稻谷热风干燥缓苏工艺参数优化与试验

王丹阳，王 洁，邱 硕，战廷尧，陶冬冰，张本华

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866； 2. 沈阳农业大学食品学院，沈阳 110866； 3. 宿迁学院机电工程学院，宿迁 223800）

0 引 言

水稻是世界第二大粮食作物，收获后需将其干燥至安全含水率才能长期贮存。而传统连续式热风干燥存在干燥效率低、干后爆腰严重、食用品质及营养品质降低等诸多问题[1-3]。为此，在稻谷干燥生产中多增设缓苏环节。缓苏干燥是一种周期性干燥技术，缓苏阶段停止对稻谷持续加热，稻谷内部水分在水势作用下重新扩散分布，待其重新获得干燥热能后水分扩散速率和表面蒸发速率便明显增加[4]。段续[5]和Seth等[6]指出，缓苏干燥保证了稻谷安全受热的均匀性，避免了由短时集聚的高温环境造成的干燥品质恶化，如表面收缩、硬化以及褐变等，可有效地改善物料的干燥特性。荔淑楠[7]、宫元娟[8]、Venkitasamy[9]、Jung[10]等也通过试验与理论分析相结合的方法分别验证了合理的缓苏干燥工艺可有效加快当归、香菇、开心果、大豆等农产品干燥速率，同时提高其干燥品质。

缓苏干燥工艺参数主要包括干燥段与缓苏段工艺参数以及两者间的匹配[11]。目前，多数学者针对干燥段参数与缓苏时间等部分缓苏段参数探究了稻谷宏观指标的变化，如Zhou等[12]探究了红外辐射干燥和热泵干燥两种干燥方式及缓苏比对长粒稻米碾磨品质的影响；吴中华等[13-14]分别探讨了干燥温度与缓苏温度对稻谷裂纹率的影响及缓苏温度、缓苏比和缓苏时间对干燥速率的影响。以上研究缺乏针对缓苏条件如缓苏时刻、缓苏温度、缓苏时长等问题的系统性分析，且不同参数对稻谷营养品质的影响规律亦有待深入全面研究。为此，本文在前人研究成果基础上，利用隶属函数模型综合探究了缓苏干燥工艺对稻谷外观品质（爆腰增率、整精米率）与营养品质（蛋白质质量分数、脂肪酸值）的影响规律；应用响应面法综合分析缓苏时刻、温度、时长对稻谷品质的影响并进行参数优化。建立缓苏调控参数与干燥品质间的量化关系，为揭示制约稻谷热风干燥高效优质协同的内在机理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的稻谷品种为辽粳401，2021年购于辽宁建华种业有限公司，初始湿基含水率为11.2%～11.9%。根据试验要求，利用人工加湿法调节样品湿基含水率至设定值23.0%±0.2%。调配完成的稻谷装入双层塑料袋中，于阴凉处储存48 h，期间每隔3～4 h翻动一次，以保证吸湿均匀。试验前用烘箱法再次进行水分检测。

1.2 试验设备与仪器

101-LES型电热鼓风干燥箱（北京市永光明医疗仪器有限公司）、HY-1B型远红外干燥箱（天津市通利信达仪器厂）、DA7200固定光栅近红外成分分析仪（瑞典波通仪器公司）、检验砻谷机（台州市路桥京奥梁用器材厂）、JA1002型电子秤（赛多利斯工业称重设备有限公司，精度0.001 g）、试验筛（直径5 cm，24目）、自制爆腰灯等。

1.3 试验指标的测定

爆腰增率测定：参照GB/T 5496-1985的方法于干燥结束24 h后进行。

蛋白质质量分数测定：参照GB/T 24897-2010的方法进行。

脂肪酸值测定：高温或高湿的干燥环境极易使稻米中的脂肪氧化生成游离脂肪酸，进一步分解会产生醛、酮等气味不好的化合物等，极大影响大米营养价值与食味品质，其含量由脂肪酸值表示[15-16]。测定方法参照GB/T 29405-2012进行。

