究主要集中在干燥特性、干燥工艺参数优化、干燥品质、干燥工艺流程、干燥灭菌等方面。

王俊等人[10]对粳稻的微波干燥特性及品质进行了试验研究。结果表明，稻谷微波干燥时的整个失水过程和温度变化过程都分为2个阶段，微波干燥贮藏3—6个月后稻谷内脂肪酸含量比热风干燥的低，表明微波干燥稻谷有利于长时间贮藏。于秀荣等人[11]对粳稻种子粮进行了微波干燥试验研究。结果表明，低功率、长流程的工艺条件干燥稻谷，可在降低水分的同时，保证稻谷的种用品质及爆腰率增加值低于5%，适宜的干燥功率和干燥时间是保证稻谷干燥效果的主要条件。朱德文[12]通过微波干燥粳稻的试验研究，证实了当稻谷微波干燥功率≤0.2 W/g，温度为50 ℃，平均失水率为0.1%/min时，可确保稻谷干燥后的品质和较高的发芽率，并减少稻谷干燥的爆腰率和降低脂肪酸含量，便于稻谷长期贮藏。张习军等人[13]研究了微波处理对粳稻品质的影响。结果表明，稻谷经微波处理后，温度呈线性上升，不同的微波处理条件对稻谷品质的影响有差异，适宜的微波条件对碎米率、爆腰率影响较小。梁礼燕[14]对热风和微波干燥粳稻的干燥特性进行了对比试验研究。结果表明，微波功率越大，稻谷的爆腰率增大，发芽率和整精米率下降。相对连续微波干燥，间歇干燥明显提高了稻谷干燥后的品质。杨慧萍等人[15]以微波、热风2种方式，在低温45 ℃和高温65 ℃恒温干燥工艺条件下处理粳稻，并与自然风干对照组比较试验。结果表明，低温时微波和热风干燥处理与自然风干对照组相比，改善了稻谷品质。高温时，微波和热风干燥处理与自然风干对照组相比，稻谷品质受损，不利于后期的贮藏及食用。上述研究者进行微波干燥研究采用的设备主要为微波炉或微波化学反应器或微波干燥实验台，这些试验设备所能提供的微波功率较低、干燥稻谷量较少，与实际生产存在一定的差距。

郑先哲，王磊，于洁等人[16-18]针对活性米在连续式微波干燥设备上进行了干燥深入研究，取得了较好效果。张斌等人[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，以及微波处理对稻谷加工品质及微生物量的影响。结果表明，适宜的微波处理在保障高水分稻谷加工品质的前提下，可显著缩短干燥时间，并获得高质量的杀菌效果。刘雅婧等人[20]以热风干燥法为对照，研究了微波干燥对高水分稻谷中脂肪酶、脂肪氧化酶和过氧化物酶活性的影响。结果表明，微波处理对稻谷脂肪酶、脂肪氧化酶和过氧化物酶的反应最适温度和热稳定性、最适pH值和pH值稳定性均有影响。虽然这些研究采用的是連续式微波干燥设备，但干燥方式不是间歇式的。通过大型连续式微波干燥设备进行间歇式的稻谷微波干燥未见公开报道，研究将在连续式微波干燥设备上进行间歇式的稻谷微波干燥特性试验。

3   稻谷在连续式微波干燥设备上的“间歇式”干燥试验研究

3.1   材料与方法

3.1.1   材料与设备

试验用水稻品种为垦粳1501号品种，黑龙江八一农垦大学农学院提供。由于试验是在非收获季节进行的，因此所用水稻为较干燥的水稻。水稻在干燥试验前要先进行除杂处理，然后进行喷湿处理，使水稻含水率达到收获时的含水率。

隧道式微波干燥机，甘肃天水华圆制药设备有限公司产品;电热鼓风干燥箱，上海森信实验仪器有限公司产品;水分分析仪，奥豪斯常州仪器有限公司产品;精密电子天平，普利塞斯上海天美天平仪器有限公司产品;便携式红外测温仪等设备。

