2007年4月 农 机 化 研 究 第4期

- 9 - 稻谷低温真空干燥的发展前景 徐泽敏1，2，殷涌光1，吴文福1，尹力妍1 （1.吉林大学 生物与农业工程学院，长春 130022；2.长春大学 生物科技学院，长春 130022） 摘 要：高水分的稻谷必须立即干燥以防变质。稻谷的淀粉含量较高，在干燥过程中若干燥参数选择不当，易产生爆腰、整米率低和米品质食味下降等不利现象，因此需采用适宜的低温干燥工艺进行烘干。基于上述原因，分析了稻谷干燥的必要性及目前稻谷干燥的方法和特点，论述了国内外稻谷干燥的研究进展，比较了稻谷低温真空干燥与热风干燥的不同点，指出了低温真空干燥的发展优势。 关键词：农艺学；稻谷低温真空干燥；综述；品质 中图分类号：S37 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2007)04—0009—04 0 引言 水稻是我国主要的粮食作物之一，有60%以上的人口以大米为主食。水稻种植面积约占全国谷物种植面积的34%，稻谷总产约占全国粮食总产的40%。水稻是我国播种面积最大、总产最多及单产最高的粮食品种，在我国粮食生产和消费中历来处于主导地位。我国地域辽阔，水稻在南北方都有种植。在南方，夏稻收获时节常常阴雨绵绵且气温高，收获后的水稻含水率较高，可达25%左右。高含水率水稻收获后在高温高湿环境中存放，若不及时干燥很快就会出现发霉和发芽变质，从而造成很大损失。在北方的水稻收获季节，尽管秋高气爽，但水稻收获时含水率仍可达20%左右。高含水率的水稻过冬时容易受到冻害，影响了其生活率和发芽率。含水率大于14%(安全含水率)的稻谷在次年春天气温上升时，很容易发热霉变。因此，无论是南方还是北方，收获后的稻谷都应该立即干燥。水稻的最佳收获含水率是20%。 干燥是指除去物质中不需要的附着水、游离水和结合水，将物质中的有效成分尽可能多地保留下来，并使细菌和酶失去赖以生存和繁殖的条件，利于产品的运输和长期保存。干燥是在工农业生产过程中应用非常广泛的一项技术，它直接影响到生产产品的性能、形态、质量以及生产过程的能量消耗等。与干燥技术关联的学科面很广，既涉及到复杂的传热和传质机理，又与干燥物质的物料特性等密切相关。干燥方法有多种，如通风干燥、表面干燥、气流干燥、沸腾干燥、喷雾干燥、真空干燥与冷冻干燥等。干燥通常使物料出现的化学变化主要有营养成分损害、风味变化和褐变，其最主要的影响因素是温度和时间。温度越高，破坏越严重。对于热敏性物料，低温干燥就显得尤为重要，它在干燥的同时最大限度地保全物质的色、香、味及营养[1]。 水稻籽粒由坚硬的外壳和糙米组成，外壳起着保护作用。稻谷在干燥时，其外壳起着阻碍粮粒内部水分向外表面传递的作用。所以，水稻是一种难以干燥的谷物，其干燥的机械化作业程度远远低于小麦和玉米。水稻还是一种热敏性物料，淀粉含量高，对干燥过程比较敏感。在干燥过程中，降水速度稍快就可能产生应力裂纹（爆腰）等不利现象，造成稻谷的质量损失。爆腰的稻谷作为种子已丧失了生命力，而作为食用水稻在碾米时很容易被碾碎，使整精米率严重下降，直接影响大米的市场价值。在国际市场上，高等级大米（碎米率低于10%）与低等级大米（碎米率高于20%）的差价约为100美元/t。我国稻谷年产量约为2亿t，约占世界稻谷总产量的36%，但因大米质量未达到国际市场的品质要求，因此所占的市场份额不高，其中一个重要原因就是碎米率偏高[2]。