小麦干燥技术及其对小麦品质的影响研究进展

任晨刚，翟静静，马 森，杨书林，张连慧

1. 营养健康与食品安全北京市重点实验室，老年营养食品研究北京市工程实验室，中粮营养健康研究院有限公司 (北京 102209) 2. 南京财经大学 食品科学与工程学院，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心 (南京 210023) 3.河南工业大学 粮油食品学院 (郑州 450001) 4. 中粮粮谷控股有限公司 (北京 100020)

小麦是我国的主要粮食作物，也是全球种植最为广泛的粮食作物之一。小麦磨成面粉后可制作馒头、面条、面包等各类面制食物。据国家统计局统计，自2015年以来，我国小麦产量已连续7年在1.3亿t以上，2021年更是达到1.37亿t的历史最高产量记录。新收获的小麦水分较高，一般在18%以上，储存和加工前需要进行干燥处理至安全储存水分13%～14%[1-3]，以有效延缓在储存期间的品质劣变，减少变质霉烂现象，延长保存期，增加经济收益。尤其是江苏、安徽、湖北等南方省份在小麦收获时经常遇到阴雨天气，对小麦的烘干需求较大[4]。

干燥对小麦的储存和加工有重要意义，但是如果干燥条件控制不当，会对小麦品质产生不利影响，例如面筋强度下降、酶活性降低、淀粉糊化、小麦破损等，进而对面筋网络、面团流变学特性等造成不利影响，使面制品品质下降[5]。本文综述了热风干燥、红外干燥、微波干燥、太阳能干燥等小麦干燥技术的优缺点其对小麦品质影响的研究进展，以期为小麦原粮保质增值干燥技术的开发提供思路和参考依据。

1 热风干燥

1.1 热风干燥的原理和特点

热风干燥是应用最广泛的干燥方式之一，也是我国采用较多的小麦干燥方法，它是利用热气流的吸湿特性，以对流传热的方式将热量传给粮粒，并将蒸发的水蒸气带走。粮粒表面水蒸气浓度与热气流形成湿度梯度，驱动降水过程，以达到干燥的目的[1,6]。热气流的温度和湿度是小麦脱水的直接动力，温度越高，干燥速度越快，干燥时控制好温度和时间可使小麦得到有效干燥[7]。但是不合适的干燥温度会影响小麦品质。

按照干燥室结构不同，干燥设备可以分为箱式干燥器、筒式干燥器、流化床干燥器、塔式干燥器等。热风干燥有许多显著的优点，一是气固两相传热传质的表面积大，热效率高；二是热风干燥设备结构简单、操作方便，生产能力大，适应性广；三是设备投资成本低。这些特点使其成为应用最广泛的粮食干燥方式。当然，也存在一些不足，比如动力消耗较大，干燥时受热不均匀，易损伤粮食的内在品质等问题。谢焕雄等人提出可在入风口增加导风栅格，干燥仓体采用圆弧角设计等措施以提高设备干燥均匀性[8]。

1.2 热风干燥对小麦品质的影响

受热风温度和水分迁移的影响，小麦籽粒在干燥过程中会发生很多变化，进而对小麦品质产生影响。干燥过程中由于水分散失，小麦籽粒体积缩小，较为分散的胚乳细胞形成更致密的结构。但随着干燥温度的升高，小麦籽粒受热不均匀，水分散失加快，小麦内部形成较大的水分梯度，表皮下的水分不能及时转移，造成压力升高，表皮胀裂，使小麦内部形成较多裂纹，小麦也更加容易破碎，干燥后小麦品质也有所下降[9-11]，干燥温度越高，初始含水量越大，裂纹也就越多。在干燥时将温度控制在合适的范围，可以减少裂纹和破碎。干燥也会导致小麦色泽的变化。研究发现经过热风干燥后，部分小麦粉颜色变深，可能是由于小麦受热，蛋白质与糖类物质发生美拉德反应导致褐变[12]。小麦经干燥操作后，小麦相对体积变小，尖部麦毛和突出部分被磨损，表面变得光滑，麦粒间摩擦力和孔隙度减小后容重提高。干燥到一定时间，容重不再变化[13-14]。