3.1.2   试验因素水平的选取

采用单因素试验方法，在排湿风速为1.45 m/s的条件下，选取微波强度（W/g）、每循环干燥时间（min）2个因素，每个影响因素选取5个水平值。微波强度分别取2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g;每循环干燥时间分别取1.02，2.00，3.85，6.25，   8.33 min，通过改变干燥机传送带速度来改变干燥时间。试验微波功率5 kW，采用特制干燥盒称取定量物料进行干燥。

3.1.3   试验方法

固定每循环干燥时间、排湿风速不变，改变微波强度，研究微波强度对于稻谷干燥特性的影响;固定每微波强度、排湿风速不变，改变每循环干燥时间，研究每循环干燥时间对于稻谷干燥特性的影响。干燥试验中采用间歇式的干燥方式（干燥与不干燥交替进行），可以更好地保证稻谷的干燥品质。

3.1.4   试验指标的测定

（1）稻谷初始含水率的测定。采用105 ℃烘箱法进行干燥前物料初始含水率的测定，测定3次，取平均值。测得试验稻谷的初始含水率约为25.97%。

（2）稻谷实时含水率的测定。以干燥过程中物料干物质保持不变的原理为依据，通过测量每次干燥循环后的稻谷质量，计算出稻谷实时含水率。

（3）物料温度的测定。采用便携式红外测温仪测定物料温度，每循环干燥结束后从连续式微波干燥机出料口处测物料温度，操作要规范迅速。采用测温仪测定稻谷中层的中心和同一层面上离中心 等距的周边4个点的温度，然后取平均值作为稻谷温度。

3.2   结果与分析

3.2.1   每循环干燥时间对稻谷干燥特性的影响

在风速1.45 m/s，微波强度2.98 W/g的不变条件下，选取每循环干燥时间分别为1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min进行循环干燥试验。

不同每循环干燥时间下稻谷含水率变化曲线见图1。

由图1可知，在微波干燥过程中，稻谷含水率下降幅度随着每循环干燥时间的增加而显著增强。随着每循环干燥时间的增加，干燥循环次数明显减少。原因在于，随着干燥时间的增加，使得微波辐照物料上的时间增加，热量累积快速增加，水分蒸发加快。由图1可知，当干燥时间为6.25 min时，干燥1次循环水分下降到约15.85%;干燥2次循环水分下降到约7.4%;当干燥时间为8.33 min时，干燥1次循环水分下降到约12.34%。可见，这2种干燥时间使物料水分下降过快，不利于保证稻谷原有的品质。

不同每循环干燥时间下稻谷籽粒温度的变化曲线见图2。

由图2可知，在不同的每循环干燥时间下，稻谷籽粒温度首先快速增加，然后缓慢增加，温度变化基本可以分为快速上升阶段和趋于稳定阶段。原因在于干燥初期，稻谷吸收微波能力强，温度增加快;在干燥中后期，水分蒸发吸热与稻谷吸收微波能产热大致平衡，温度趋于稳定。不同每循环干燥时间对于温度的变化幅度有差异性影响，干燥时间超过2.0 min时温度升高较快，最高温度变化幅度不超过5 ℃，最高温度不超过61 ℃。总体温度不算高的原因主要是采用“间歇式”的干燥方式，间歇阶段稻谷水分得到一定的平衡，稻谷温度有所下降，再进行干燥时温度增加的幅度减小，因此总体稻谷最高温度不算高，这有利于保持稻谷原有的品质。

3.2.2   微波强度对稻谷干燥特性的影响

在风速1.45 m/s、每循环干燥时间为2.0 min的条件下，选取微波强度分别为2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g进行循环干燥试验。

不同微波强度下稻谷含水率变化曲线见图3。

由图3可知，在微波干燥过程中，稻谷含水率下降幅度随着微波强度的增加而增强，但是变化存在差异性。微波强度为2.08，2.98，3.97 W/g时降水幅度变化显著;当微波强度增大到4.97，5.87 W/g时，降水幅度变化不显著。原因主要在于，微波强度为2.08，2.98，3.97 W/g时干燥的稻谷量较多，吸收微波能力强，降水较快;当微波强度为4.97，5.87 W/g时干燥的稻谷量偏少，吸收微波能力较弱，降水变缓。