干燥稻谷既要去除水分，又要保持其营养成分和口味。试验表明，含水率在24%以上的稻谷放置10h后再进行烘干，其口味下降，所以水稻收获后要立刻烘干，储存则需要干燥到水分含量在14%以下[3]。 1 国内外稻谷干燥研究现状 1.1 稻谷干燥方法及设备 我国农产品干燥专家曹崇文、毛志怀、王成芝收稿日期：2006-10-27 基金项目：农业科技成果转化基金项目（03EFN212200075） 作者简介：徐泽敏（1964-），女，吉林吉林人，博士研究生，（E-mail）xzm.64@163.com。 2007年4月 农 机 化 研 究 第4期

- 10 - 和吴文福等教授的研究表明[2,4]，干燥介质温度对干燥后谷物品质有很大的影响。一般情况下，在干燥过程中，谷物干燥时间越长，初始含水率越高，则谷物允许的受热温度就越低。干燥速率、温度梯度和水分梯度产生的湿应力和热应力是稻谷产生爆腰的原因。刘木华[5]与李栋[2]研究了稻谷裂纹产生的玻璃化转变理论。稻谷是高分子聚合物，烘干温度控制在玻璃化转变温度之下，就可以防止爆腰的产生。A.Iguaz等研究了干燥温度和干燥时间对稻谷品质的影响。干燥温度越高、干燥时间越长，糙米的爆腰率越高，且精米的整米率（HRY）越低，爆腰率与HRY呈负相关[6]。当前，国内外在干燥稻谷时一般均采用较低风温分段降水、多次缓苏的慢速干燥工艺，控制降水速度，以保证干燥过程中爆腰率不超标。采用低温慢速工艺干燥稻谷，爆腰率低，品质好，但是水稻干燥机的生产率较低（往往只能达到同体积其它谷物干燥机能力的40%~50%），体积大，效率低，潜能不能完全利用，单位降水的能耗偏高，不适应水稻应急快速干燥处理。因此，稻谷干燥新技术和新工艺的探索是当前农业科技工作者研究的主要方向。目前，稻谷干燥的主要工艺及设备有以下几种。 1.1.1 横流式干燥机 横流式干燥机采用横流工艺，稻谷在筛网中间靠重力自上而下流动，气流垂直穿过粮层并带走水分，调节谷物流动速度可控制谷物最终水分，其中间设有缓苏装置。这种机型的优点是结构简单、降水幅度大、工作可靠；缺点是干燥不均匀，需要多次干燥。 1.1.2 混流式干燥机 混流干燥工艺为干燥加缓苏2次或3次循环，粮食自上而下流动受到逆向、横向和同向气流作用，干燥强度大、均匀性好、气流阻力小，但结构较复杂，典型机型是从美国引进的LSU型稻谷干燥机。 1.1.3 横流循环式干燥机 横流循环式干燥机热风温度为50°～60℃，干燥和缓苏在同一机体内进行，采用低温大风量、薄层多通道与干燥加缓苏的工艺。该机耗能适中，但干燥时间较长。水稻横流加热干燥机在日本及东南亚各国应用较为普遍，机械制造及控制技术比较成熟，但只能使用低风温多次循环进行干燥。 1.1.4 顺流式干燥机 顺流干燥工艺的特点是热风与谷物的运动方向相同，热风先接触湿粮，随着风温的降低粮食水分逐渐降低，因此可以使用较高温度的热风，而粮食的温度不至于太高，使废气排放温度低，相对湿度大。该机热效高、降水幅度大，可采用多级顺流加缓苏工艺，其热风温度在100°～200℃之间，可调节排粮速度使稻谷与高温热风的接触时间不超过20s，缓苏段的稻谷温度在43℃以下。顺流式干燥在美国及欧州各国应用较为广泛，采用多级加热及缓苏工艺进行烘干[6,7]。 1.1.5 干湿粮混合干燥工艺 干湿粮混合干燥是以热风和干粮为干燥介质对湿粮进行干燥（吸湿）的方法。