賈富國 周玉龍

儲藏條件下糙米水分擴散規(guī)律研究

賈富國 周玉龍

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

為探討儲藏條件下糙米籽粒的水分擴散規(guī)律，以環(huán)境溫度和相對濕度為影響因素，采用全因素組合試驗方法設(shè)計試驗，應(yīng)用靜態(tài)稱重法對糙米籽粒進行了不同溫度和相對濕度條件下的吸附與解吸試驗，推導(dǎo)出儲藏條件下糙米籽粒的水分擴散系數(shù)求解方程，求出不同儲藏溫濕度以及不同原始含水率條件下糙米籽粒的水分擴散系數(shù)，應(yīng)用SAS軟件擬合出關(guān)于儲藏條件下糙米水分擴散系數(shù)的二次回歸方程。結(jié)果表明:儲藏環(huán)境溫濕度及含水率顯著地影響糙米水分擴散規(guī)律，研究結(jié)果可以為探討糙米水分分布及傳遞機理提供理論參考。

糙米 水分擴散系數(shù) 模型 儲藏

糙米儲藏是世界稻谷儲藏的發(fā)展趨勢，日本等發(fā)達國家已改稻谷儲藏為糙米儲藏，目前已廣泛應(yīng)用［1］。糙米在儲藏過程中，由于環(huán)境條件的變化會使其儲藏特性、加工特性以及食味值發(fā)生較大的變化，這些變化都與儲藏環(huán)境的溫度、相對濕度以及含水率相關(guān)［2－3］。因此，如果能夠準確地預(yù)測并描述糙米儲藏過程中的水分分布及傳遞過程，就可以選擇合理的儲藏環(huán)境條件，防止糙米品質(zhì)的變化。水分擴散系數(shù)是單位時間內(nèi)水分擴散的面積，是研究谷物水分分布及傳遞機理的重要物理參數(shù)。研究儲藏條件下糙米籽粒的水分擴散系數(shù)，并獲得關(guān)于儲藏環(huán)境溫濕度和糙米籽粒含水率的擴散系數(shù)方程，對研究糙米水分分布及傳遞機理有著重要的意義。

國外研究學(xué)者報導(dǎo)了利用擴散模型模擬試驗數(shù)據(jù)確定干燥過程中谷物水分擴散系數(shù)的方法，證明了水分擴散系數(shù)是物料含水率和干燥介質(zhì)溫度的函數(shù)［4－5］。國內(nèi)學(xué)者也做了相關(guān)的研究，探討了稻谷薄層干燥過程中的水分擴散模型［6－8］。糙米是稻谷脫殼后的又一形態(tài)，且儲藏條件較干燥過程緩和，因而儲藏條件下的糙米水分分布與傳遞規(guī)律不同于稻谷的干燥過程，而關(guān)于儲藏條件下糙米水分擴散系數(shù)的研究國內(nèi)外鮮有報道。

本試驗應(yīng)用靜力學(xué)法，采用全因素組合方法設(shè)計試驗，研究儲藏環(huán)境溫濕度和含水率對糙米水分擴散規(guī)律的影響，探求儲藏條件對糙米水分擴散系數(shù)的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

試驗品種為東農(nóng)429稻谷。試驗前篩選，去芒，脫殼得糙米，剔除不成熟、有病害、有堊白粒。然后隨機抽取，作為試驗樣品。

1．2 儀器設(shè)備

オーㄆケFC2K實驗用礱谷機:日本大竹制作所;FZ102微型植物試樣粉碎機:天津泰斯特儀器有限公司;精度為0．000 1 g電子分析天平:上海天平儀器廠;DGH－9053A鼓風(fēng)干燥箱:上海益恒試驗儀器有限公司;CTHI－150(A)B恒溫恒濕箱箱:上海施都凱儀器設(shè)備有限公司，溫度波動±0．2℃，相對濕度波動±1．5%以內(nèi)。

1．3 試驗方法

糙米含水率測量采用GB 1350—2009方法。

試驗樣品的制備:將用作測定吸附水分擴散規(guī)律試驗的糙米籽粒干燥至大約4%(濕基)的含水率［9］;將用作測定解吸水分擴散規(guī)律試驗的糙米籽粒按約1．5%的水分梯度加濕［10］，使其含水率達到25%左右［11］。將制得的樣品置于密封袋中放于4℃的恒溫培養(yǎng)箱中，定期搖勻平衡后備用。每份試驗樣品取400 g，每次試驗重復(fù)3次，取其平均值為該設(shè)定條件下糙米籽粒的吸附或解吸含水率。

吸附和解吸試驗采用靜態(tài)稱重法［9］，試樣間隔12 h測定一次含水率，直至含水率達到平衡為止，然后通過公式計算出糙米籽粒在該條件下的水分擴散系數(shù)。根據(jù)實際生產(chǎn)中的儲藏環(huán)境條件，選取試驗參數(shù)范圍為溫度取5、15和25℃ 3個水平，采用恒溫恒濕箱控制，箱內(nèi)相對濕度為15%、35%、55%、75%和95%5個水平。

2 儲藏條件下糙米水分擴散模型

2．1 水分擴散方程的建立

現(xiàn)有關(guān)于稻谷顆粒傳質(zhì)模型是將稻谷顆粒簡化為球體建立的，而實際上稻谷顆粒為兩端呈圓錐形的扁圓柱體，試驗測得糙米籽粒其等效半徑為1．35 mm。由于糙米兩端表面積遠小于圓柱體表面積，所以將糙米視為圓柱體，并建立其沿徑向一維傳質(zhì)模型更為切合實際。根據(jù)Fick擴散定律，可導(dǎo)出糙米籽粒內(nèi)部的水分擴散方程為:

