不同烘干工艺参数对玉米品质的影响

冯指名 王小萌 谢奇珍 王瑞丽娄 正 师建芳 翟晓娜

(农业农村部规划设计研究院农产品加工工程研究所1，北京 100125)(农业农村部农产品产后处理重点实验室2，北京 100121)(沈阳农业大学工程学院3，沈阳 110866)

玉米是我国三大粮食作物之一，还是主要的饲料原料和重要的工业原料。高含水率玉米必须经过降水达到安全储存方能入库储存，而烘干则是储存前的关键处理环节[1]。目前实际应用的烘干设备绝大多数采用热风烘干，若烘干参数选取不当，会严重影响玉米的品质，从而降低玉米的加工和使用价值。陈俊轶等[2]研究3个干燥段的热风温度和相对湿度与不饱和脂肪酸的耦合关系，结果表明不饱和脂肪酸在三段热风温度35 ℃-50 ℃-50 ℃、相对湿度为30%-45%-30%时达到6.553%，玉米的营养物质含量最高；杨平等[3]研究发现当烘干温度超过60 ℃时玉米粒则会发生蛋白质变性，而超过71 ℃时则会引起淀粉糊化；刘劼武等[4]针对储粮公司的274万t中央储备玉米烘后脂肪酸值变化情况进行跟踪研究，对比谷物存储品质评价指标，建议脂肪酸值≤65 mg KOH/100 g时为宜存，脂肪酸值≤78 mg KOH/100 g时为轻度不宜存，脂肪酸值>78 mg KOH/100 g时为重度不宜存，此建议已列入《玉米储存品质判定规则》[5]中；成军虎[6]对比研究热风和真空两种干燥条件下玉米品质的变化规律，发现热风温度大于80 ℃时，玉米裂纹率超过50%，而相同温度下真空干燥的裂纹率在48%以下；刘焱峰等[7]研究烘干温度对玉米脂肪酸值的影响规律，得出当温度在55 ℃时，脂肪酸值变化明显；冯和平等[8]对不同含水率的玉米在不同热风温度干燥后进行准静态压缩实验、剪切实验和应力松弛实验，发现初始含水率越低的玉米，越不容易被破坏，承受载荷最高可达到0.35 P/KN。

本实验旨在研究在不同初始含水率条件下，实际烘干工艺对烘后玉米电导率值、脂肪酸值、淀粉得率的影响规律，其中电导率值可反应种子的活力[9]，发芽率越高相应的电导率越低[10]；脂肪酸值是判定粮食存储时间的重要指标，当超过78 mg KOH/100 g时为重度不宜存[5,11,12]；淀粉得率是评价玉米淀粉加工品质的的重要指标，淀粉质量分数超过69.9%时可入选高淀粉玉米[13]。

1 材料与方法

1.1 实验材料与分析

选用2019年10月产于衡水冀州无破损、无霉变，色泽气味均正常的未烘干玉米，通过人工晾晒将玉米初始含水率调整为29.86%、27.89%、24.53%、22.45%、20.67%、18.68%(w.b.，下同)。实验结果均采用平均值±标准差表示，并使用Excel进行制图及数据拟合，利用Excel 2010对各指标在95%水平上进行相关性分析。

1.2 主要仪器与试剂

BJ-150多功能粉碎机，B11-1型恒温磁力搅拌器；FFE-38电导率仪，JTL-C50T粉碎机，FB224自动内校电子分析天平，DHG-9070A鼓风烘干箱，HE53/02水分测定仪。