按湿粮水分大小和降水幅度混入一定比例的干粮，使其混合的平均水分达到一定值（一般是高于最终干燥后水分的2%～4%），经过一个流程的干燥后达到最终水分。这种干燥方法又称分流循环干燥法[8]。干湿粮混合干燥工艺在俄罗斯库班地区应用，我国的黑龙江省等地也在应用。 1.1.6 其它干燥 以上的几种干燥工艺都是采用传统的热风干燥方法，比较先进的水稻干燥方法还有远红外线干燥（如台湾三久、日本金子公司生产的烘干设备）和真空干燥等。 1.2 干燥后稻谷品质（食味）研究 干燥是稻谷收获后的必要处理环节，但稻谷是热敏性高的谷物，不合理的干燥工艺（尤其是介质温度高）很容易导致稻米的食味下降，使米饭的粘性小、硬度大、口感变差。美国学者Kunze、日本学者伴敏三等人[9]重点研究了稻谷干燥后裂纹变化规律，认为干燥温度高和降水速度快是导致稻谷干燥后爆腰的主要原因。部分学者研究了干燥后稻米的口感与味道等食味因素。Elaine T.[10]的研究认为，在同样的干燥条件下，最终水分高(15%)的稻米与低水分(12%)的相比，水分高者香味大、黏度大、硬度小。山下律也[9]的研究也认为，过分干燥后的稻谷，其稻米在煮饭时内部容易形成不容易溶解的小颗粒，使米饭口感发散。稻谷干燥时温度越高，则其在储藏期间脂肪分解程度越大,脂肪酸含量越高。清水直人等学者[11]研究了稻米中脂肪酸影响品质的原因，认为在稻米内部脂肪酸容易与直链淀粉结合，抑制其糊化,因此使得米饭的黏度下降。郑先哲[12]研究了干燥后稻谷的品质与食味值的关系，试验回归得出稻米主要成分与食味值的数学模型，当干燥温度超过45℃以后，稻米内部淀粉排列杂乱，造粉体和胚乳细胞壁难以分解；随着干燥温度的升高及储藏过程中内部脂肪酸含量的增高，加深了稻米的陈化程度，抑制了淀粉糊化。这些因素是导致干燥后稻米食味下降的根本原因。为了保持稻米干燥后食味品质，干燥温度不应超过45℃。食味值是评价2007年4月 农 机 化 研 究 第4期

- 11 - 稻谷干燥品质的的重要指标。食味（taste）是反映稻米食用品质综合指标，它与稻米内部水分、直链淀粉、蛋白质、脂肪酸的含量有很大的相关性。米表面生成的粘液状附着液（保水膜）的量影响着饭的味度，保水膜的量多则适口性好[13]。以上成果为研究合理稻谷干燥工艺提供了依据。 2 稻谷低温真空干燥前景展望 2.1 低温真空干燥的特点及应用 “真空”这一术语译自拉丁文vacuo，其意义是虚无。其实，真空应理解为气体较稀薄的空间。在指定的空间内，低于1个大气压力的气体状态统称为真空。真空状态下气体稀薄程度称为真空度（degree of vacuum），通常用压力值表示。真空干燥过程就是将被干燥物料置放在密闭的干燥室内，用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热，使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面，水分子在物料表面获得足够的动能，在克服分子间的相互吸引力后逃逸到真空室的低压空间，从而被真空泵抽走的过程。真空干燥能够方便地回收有用和有害的物质，而且能做到密封性良好[14]。 低温真空干燥能够克服热风干燥所产生的溶质失散和品质下降问题。从环保意义上讲，真空干燥可称为“绿色干燥”，其具有广泛的发展前景。