1.4 数据处理及统计分析

基于隶属度的综合评价法可作为一种评价体系更加全面、客观、准确评价试验结果，因此该研究采用隶属函数法，结合主成分分析结果对单因素试验中稻谷的干燥品质进行综合评定[17]。评定指标体系包括爆腰增率、整精米率、蛋白质质量分数、脂肪酸值，即因素集U= (爆腰率u1，整精米率u2，蛋白质质量分数u3，脂肪酸值u4)。根据对稻谷干燥品质的正面、负面影响，可将指标数据划分为：正向指标，包括u2、u3；负向指标，包括u1、u4。根据隶属度理论，构建模糊转换矩阵[18]。对于指标数据的标准化处理如式（1）所示：

式中xj表示第j个综合指标，u(xj)为第j个综合指标的隶属函数值，xmax与xmin分别为第j个综合指标的最大值与最小值。

同时，采用Excel2019对数据进行统计；SPSS26.0软件进行方差分析、相关性分析；Design-Expert 12软件进行三元二次正交旋转组合试验设计与结果分析。

2 单因素试验

2.1 试验设计

试验于2021年3月在沈阳农业大学工程学院实验室进行，环境温度8～15℃，相对湿度39%～42%，试验方案如表1所示。试验选取缓苏温度、缓苏起始含水率、缓苏时间、是否进行缓苏循环4因素为试验因子，分别测定并分析了单因素试验因子对稻谷爆腰增率、整精米率、蛋白质质量分数以及脂肪酸值的影响。

2.2 试验条件及结果

设定热风干燥温度为45 ℃（考察缓苏温度的单因素试验除外，该试验中干燥温度为40 ℃），风速为0.6 m/s，每次干燥样品质量为200 g左右，稻谷层厚度为2 cm，稻谷含水率干燥低至14%后结束试验，各单因素试验具体试验条件如表1所示。

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2.2.1 缓苏温度对稻谷品质的影响

固定缓苏起始时刻为稻谷平均含水率达18%，缓苏时长为90 min，单次缓苏操作，分别考察稻谷缓苏温度30、40、50、60、70 ℃对稻谷品质的影响，试验结果如表2所示。随着缓苏温度的升高，稻谷爆腰增率与脂肪酸值呈先减小后增加趋势，整精米率与蛋白质质量分数则先升高再降低。综合来看，50～60 ℃范围内稻谷的干燥品质较好。

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2.2.2 缓苏起始含水率对稻谷品质的影响

固定缓苏温度50 ℃，缓苏时长为90 min，循环缓苏，分别考察缓苏起始含水率22.18%、21.69%、21.40%、21.00%、20.73%、19.00%、18.00%、17.00%对稻谷品质的影响，试验结果如表3所示。随着缓苏起始含水率的降低，稻谷爆腰增率逐渐增加，整精米率与脂肪酸值呈递减趋势，而蛋白质质量分数则在4.44%～5.10%之间波动。整体来看，阈值范围内相对较短的持续干燥时间有利于减缓稻谷干燥品质的劣变。

表3 缓苏起始含水率对稻谷干燥品质的影响Table 3 Effects of moisture content on the quality of paddy rice at the beginning of tempering

2.2.3 缓苏时长对稻谷品质的影响

固定缓苏温度50 ℃，缓苏起始时刻为稻谷含水率达21.69%，循环缓苏，分别考察缓苏时长1.00、1.50、2.00、3.00、3.33、3.67、4.00 h对稻谷品质的影响，试验结果如表4所示。随着缓苏时长的增加，稻谷爆腰增率与蛋白质质量分数先降低后增加，整精米率变化趋势与之相反，而脂肪酸值则在11.11%～12.77%范围内上下波动。

表4 缓苏时长对稻谷干燥品质的影响Table 4 Effects of tempering time on the quality of paddy rice

2.2.4 是否进行缓苏循环干燥对稻谷品质的影响

固定缓苏温度50 ℃，缓苏起始时刻为稻谷含水率达21.69%，分别考察单次缓苏与循环进行缓苏干燥对稻谷品质的影响, 试验结果如表5所示。整体上看，不同缓苏时长下，单次缓苏干燥后的稻谷爆腰增率、蛋白质质量分数高于循环缓苏干燥，整精米率与脂肪酸值的变化趋势则相反。由此可知，循环缓苏干燥更有利于提升稻谷干燥品质。

