稻谷缓苏干燥特性研究及动力学模型构建

王丹阳，王 洁，于文泽，魏志鹏，张本华，徐 波，高 虹

（1.沈阳农业大学工程学院，沈阳110161；2.北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044；3.沈阳市粮油检验监测所，沈阳110003）

缓苏可有效减少热敏性谷物在干燥过程中籽粒内部由温差应力和水分梯度应力差引发的裂纹率，既可以改善稻谷干燥质量又可提高能源利用率[1]。为此，粮食实际干燥生产中多增设缓苏环节[2]。任广跃等[3-5]分别通过试验验证了合理的缓苏干燥工艺可以有效加快稻谷、苹果以及茶薪菇的干燥速度，提高干燥品质。林子木等[6]利用响应面分析了缓苏时间对深层干燥后稻谷爆腰率、脂肪酸值、干燥效率的影响，得出随缓苏时间的增加爆腰率增加而干燥效率降低；MORTEZA 等[7-8]研究了干燥-缓苏的温度和时间对单位能耗、稻谷裂纹率、稻谷碾磨品质的影响规律，为节能高效的稻谷干燥工艺研究提供借鉴；周绪霞等[9]研究了缓苏比对稻谷营养品质及其蒸煮米饭质构特性的影响，得出缓苏比为1∶3时热泵干燥与远红外干燥两种方式干燥效果均为最佳。此外，为准确描述干燥过程中失水率与影响因素之间的关系，前人通过大量研究得出许多基于理论、半经验、经验的干燥动力学模型[10-11]。目前已广泛应用于生物质[12]、水果[13]、食品[14-15]等干燥特性的研究中。在粮食干燥领域也针对干燥动力学模型的适用性开展了广泛的研究[16]。齐德波[17]对比了14种干燥动力学模型，最终选取Weibull方程作为玉米薄层干燥方程；王安建[18]建立了花生热泵干燥动力学Page模型；王凤贺等[19]通过对比9种数学模型在油茶籽热风干燥中的适用性，得出Lewis模型预测效果最优。综上所述，我国在稻谷缓苏干燥已有多方研究，但针对深床缓苏干燥研究不多，且已有研究中多数研究者针对缓苏温度与缓苏时长进行了探讨，而对于什么时间缓苏、在什么位置缓苏、以什么方式缓苏、深床缓苏干燥特性等鲜有报道，对稻谷深床缓苏干燥过程研究分析还不够深入。本研究针对稻谷深层缓苏干燥工艺参数研究不全面、缺乏对该过程干燥特性参数研究问题，探究了缓苏时间、缓苏温度、缓苏起始含水率、缓苏方式、缓苏时刻等试验因子对稻谷干燥效率及干燥品质指标的影响规律，应用并对比6 种干燥数学模型，旨在选用较优模型预测干燥过程特性参数的变化，以得出较为可靠的稻谷深床干燥工艺参数优化范围，以期对稻谷干燥工艺优化和实际生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验选用沈阳领先种业的辽-盐粳98稻谷，试验前将原料进行筛选、除杂。根据GB 5009.3-2016测得稻谷初始含水率为10%～12%（w.b）。利用人工加湿法多次少量均匀加入相应质量的等离子水，以调节样品至所需水分。调配完成的物料装入双层塑料袋中储存于阴凉处 48h，期间每隔 3～4h 翻动 1 次，以保证谷温与环境温度一致及水分的平衡。试验前用烘箱法再次进行水分检测。

1.2 仪器与设备

自制稻谷深床缓苏干燥试验台、101-LES 型电热鼓风干燥箱（北京市永光明医疗仪器有限公司）、JA1002 型电子秤（赛多利斯工业称重设备有限公司，精度0.001g）、小型砻谷机（台州市路桥京奥梁用器材厂）、培养皿、取料器、聚光手电筒。其中自制稻谷深床缓苏干燥试验台结构如图1。

图1 自制稻谷深床缓苏干燥试验台结构Figure 1 The structure of the drying test bench in the deep bed of homemade rice