低温真空干燥设备主要有：适合于各种谷物和颗粒饲料干燥的连续式低温真空干燥机；适合于果汁、牛奶、糖蜜、甘薯泥和番茄酱等干燥的滚筒式真空干燥设备；适合于澄汁、番茄汁、速溶茶和速溶咖啡等生产的带式真空干燥设备；适合于粉粒体料的（如维生素C等）干燥的真空振动流动干燥机；还有圆筒搅拌真空干燥机、耙式真空干燥机以及圆盘刮板真空干燥机等。按真空干燥设备的用途可以分为低温真空粮食干燥机、药品真空干燥机、木材真空干燥机、聚合物真空干燥机以及化工产品真空干燥机等；按加热方式可以分为传导加热、辐射加热、对流加热、微波加热和气相加热等类型。真空冷冻干燥技术广泛应用于西药和蔬菜种子干燥等领域。在低温真空粮食干燥机中，传导、辐射和对流等3种加热方式同时存在。美国、日本和中国台湾地区的低温真空干燥食品发展迅速[15,16]。 2.2 稻谷真空干燥与传统热风干燥方法的对比优势 由于精稻米中的干物质90%为淀粉，因此需要低温干燥，以防爆腰的产生和大米品质食味下降。对于常规的热风干燥机，需要采用低温分段降水、多次循环缓苏的慢速干燥工艺，干燥时间长，效率低，介质的温度、湿度、水分及干燥速率难以控制，直接影响烘后稻谷的品质。 而真空干燥则不然，在真空状态下，物料湿气的沸点降低、汽化过程加速，特别适合于对温度敏感而且易分解的粮食（如稻谷）。真空干燥主要在低真空区域内进行，稻谷水分在汽化过程中其沸腾蒸发温度与环境压力成正比。把高水分稻谷放置在密闭的干燥腔内，利用蒸汽射流真空技术形成具有一定真空度的空间，使干燥腔形成并维持一定的真空度，同时对干燥腔内的稻谷不断加热，使其内部的水分通过压力差扩散到表面，汽化后被真空泵抽走，实现真空低温状态下连续对高水分稻谷进行脱水干燥。真空干燥使水分的沸腾蒸发温度从100℃降低到40℃以下，由于蒸发温度低于淀粉的糊化温度，不会对籽粒产生损伤，避免了粮食籽粒的膨胀和爆腰，能够保证粮食干燥后的产品质量，保证了物料烘后原有色、香、味、营养成分和品质基本不变，是真正意义上的低温干燥，与一般的热风低温干燥完全不同。 “十五”期间，国家科技部设立专项进行了低温真空谷物干燥工艺与设备的研究，已经在东北地区进行了实验。实验表明，此方法对保持烘干后粮食品质具有很好的效果，降低了玉米的裂纹率和稻谷的爆腰率，也适合干燥谷物的种子。其投资和运行成本与热风干燥设备大致相当并节能[17～19]。 3 结束语 虽然真空干燥技术在食品化工等行业已经大量应用，但在谷物干燥方面的应用刚刚起步，在理论、工程设计、生产应用等方面尚有许多问题需要研究，如谷物低温干燥的机理、低温真空干燥过程的传热传质规律、低温真空干燥过程谷物品质变化的动力规律、低温真空干燥过程中干燥装置的结构形式以用低温真空干燥的自动检测和控制方法等。 随着科学技术的发展，真空技术在粮食行业的运用越来越广，被称为21世纪的朝阳产业。作为一门综合性交叉学科，真空技术在输送、环保、干燥、储藏和加工等领域有着广泛的应用，显示了其独特的优势和前景。 参考文献： [1] 刘志伟,张 晨,余若黔,等.食品低温干燥及杀菌技术的研究进展[J].江苏食品与发酵,2000,102 (3):24-27. [2] 李 栋.稻谷干燥应力裂纹生成扩展及抑制的试验研究和机理分析[D].北京:中国农业大学,2001. [3] 朱恩龙,李成华,郑先哲.我国稻谷干燥技术的研究现状与展望[J].粮油加工与食品机械,2003(9):