无水乙醇、氢氧化钾、亚硫酸、酚酞、氢氧化钠等试剂均为分析纯。

1.3 方法

1.3.1 品质指标测定1.3.1.1 脂肪酸值

参照GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值得测定》的方法进行测定。

1.3.1.2 电导率

在室温条件下，称取30 g玉米于烧杯内，添加200 mL蒸馏水，浸泡24 h后测定电导率[14]。

1.3.1.3 淀粉得率

淀粉提取：在52 ℃下，将30 g烘干后的玉米籽粒于0.2%亚硫酸溶液中浸泡48 h；浸泡完成后，将玉米籽粒放入1 000 mL带钝刀片的搅碎器中，加入150 mL蒸馏水后粉碎浆液过40目筛，并用800 mL蒸馏水冲洗筛子；过滤后的浆液沉降30 min后倒出850 mL的上清液作为溶液1保留；余下浆液用搅碎器再磨3 min，过140目的筛子后，用溶液1冲洗筛子，溶液沉降1 h后，将上清液利用真空泵进行抽滤后于50 ℃环境下烘干2 h[15]。淀粉得率计算：

淀粉得率=提取的淀粉量(g)/浸泡前玉米量(g)×100%

1.3.2 单因素实验

每次实验称取90 g含水率分别为18.68%、20.67%、22.45%、24.53%、27.89%、29.86%的玉米，平均放置于3个干燥铝盒内，厚度约为15 mm，置于40、45、50、55、60、65 ℃的电热鼓风烘干箱(T±0.5)℃中鼓风烘干。实验采用烘干缓苏工艺，即烘干—缓苏—烘干—缓苏—烘干—缓苏，直至玉米含水率达到15%左右。单次烘干时间分别为5、7.5、10、12.5、15 min，缓苏时间均为10 min，烘干结束后，各样品在室温下放置3 h后于4 ℃冷藏备用。不同初始含水率玉米初始电导率值、初始淀粉得率值和初始脂肪酸值如表1所示。

表1 不同含水率的玉米品质指标初始值

1.3.3 响应面实验

根据单因素实验结果，以烘干温度、单次烘干时间、玉米初始含水率3个因素为自变量，电导率差值、脂肪酸值、淀粉得率为响应值，采用Box-Behnken设计方法制定响应面实验方案，实验设计由17个实验点(包括5个中心实验点)组成。

2 单因素实验结果与分析

2.1 烘干温度对玉米品质的影响

烘干温度对玉米的质量指标和品质指标有着不同程度的影响，是烘干过程中极为重要的参数[16，17]。图1是在烘干时间为10 min，玉米初始含水率为22.45%的条件下不同烘干温度对玉米品质的影响，由图1可以发现，随着烘干温度的增高，脂肪酸值、电导率和淀粉得率的差值随之上升。烘干温度升高导致蛋白质吸水能力降低，浸泡溶出物增加，淀粉与蛋白质分离困难[18]，这是造成淀粉得率差值上升的主要原因；同时，由于淀粉颗粒流失，导致玉米细胞膜透性增大，细胞活性降低，因此电导率和脂肪酸值增加。

图1 烘干温度对玉米品质的影响

2.2 烘干时间对玉米品质的影响

为模拟实际烘干作业流程，实验采用烘干—缓苏工艺，即烘干—缓苏—烘干—缓苏—烘干—缓苏，直至玉米含水率约为15%。单次烘干时间范围为5～15 min，单次缓苏时间固定为10 min。由图2可知，在烘干温度为55 ℃，含水率为22.45%的玉米条件下，当烘干时间超过10 min，电导率和淀粉得率变化趋势增大。

图2 烘干时间对玉米品质的影响

2.3 不同初始含水率对玉米品质的影响

由图3可知，在烘干温度55 ℃，烘干时间10 min的条件下，淀粉得率的差值呈曲线上升趋势；脂肪酸值的差值总体呈线性上升趋势，变化相对不明显；电导率的差值呈上升趋势。随着玉米初始含水率增加，电导率开始缓慢上升；当玉米含水率超过22.5%时，电导率急速上升。

图3 初始含水率对玉米品质的影响

2.4 烘干参数与玉米品质指标相关性分析

为了更直接地了解不同烘干参数对玉米品质的影响，利用烘干后玉米品质指标的数值与各烘干参数作相关性分析，分析结果见表2。玉米品质指标与各烘干参数之间存在显著或非常显著相关关系，并且各烘干参数的相关系数的数值存在较大差异。可以得出，在玉米烘干作业中，烘干温度对玉米品质影响最大也最为重要，其次是烘干时间，影响最低的是玉米的含水率。