表5 是否进行缓苏循环干燥对稻谷品质的影响Table 5 Effects of single or cycle tempering drying on the quality of paddy rice

2.3 试验结果分析

2.3.1 方差分析

利用SPSS26.0对各试验因素进行方差分析，结果（表6）表明：缓苏起始含水率、缓苏时长、缓苏温度均对干燥后各指标呈显著性影响（P＜0.05），是否循环缓苏对试验结果影响不显著（P＞0.05，除脂肪酸值）。因此，根据单因素试验分析结果，采用循环缓苏干燥方式进行多因素优化试验。

表6 不同干燥工艺参数下稻谷品质的方差分析Table 6 Analysis of variance of rice quality under different drying process parameters

2.3.2 综合指标权重确定

本研究采用主成分分析法确定评价指标的公因子方差，并以各指标公因子方差在总体方差的比例作为指标的权重，结果如表7所示[19]。结果显示稻谷爆腰增率、整精米率、蛋白质质量分数及脂肪酸值所占权重均大于20%，说明这4项指标均为稻谷缓苏干燥的关键性指标。

表7 线性组合系数及权重结果Table 7 Linear combination coefficient and weight result

2.3.3 隶属函数模型对稻谷品质的综合评价

根据表7所示各指标权重，计算得出不同缓苏干燥参数条件下稻谷品质的隶属函数值及综合得分（得分越高，说明稻谷综合干燥品质越好），见表8。通过比较单因素各试验因子的综合得分，可确定缓苏温度为40～60 ℃、稻谷缓苏起始含水率为19.00%～22.18%、缓苏时间为1.50～3.00 h时进行循环缓苏干燥稻谷品质较佳。

表8 试验因素的隶属函数值及综合评价结果Table 8 Membership values of test factors and comprehensive evaluation results

3 多因素优化试验

3.1 试验设计方案及结果

为系统研究缓苏干燥因子对稻谷干燥特性的影响规律及最佳参数组合，根据单因素试验结果，在不通风循环缓苏干燥条件下，选取缓苏起始含水率（X1）、缓苏温度（X2）及缓苏时长（X3）为自变量，爆腰增率（Y1）、蛋白质质量分数（Y2）、脂肪酸值（Y3）为因变量，采用星点设计-响应面法开展三元二次回归正交旋转组合优化试验，因素水平编码表如表9所示。试验设计及结果如表10所示。

表9 试验因素水平编码表Table 9 Table of experimental factors and levels coding

表10 稻谷缓苏干燥工艺参数试验设计及结果Table 10 Experimental design and results of tempering drying process parameters of paddy rice

3.2 试验结果分析

3.2.1 回归模型的建立与方差分析

分别建立缓苏温度、缓苏起始含水率、缓苏时长与爆腰增率、蛋白质质量分数、脂肪酸值间的二次多项回归模型，剔除不显著因素后得到的编码空间回归方程分别为

式中Y1、Y2、Y3为爆腰增率、蛋白质质量分数、脂肪酸值（%），x1、x2、x3为缓苏温度、缓苏起始含水率、缓苏时长（编码值）。

对试验结果进行方差分析，如表11所示，结果表明，爆腰增率、蛋白质质量分数以及脂肪酸值的回归方程模型显著性检验结果为极显著（P＜0.01），失拟项检验结果为不显著（P＞0.05），表明回归模型在试验范围拟合程度较好。