干燥过程中水分散失和温度的升高会导致小麦中淀粉和蛋白质发生变化。热风温度由40 ℃到60 ℃，蛋白水解酶活性升高，部分蛋白质多肽链水解，使蛋白质的严密结构受到破坏。由于在干燥过程中小麦水分较低，对蛋白质含量、干面筋含量和灰分均无明显影响。但不当的干燥温度会造成面筋蛋白变性，吸水率降低，弹性和伸延性变差，降低面包制作性能，导致面包体积减小和不良感官特性[15-16]。50 ℃干燥时，沉降值增大，进一步升温，沉降值降低，温度高于70 ℃，面筋质量明显损伤[17]。干燥温度和小麦水分含量是影响蛋白质损伤程度的最主要因素，研究表明，对于27%水分含量的小麦，当干燥温度≤71 ℃时，对面包体积和面包瓤的孔隙度没有影响，当小麦水分为19.4%和16.5%时，能做到正常面包体积的最大干燥温度分别约为82 ℃和87 ℃[18]。郭翎菲[19]采用薄层干燥法研究不同干燥温度对小麦品质的影响，发现采用30℃～105 ℃干燥温度将新收获小麦从水分18.0%干燥到13.0%时，对小麦质量影响不大。另外，对于不同种类的小麦，干燥温度的影响也有所不同。硬粒小麦品种比软粒小麦品种对热损伤的敏感性低，可能是由于其蛋白质含量较高，质地较硬[20]。因此，为实现最大限度保持小麦品质并提高干燥效率，需要根据不同类型小麦的特性建立干燥模型，通过智能控制不同干燥阶段的热风温度，使小麦处于最佳及高效的状态下进行干燥。

2 红外辐射干燥

2.1 红外辐射干燥的原理和特点

红外辐射干燥的原理是当红外线的频率与被辐射物质的固有振动频率相同时，该物质会将红外线吸收，同时引起分子振动能级和转动能级升高，分子振动和转动加剧，辐射能转化为热能，物质的温度升高，实现加热干燥的目的[21]。红外干燥可以分为近红外干燥、中红外干燥和远红外干燥，波长范围分别为小于2 μm、2～4 μm和4～1 000 μm[22]。对于小麦中的水分、淀粉、蛋白质、脂类等非对称性物质，均对吸收红外线敏感。研究发现小麦在2.3～3.3 μm、3.4～3.6 μm、5.9～6.4 μm、5.6～11 μm处有强烈吸收带[23-24]。

红外干燥小麦的主要特点是：红外线的传播不需要介质，可直接作用于物料，热效率高，污染小；可实现小麦内外同时加热，使小麦的温度梯度和湿度梯度方向一致，从而加速水分扩散[25-27]；物料的形状对其干燥的均匀性影响不大；加热设备投资小，费用低[28]。但是红外线干燥也还存在一些不足：红外辐射的穿透深度有限，大约只有几个谷粒的厚度，粮层深度不能太大，否则效果不佳[28]；红外干燥小麦内部温度不易控制，易影响小麦品质。据报道，红外干燥烤熟率达30%～50%，甚至产生焦糊和色泽变化。

2.2 红外辐射干燥对小麦品质的影响

基于红外辐射干燥的特点，可将红外干燥与其他措施组合在一起，利用各自的优点在物料的不同干燥阶段应用，例如把红外与热风干燥结合。日本开发的干燥机通过辐射加热器将烟道气的热能转变为远红外辐射能，实现对稻谷的高效加热与干燥，干后品质好[21,29]。在日本，远红外干燥机已占干燥机总数的40%[30]。王润发设计了一种红外线热辐射、逆混流引风组合的干燥工艺系统，既能使粮温不过高，又能大幅度提高去水速率，粮食品质得到改善，节约能耗[31]。朱文学等人设计了红外热风组合谷物干燥机，干燥小麦降水幅度加大，对流风温110 ℃时，物料温度未超过55 ℃，但研究中未对干燥后小麦的加工和应用品质进行评价[32]。

3 微波干燥

3.1 微波干燥的原理和特点

微波干燥是一种高效、安全、环保的新技术。微波是一种高频电磁波，具有穿透特性，常用频率为915 MHz和2 450 MHz。微波能与物料中的极性分子相互作用，极性分子在微波场中做高频振荡运动，彼此摩擦产热，导致温度逐渐升高，使水分蒸发[33-34]。不同物质吸收微波的能力与其介电常数有关，介电常数越大，对微波吸收越敏感。粮食中的水、蛋白质、脂肪和碳水化合物等成分都有微波热效应，其中水的介电常数最大。微波干燥时物料内外同时受热，传热和传质方向一致，有利于水分蒸发[35-37]。微波的波长比红外线大，具有更好的穿透性，可加热5 cm的深度。微波干燥不需要中间介质，热惯性小，能量利用率高，控制方便快捷。但是微波场在空间分布具有随机性，可能会导致不均匀，小麦内部的温度不易控制，物料可能出现“过热点”而发生品质下降[38]。微波功率是影响干燥效果的主要因素，提高功率可加快干燥过程，过高会发生焦糊，需要根据粮食特性选择合适的功率，否则加热不均匀，影响品质[39-40]。另外，微波干燥设备占地大，处理量相对较小，主要靠消耗电能，运行成本高。