表2 烘干参数与玉米品质指标的相关性

3 响应面实验结果与分析

3.1 响应面方差分析

方差分析实验方案安排如表3所示，并利用Design软件对实验数据进行辅助分析。经过数据分析，得到了烘干过程中玉米的电导率、脂肪酸值和淀粉得率随烘干时间、烘干温度和初始玉米的含水率变化的二次回归方程。并对方程中的各项系数进行显著性检验，得到电导率、脂肪酸值和淀粉得率方差分析结果分别如表4、表5、表6所示。

表3 实验方案表

表4 电导率方差分析表

表5 脂肪酸值方差分析表

表6 淀粉得率方差分析表

由方差分析结果可知，3个回归模型的P值小于0.01，说明模型高度显著，并且3个模型的决定系数R2分别是99.83%、99.4%、99.43%，说明通过分析得到的回归方程精度较高，拟合效果较好，可使用该模型表示变化趋势；依靠方差分析表剔除不显著因素，最终得到的电导率(Y1)、脂肪酸值(Y2)、淀粉得率(Y3)关于烘干时间、烘干温度和初始含水率的标准回归模型，如式(1)～式(3)所示。

(1)

(2)

(3)

3.2 交互因素的影响规律分析

由表4～表6可以看出烘干温度、烘干时间和初始含水率的单一因素和组合因素对电导率、脂肪酸值和淀粉得率均有显著的影响，充分说明烘干温度、烘干时间和初始含水率与电导率、脂肪酸值、淀粉得率之间的交互作用显著。

3.3 参数优化处理

通过选取电导率差值最小值、脂肪酸值最低值、淀粉得率的最高值得出最优烘干参数组合。在单次烘干时间为7.7 min，烘干温度为49.4 ℃，初始含水率为20.67%的参数组合下，电导率差值为4.74μs/cm，脂肪酸值为10.2 mg KOH/100 g，淀粉得率为42.5%。

3.4 验证实验

为验证实验结果是否可靠，在模型所得的最优提取条件组合——单次烘干时间7.7 min，烘干温度为49.4 ℃，初始含水率为20.67%条件下，进行3次烘干实验，测得电导率差值为4.49 μs/cm，脂肪酸值为10.86 mg KOH/100 g，淀粉得率为41.8%，与模型所预测的理论值吻合。

4 结论

本研究以电导率、脂肪酸值和淀粉得率为玉米品质指标，全面研究了不同初始含水率的玉米在不同烘干工艺条件下的品质变化规律，实验结果表明，烘干参数对玉米电导率和淀粉得率影响的显著顺序为：烘干时间>烘干温度>初始含水率，由此可以推测，想要获得高品质的玉米，烘干过程中应采用烘干—缓苏的工艺或在一定烘干温度下缩短一次性烘干的时间。对玉米脂肪酸值影响的显著顺序为：烘干温度>烘干时间>初始含水率，可以得出对长期储藏的玉米，烘干温度越低，储藏品质越高。

本研究通过单因素与响应面实验建立了玉米电导率、脂肪酸值、淀粉得率与烘干温度、烘干时间和玉米初始含水率之间的关系模型分别为：Y1=6.28+3.64A+1.8B+5.99C-0.6AB+2.94AC+1.57BC+2.58A2+2.57B2+2.15C2、Y2=21.36-3.17A+6.83B+4.16C+AC-1.35BC-0.95B2、Y3=35.17-2.73A-3.37B-4.64C+3.46AC+1.45BC+12.16C2。验证实验表明该模型预测精度较高，预测值与实验值误差小于10%，拟合效果好。通过选取电导率差值最小值、脂肪酸值最低值、淀粉得率的最高值得出在初始含水率为20.67%，玉米最优烘干参数组合为单次烘干时间为7.7 min，烘干温度为49.4 ℃。