1.3 方法

1.3.1 试验指标的测定

1.3.1.1 水分比的测定 本研究中稻谷含水率均以湿基计算，其水分比计算方法为：

式中：MR为稻谷的水分比；Mt为干燥过程中t时刻稻谷含水率；Me为稻谷平衡含水率；M0为稻谷初始含水率。

1.3.1.2 爆腰增率的测定 试验前，将随机查取的稻谷原样分成3 个子样，每个子样中取出完整稻谷100 粒，手工剥壳后，用自制爆腰灯进行检测。凡有裂纹的糙米均属爆腰，其中有一道裂纹为轻度爆腰，两道裂纹为中度爆腰，两道以上裂纹为重度爆腰，有横纵交错裂纹的属龟裂[20]。取其3组的平均值为初始爆腰率。待干燥结束48h后稻谷爆腰率趋于稳定，此时于各层随机查取稻谷100粒分别测其爆腰率，求取均值为干后爆腰率。

1.3.1.3 干燥均匀度的测定 干燥均匀度通过测量计算干燥终了时刻干燥仓内各层各测点稻谷含水率标准差倒数进行评价[21]，干燥均匀度D值越高均匀性越好，反之越差。

1.3.1.4 整精米率的测定 参照GB/T21719-2008的方法进行。

1.3.1.5 初始发芽率的测定 参照GB/T5520-2011的方法进行。

1.3.2 试验方案 试验于2019年5月在沈阳农业大学工程学院干燥实验室进行，环境温度18～20℃，相对湿度39%～42%。由课题组前期试验得单因素试验中固定因素：风温60℃，风速0.8m·s-1，稻谷的初始含水率23%（w.b），谷层厚度为30cm，自下而上每隔5cm 分层，每层3个测点，共5层15个测点。选取缓苏时间、缓苏含水率、缓苏温度、缓苏方式、缓苏时刻为试验因素，爆腰率、发芽率、干燥均匀度、整精米率、净干燥时间为试验指标，试验过程中，每隔一定时间，用取料器取料测量各层稻谷含水率值并记录各测点传感器温度，直至顶层稻谷含水率低于14%（w.b）停止试验。试验方案如表1。

表1 试验工艺参数Table 1 Experimental process parameters

2 结果与分析

2.1 试验数据与分析

2.1.1 试验因素对爆腰增率的影响 由图2a可知，随缓苏时间的延长，稻谷爆腰增率波动较大，其中缓苏时间为3h和9h时可有效抑制爆腰率增长。由图2b可知，爆腰增率随缓苏含水率增加总体呈下降趋势，说明阈值区间内稻谷含水率较高时进行缓苏，连续干燥时间相对较短，可及时促进谷粒内外温差与水分差的平衡，稻谷籽粒内应力较小，致使爆腰率减少。由图2c可知，缓苏温度为40℃时稻谷爆腰增率出现低谷值，此时稻谷籽粒多为1 道裂纹；缓苏温度大于40℃时，籽粒多为多道裂纹甚至出现碎米，可知在60℃干燥条件下进行高温缓苏不利于稻谷内部应力平衡。由图2d 可知，采用停风的两种缓苏方式效果更好，其中停风保温时稻谷爆腰增率值最低，说明稻谷籽粒缓苏时供以适当热能有助于其内外部水分平衡，可抑制裂纹产生。由图2e可知，在干燥初期和末期时加入缓苏，会导致稻谷品质不佳；在第2 和第3 层稻谷含水率达到17.8%～18.2%时进行缓苏可以有效降低稻谷的爆腰增率，说明干燥时间过长或过短均不利于抑制稻谷裂纹的产生。

图2 不同缓苏工艺参数对爆腰增率的影响规律Figure 2 The effect of different experimental factors on the explosion waist increase rate

2.1.2 试验因素对发芽率的影响 由图3a可知，缓苏时间为12h时虽然可保持较高发芽率但生产效率将大幅降低，缓苏时间为3h和9h时稻谷发芽率分别为最高与最低值，说明过长的缓苏时间不利于稻谷种子保持生命活力。缓苏时间为1.5～6h效果最佳。由图3b可知，曲线的峰值出现含水率为17%～18%处，此时进行缓苏对发芽率有一定的正向作用。由图3c 可知，发芽率与缓苏温度呈负相关。低温缓苏干燥对稻谷生命活力保持更好，高温缓苏使稻谷蛋白质变性和凝固，导致了酶活性丧失。由图3d 可知，缓苏方式对发芽率整体影响不大，其中停风停温缓苏方式后的稻谷发芽率最高，而其他方式效果差异不明显。由图3e 可知，底层稻谷含水率达到18%时进行缓苏效果相对最差，说明干燥初期整仓稻谷干燥热能积累不足时即进行缓苏，易使中上层稻谷在低热高湿状态时间过长，影响其生态呼吸降低其生物活性。