表11 回归模型的方差分析结果Table 11 Analysis of variance of regression model

3.2.2 各因素间交互作用对试验指标的影响

利用Design Expert软件对试验结果进行分析处理，根据建立的回归模型，得到因素间交互作用对各指标的影响曲面图[20]，如图1～3所示。

1）试验因子对爆腰增率的影响

由图1可知，爆腰增率随缓苏温度的升高先降低后增加，随缓苏起始含水率降低而增加，随缓苏时长增加而增加。出现上述现象的原因是：1）固定干燥温度为45 ℃的条件下，缓苏温度在30～70℃范围内时缓苏温度过低时稻谷处于玻璃态，硬度和弹性模量高，同时由于内部水分梯度的存在会产生超过其自身硬度的内部应力，使稻谷极易爆腰；缓苏温度过高时，稻谷内外部会形成较高的水分梯度，导致内外层玻璃态转变温度差值进一步扩大，进而使得内外层膨胀系数与应力差异增加，当应力大于稻谷强度时，裂纹率增加；当缓苏温度为50℃左右干燥引起的弹性应变依靠籽粒水分由内向外的迁移而不断抵消，因此爆腰增率较低，这与Dong[21]及Cnossen等[22]的部分研究结果一致。2）阈值区间内较高缓苏起始含水率，可及时促进谷粒内外及谷粒之间温差与水分差的平衡，减少由内外温湿度梯度过大造成的裂纹率，该结论与Bertotto等[23]所得结论相似。3）缓苏时间为1～2 h时，谷粒内部水分扩散作用使颗粒水分梯度趋于平衡，干燥所致形变得以恢复，进而降低爆腰率；但结果显示该过程存在适宜缓苏时间，并非越大越好，该结论与林子木等[24]研究结论一致。

2）试验因子对蛋白质质量分数的影响

由图2可知，缓苏起始含水率与缓苏时长之间的交互作用较为明显。蛋白质质量分数随缓苏起始含水率增加而增加，随缓苏时长增加而逐步减少。分析其原因是持续干燥或持续缓苏时间过长会促使稻谷籽粒胚芽组织结构发生变化，加快蛋白质的氧化变性，从而影响其种胚的发芽品质、稻谷干燥加工后的食味品质[25]。

3）试验因子对脂肪酸值的影响

由图3可知，脂肪酸值随缓苏温度及缓苏初始含水率升高而增加，随缓苏时长延长而减小。分析该现象原因是相对高温会使脂肪酶保持较高活性，脂肪发生酸败，致使游离脂肪酸的累积程度增加；同时，持续干燥时间与缓苏时间过长会破坏酶蛋白质特定的空间结构，稻谷脂肪酶活力下降，进而减少稻谷脂质水解和游离脂肪酸的产生[26]。

3.2.3 参数优化

为得到最优缓苏干燥参数组合，限定目标值爆腰增率、脂肪酸值最小，蛋白质质量分数最大，利用Design-Expert软件的Optimization功能对模型进行优化，得到试验范围内最优工艺参数组合为缓苏温度45 ℃、缓苏起始含水率21%、缓苏时长1.61 h，此时爆腰增率6.63%、蛋白质质量分数5.39%、脂肪酸值11.68%。

利用优化参数在沈阳农业大学工程学院实验室进行验证试验，为消除随机误差，进行3次重复性试验取平均值，试验结果如表12所示。分析可知，试验值与软件优化参数值的平均误差为2.97%，表明试验结果与优化结果基本一致，稻谷干燥品质影响因素选择合理。

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4 结 论

本文通过单因素与多因素试验探究了缓苏干燥工艺参数对稻谷干燥后外观品质及营养品质的影响，得到以下结论：

1）结合SPSS软件分析单因素试验结果，得出缓苏温度、缓苏时长以及缓苏起始含水率对稻谷干燥品质的影响显著(P＜0.05)，是否循环对试验结果影响不显著(P＞0.05，除脂肪酸值)。

2）利用隶属函数模型比较单因素各试验因子的综合得分，可确定缓苏起始时刻为19.00%～22.18%、缓苏温度为40～60 ℃、缓苏时间为1.50～3.00 h时进行循环缓苏干燥稻谷品质较佳。

3）通过Central-Composite试验设计方案得到缓苏干燥工艺的最佳参数组合为：缓苏温度45 ℃、缓苏起始含水率21%、缓苏时长1.61 h。在该参数组合下，稻谷干燥后的爆腰增率6.63%、蛋白质质量分数5.39%、脂肪酸值11.68%。验证试验结果与优化结果相对误差为2.97%，表明优化后的工艺参数可提升稻谷干燥品质。

本文优化的缓苏干燥工艺参数组合可有效降低稻谷籽粒内部水分梯度、减小干燥应力、减少裂纹的产生，进而改善稻谷干燥后外观品质及营养价值，能够为实际稻谷产后初加工技术提供借鉴，为深入探究稻谷品质变化机理提供理论基础。