3.2 微波干燥对小麦品质的影响

小麦的加工应用品质对干燥温度较为敏感，干燥温度控制不当会影响面筋蛋白网络形成，导致小麦面筋无弹性、无黏性、易散、不成团，造成小麦品质和利用价值的降低[41-42]。Walde等研究了小麦微波干燥的失水规律和小麦粉质特性，得出了较优干燥功率，结果表明小麦粉蛋白质含量不变，但其功能性发生了改变[43]。适当的微波处理有利于小分子蛋白聚合，提高面筋质量，改善面团粉质特性，有报道称微波干燥的小麦表面温度不超过66 ℃，湿面筋含量不受影响，超过79 ℃会大幅度减少[44]。微波干燥也会使淀粉发生变化，罗志刚等发现微波处理后小麦淀粉表面变得粗糙，出现小孔，淀粉有序结构被破坏进而影响了消化特性，亲水基团更多暴露，吸水能力增强[45]。朱德泉等研究发现，微波干燥功率、风速和物料厚度是影响小麦干燥品质的主要因素，当干燥功率为0.2 W/g，物料铺放厚度2 cm，风速45 m/min时，能保持干燥后小麦的种用价值和食用价值[46-47]。微波干燥与热风干燥结合，降低了干燥温度，相比热风干燥还大大减少了干燥时间，并且对小麦蛋白质量、出粉率无影响[48]。

4 太阳能干燥

4.1 太阳能干燥的原理和特点

太阳能是取之不尽，用之不竭的能源，用于粮食干燥具有很强的可行性。太阳能干燥是利用太阳能辐射使谷物温度升高，从而使水分蒸发的干燥方式。被干燥的谷物通过两种方式吸收太阳的热量：一种是在温室内直接吸收太阳能的热量；第二种是太阳能集热器吸收太阳热量传递给空气，加热后的空气与物料进行对流换热。太阳能干燥装置主要分为四种：温室型、集热器型、集热器-温室型和整体式。太阳能干燥周期短，效率高，干后产品质量好，节约能源[49]。

太阳能干燥热量由物料表面传至内部，谷物内部温度比外部低，水分是由内部向外部迁移，导致内部含水较多，温度差和湿度差对水分的推动方向相反，抑制了内部水分向外扩散。刘圣勇等人研究了太阳能集热器干燥小麦，得出太阳能集热器干燥小麦的干燥曲线与理论干燥特性接近，可以满足小麦干燥工艺要求[50]。与传统自然晾晒相比，太阳能干燥更省时，效果更好。与工业干燥相比，太阳能干燥节约能源，更加环保。但太阳能干燥设备投入较大，干燥时间长，并且依赖于天气变化，夜晚与阴天无法利用，在晴天干燥效果也会由于温度和湿度的变化而有所不同。其设备投入和干燥室等配套设施建设投入较大，干燥小麦性价比较低。

4.2 太阳能干燥对小麦品质的影响

使用联合干燥可以避免太阳能干燥的缺点，较多研究的是与热泵干燥的联合。张壁光等人研究发现太阳能热泵联合干燥不仅能够发挥二者节能高效和环保的优势，还能克服太阳能干燥受天气影响的缺点，降低了总投资[51]。谈文松研究了太阳能-热泵干燥系统干燥小麦，打破了传统太阳能干燥受天气影响的限制，加快了干燥速率，保证了小麦干后质量，节约了能源[52]。

5 总结

小麦的干燥对其储藏和加工应用品质具有重要影响，在热风干燥、红外干燥、微波干燥、太阳能干燥等干燥技术中，热风干燥是小麦干燥最为常用的方法。热风干燥虽具有容易操作控制，投资不高，适应性强等优点，但也存在物料受热不均匀，智能化程度低等问题。因此还需要在以下方面进行研究和技术创新，一是研究热风均匀分布技术，使小麦的受热和干燥更加均匀，提高小麦的干后品质；二是应用大数据采集和智能控制技术研究小麦干燥过程中的品质变化规律，不断优化干燥工艺，实现小麦干燥过程的智能化控制；三是研究热风干燥与微波、远红外等其他干燥技术在干燥机上的集成创新，发挥每种干燥技术的优势，提高小麦的干燥效率和干燥品质，实现更大效益。