图3 不同缓苏工艺参数对发芽率的影响规律Figure 3 The effect of different experimental factors on the germination rate

2.1.3 试验因素对干燥均匀度的影响 由图4a可知，缓苏时间为9h时干燥均匀度最好，说明缓苏时间过短会使稻谷籽粒无法有效地进行内外水分迁移，缓苏时间过长会引起籽粒外部自有水分的复流吸湿，待干燥热能重新积累时会出现小范围重复干燥现象，两种情况均会降低整体干燥均匀度。由图4b 可知，干燥均匀度整体随缓苏含水率的升高而增加，在缓苏含水率为18%时最好，在稻谷中高水分时加入缓苏可有效减少促进稻谷籽粒内部水分平衡。由图4c可知，缓苏温度为30℃时稻谷干燥均匀性达到0.8以上为最佳，由此60℃干燥时高温缓苏不利于稻谷干燥均匀性，这与由爆腰增率指标分析所得出结论类似。由图4d 可知，低风停温缓苏方式下干燥均匀度最好，这说明采用加入低速热风的缓苏操作可使稻谷水分扩散更加均衡。由图4e 可知，缓苏时刻为第3 层稻谷含水率达到18%时进行缓苏干燥均匀度最好，而在干燥初期和末期加入缓苏干燥均匀性明显较差，这与爆腰增率、发芽率指标分析结论基本一致，说明在干燥中间时段加入缓苏可有效促进稻谷籽粒内部水分的扩散。

图4 不同缓苏工艺参数对干燥均匀度的影响规律Figure 4 The effect of different experimental factors on drying uniformity

2.1.4 试验因素对整精米率的影响 由图5a 可知，干燥后稻谷整精米率随缓苏时间延长上下波动，其中缓苏时间为12h 时整精米率最高。由图5b 可知，整精米率与缓苏含水率整体上呈负相关，说明高含湿稻谷时增加缓苏容易使稻谷相对较长时间处于低温高湿环境而使籽粒内部反复吸湿干燥，致使爆腰率增加，整精米率降低。由图5c可知，随缓苏温度升高稻谷整精米率明显降低，缓苏温度超过50℃，整精米率将低于60%。由图5d可知，不同缓苏方式对整精米率影响不大，其中停风缓苏干燥后稻谷整精米率较高，说明缓苏过程中不增强稻谷籽粒外部环境干燥能力，更有利于其籽粒内部水分及温度应力的平衡与扩散，这与由爆腰增率、发芽率变化所得结论一致。由图5e 可知，在中间层稻谷含水率达到18%时进行缓苏，稻谷的整精米率明显优于干燥初期与干燥末期两种缓苏时刻，这与爆腰增率、发芽率、干燥均匀度分析结论基本一致。

2.1.5 试验因素对净干燥时间的影响 由图6a 可知，适度的缓苏时长可降低稻谷爆腰增率，但过长的缓苏时间会降低干燥效率，造成能源浪费。由图6b 可知，较高含水率条件下设置缓苏可获得较好的稻谷品质且净干燥时间及能源消耗较少。由图6c 可知，缓苏温度高于40℃时，净干燥时间会随缓苏温度增加明显降低。由图6d 可知，缓苏操作时通风增强外部环境干燥能力可有效降低稻谷干燥时间。由图6e 可知，净干燥时间随缓苏时刻延迟而减少，说明连续干燥时间越长积累干燥能越多，净干燥时间越短，但连续干燥时间过长干燥品质也越差。

图5 不同缓苏工艺参数对整精米率的影响规律Figure 5 The effect of different experimental factors on the rate of finishing rice

图6 不同缓苏工艺参数对净干燥时间的影响规律Figure 6 The effect of different experimental factors on the net drying time

2.2 深床缓苏干燥动力学模型建立与验证

2.2.1 干燥动力学模型 为更好地描述与预测热风深床缓苏干燥过程中稻谷的水分散失情况，本研究将稻谷深床缓苏干燥模型分割成5个薄层，选择6种常用的薄层干燥动力学模型对试验数据进行拟合，并引入计算模型参数值（R2、ME、SE、SSE）作为评价指标，以选取拟合精度高的模型表征稻谷深床缓苏干燥脱水过程。6种薄层干燥数学模型的方程式如表2。