不同微波强度下稻谷籽粒温度的变化曲线见 图4。

由图4可知，在不同微波强度下，稻谷籽粒温度变化首先快速增加，然后缓慢增加。温度变化也可分为快速上升阶段和趋于稳定阶段。不同微波强度对于温度的变化幅度有一定影响，但是差异性不显著，最高温度变化幅度不超过8 ℃，最高温度不超过66 ℃。总体温度变化的原因与图2变化原因基本一致。

4   结论

（1）在连续式微波干燥设备上进行间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随着每循环干燥时间的增加而显著增强，稻谷含水率下降幅度随着微波强度的增加而增强，但是变化存在差异性。

（2）在不同微波强度、不同每循环干燥时间条件下，稻谷籽粒温度先是快速增加，然后是缓慢增加。温度变化基本可以分为快速上升阶段和趋于稳定阶段。不同微波强度、不同每循环干燥时间对于温度的变化幅度有一定影响，但是存在差异性，物料最高温度整体不算高，表明“间歇式”的微波干燥对于减缓稻谷干燥过程中的温升具有积极作用，进而对于保证稻谷原有品质有利。

参考文献：

国家统计局. 国家统计局关于2017年粮食产量的公告[EB/OL]. http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201712/t2017120 8_1561546.html，2017-12-08.

国家统计局. 国家统计局关于2018年粮食产量的公告[EB/OL]. http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201812/t2018121 4_1639544.html，2018-12-14.

智研咨询. 2016年中国水稻行业市场规模现状回顾及未来投资前景趋势可行性预测[EB/OL]. http：//www.chyxx.com/industry/201610/455970.html，2016-10-12/2017-02-18.

王成芝. 谷物干燥原理与谷物干燥机设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨出版社，1997：102-110.

崔勇. 粮食微波干燥技术的研究浅探[J]. 南方农机，2008（5）：36-38.

王永周，陈美，邓维用. 我国微波干燥技术应用研究进展[J]. 干燥技术与设备，2008（5）：219-223.

Kim S S，Bhowmik S R. Effective moisture diffusivity of plain yogurt undergoing microwave vacuum drying[J].Journal of Food Engineering，1995，24（1）：137-148.

Ofol I，R Y Komol prasert. On the thermal modeling foods in electromagnetic fields[J]. Journal of Food Processing and Preservation，1998（12）：219-241.

T T Chen，J E Dutrizac，K E Haque. The relative transparency of minerals to microwave radiation[J]. Canadian Metallurgical Quarterly，2001，23（3）：349-351.

王俊，金天明，許乃章. 稻谷的微波干燥特性及质热模型[J]. 中国粮油学报，1998，13（5）：6-9.

于秀荣，赵思孟，周长智. 微波干燥稻谷的研究[J]. 郑州粮食学院学报，1997，18（1）：63-67.

朱德文. 微波干燥稻谷的试验研究[J]. 粮油加工与食品机械，2004（3）：49-51.

张习军，熊善柏，赵思明. 微波处理对稻谷品质的影响[J]. 中国农业科学，2009，42（1）：224-229.

梁礼燕. 热风、微波薄层干燥稻谷品质研究[D]. 南京：南京财经大学，2011.

杨慧萍，蔡雪梅，陈琴. 两种温度两种干燥方式对稻谷品质的影响[J]. 粮食储藏，2013，42（1）：34-38.

郑先哲，于洁，张艳哲，等. 活性米微波干燥特性及品质研究[J]. 东北农业大学学报，2015，46（11）：86-94.

王磊. 活性米微波干燥系统的研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2016.

于洁. 活性米微波干燥特性及工艺研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2016.

张斌，刘雅婧，丁超，等. 微波-热风联合干燥对高水分稻谷加工品质及微生物量的影响[J]. 中国粮油学报，2018，33（9）：106-112.

刘雅婧，陆晨浩，赵腾，等. 微波干燥对高水分稻谷酶活力及稳定性的抑制[J]. 食品工业科技，2019（5）：3-10.

收稿日期：2019-08-26

基金项目：2019黑龙江省大学生创新创业训练计划项目“大型隧道式微波干燥机的设计建模、虚拟仿真及杂粮干燥试验研究”

（201910223023）。

作者简介：罗春兴（1998—   ），男，本科，研究方向为机械设计制造及其自动化。

通讯作者：张吉军（1977—   ），男，硕士，副教授，研究方向为粮食干燥及机械。