2.2.2 干燥动力学模型的计算与分析 根据表2中常见的薄层干燥动力学模型与单因素试验结果，采用MAT-LAB 2016b软件中的非线性拟合函数lsqcurvefit对其进行非线性迭代拟合，得到各数学模型的模型常数。并将决定系数R2、平均相对百分比误差MRE、残差平方和SSE、标准差SE作为评价指标以综合评价稻谷深床缓苏干燥的最优模型[22-23]。6种数学模型的拟合结果如表3。拟合结果显示，Page模型拟合度最好，Logarithmic 模型拟合最差。因此，选定Page模型为最优稻谷深床缓苏干燥动力学模型，并对其进行验证。

表2 干燥动力学模型Table 2 Drying dynamics models

表3 6种数学模型的拟合结果Table 3 Fitting results for six mathematical models

2.2.3 模型验证 为验证模型的拟合精度，选取两组建模外不同试验条件下测得的水分比与6 种数学模型预测值进行比较分析，拟合曲线如图7，截断点处表示缓苏干燥阶段。模拟图像显示缓苏工序前后稻谷水分比和总干燥时间的函数关系可用指数函数或二次函数来描述。整体上看，缓苏干燥前Page模型可更好反应稻谷深床干燥的变化规律，而缓苏工序后模型预测值与试验测量值产生一定程度的误差，随着干燥时间的延长，误差值逐渐减小。

图7 不同干燥条件下6种数学模型的拟合曲线Figure 7 Six mathematical models fit curves under different drying conditions

为进一步验证Page 模型的预测准确性，在建模集以外数据中选4 组不同的试验条件，分别对Page 模型预测理论值与试验测量值进行对比研究(图8)。稻谷在不同干燥条件下所得的实际水分比与模型预测值较为接近，依据预测结果与试验结果计算其平均相对误差为5.41%。这说明随时间的变化，Page模型能够相对准确地反映稻谷干燥过程中含水率的变化，可用于预测深床缓苏干燥过程中缓苏前后稻谷水分比的变化规律，其建模结果为：MR=EXP(-0.4683*t0.4928)。

图8 不同干燥条件下试验值与模型预测值的比较Figure 8 Comparison of test values with model predicted values under different drying conditions

3 讨论与结论

采用传统方式进行稻谷热风干燥，极大降低其营养品质及食用品质、爆腰现象明显。为此，国内外很多学者深入探究了影响稻谷干燥品质的原因及改进措施。金毅[30]指出，缓苏干燥保证了加热的均匀性，避免因表面收缩、硬化以及褐变进而影响干燥品质。明确了合理的缓苏干燥工艺可有效改善物料的干燥特性。王珊珊[31]研究了缓苏比、缓苏温度、缓苏时间对水分梯度的影响，认为在稻谷籽粒干燥缓苏初期设置短时缓苏、中期单纯干燥、后期长时缓苏可有效缩短缓苏时间和减少次数。JUNG等[32]也通过实验与理论相结合方法分别验证了合理的缓苏干燥工艺可以有效加快大豆等食品的干燥速率，提高干燥品质。上述学者均表明缓苏工艺有助于提高粮食干燥速率、降低干燥应力，并在一定程度上进行了工艺参数的优化，效果较好。但通过进一步分析发现，干燥过程中何时进行缓苏、在什么位置缓苏、以什么方式缓苏等结论尚不清晰，仍有待进一步探究。

本研究综合分析各试验因子对干燥指标的影响规律，得出缓苏时间为3～9h、缓苏起始含水率为18%～20%、缓苏温度为30～50℃、缓苏时刻为中间层含水率达17.8%～18.2%（w.b）、缓苏方式为停风保温或停风停温时干燥效率高且干燥品质好。应用Page 模型进行稻谷缓苏干燥过程水分比参数数值模拟，其中R2=0.7739、MRE=1.1728、SSE=0.0634、SE=0.0915 在 6 种模型中表现最好，其建模结果为：MR=EXP(-0.4683*t0.4928)。对Page 模型进行验证试验，试验结果与模型预测结果对比得出，平均相对误差为5.41%，表明修正后的Page 模型可用于分析稻谷深床缓苏干燥过程中水分比的变化，可为缓苏干燥工艺参数的改进提供理论指导，但拟合精度还有待进一步提高。