式中:M為t時刻糙米籽粒含水率/%;t為水分擴散時間/s;r為等效半徑mm;D為水分擴散系數(shù)。

式(1)即為圓柱坐標下的糙米水分擴散模型。

其定解條件:

初始條件為:M(r，0)=M0(0≤r≤R，t=0)，

式中:M0為糙米初始含水率;R為糙米籽粒半徑。

邊界條件:M=Me(r=R，t＞0)，這是因為糙米在水分傳遞過程中，糙米顆粒表面水分等于其對應(yīng)條件下的平衡水分，該平衡水分由試驗測得。在顆粒軸心，由于對稱性則有

2．2 水分擴散系數(shù)D的確定

對偏微分方程式(1)進行積分并代入初始和邊界條件可得到:

式中:Bn為方程J0(x)=0的第n階根，可通過查表得到其值［12］，這里取其五階根，B1=2．404 8、B2=5．520 1、B3=8．653 7、B4=11．791 5、B5=14．930 9。F0為傅里葉準數(shù)。

對其求平均濃度解，式(2)的解可表示為:

將式(3)和式(4)聯(lián)立可知，在水分擴散過程中，任意t時刻糙米籽粒的平均含水率M和水分擴散系數(shù)D都是成明確的函數(shù)關(guān)系的，因此可以在不同時刻，不同環(huán)境溫濕度條件下測定糙米籽粒的含水率，將擴散系數(shù)與糙米籽粒儲藏環(huán)境溫濕度和糙米含水率之間的函數(shù)關(guān)系表示出來，并求得不同含水率和不同環(huán)境溫濕度下糙米籽粒的水分擴散系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3．1 吸附過程

3種儲藏溫度下，不同相對濕度條件下糙米籽粒吸附水分擴散系數(shù)見圖1。

圖1 不同溫度下糙米籽粒吸附水分擴散系數(shù)

3．1．1 回歸模型的建立

糙米籽粒吸附過程中不同環(huán)境溫濕度和含水率條件下的水分擴散系數(shù)如圖1所示，應(yīng)用SAS9．1軟件對所得試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到環(huán)境溫濕度及含水率對吸附水分擴散系數(shù)的回歸模型為:

方程顯著性水平P＜0．001(極顯著)

式中:D為水分擴散系數(shù)/m2/h;x1為含水率/%w．b;x2為環(huán)境溫度/℃;x3為環(huán)境相對濕度/小數(shù)。

3．1．2 含水率對吸附水分擴散系數(shù)的影響

圖1顯示:在試驗參數(shù)范圍內(nèi)吸附水分擴散系數(shù)隨糙米含水率的增加呈遞減趨勢，含水率接近平衡含水率時，擴散系數(shù)也接近零。這是因為在吸附過程中，含水率越高，越接近平衡含水率，水分梯度越小，水分傳遞的動力越小，因而其水分擴散系數(shù)越小。

3．1．3 環(huán)境相對濕度對吸附水分擴散系數(shù)的影響

圖1顯示:在試驗參數(shù)范圍內(nèi)吸附水分擴散系數(shù)隨環(huán)境相對濕度的增加呈遞增趨勢。這是因為吸附環(huán)境相對濕度越高，環(huán)境與糙米籽粒內(nèi)部的水分蒸汽壓差值越大，水分梯度越大，水分傳遞的動力越大，因而水分擴散系數(shù)越大。

3．1．4 環(huán)境溫度對吸附水分擴散系數(shù)的影響

對比圖1中各分圖可以看出:吸附水分擴散系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高呈遞增趨勢。這是因為隨著環(huán)境溫度的升高，水分子的活動能力增加、運動劇烈，滲透速度加快，因而水分擴散系數(shù)越大。

3．2 解吸過程

3種儲藏溫度下，不同相對濕度條件下糙米籽粒解吸水分擴散系數(shù)見圖2。

3．2．1 回歸模型的建立

糙米籽粒解吸過程不同環(huán)境溫濕度和含水率條件下的水分擴散系數(shù)如圖2所示，應(yīng)用SAS9．1軟件對所得試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到環(huán)境溫濕度及含水率對解吸水分擴散系數(shù)的回歸模型為:

方程顯著性水平P＜0．001(極顯著)

式中各符號意義同式(5)。

圖2 不同溫度下糙米籽粒解吸水分擴散系數(shù)

3．2．2 含水率對解吸水分擴散系數(shù)的影響

圖2顯示:在試驗參數(shù)范圍內(nèi)解吸水分擴散系數(shù)隨糙米含水率的增加呈遞增趨勢。這是因為在解吸過程中，含水率越高，越遠離平衡含水率，水分梯度越大，水分傳遞的動力越大，因而其水分擴散系數(shù)越大。

3．2．3 環(huán)境相對濕度對解吸水分擴散系數(shù)的影響

圖2顯示:在試驗參數(shù)范圍內(nèi)解吸水分擴散系數(shù)隨環(huán)境相對濕度的增加呈遞減趨勢。這是因為解吸環(huán)境相對濕度越高，環(huán)境與糙米籽粒內(nèi)部的水分蒸汽壓差值越小，水分梯度越小，水分傳遞的動力越小，因而水分擴散系數(shù)越小。

3．2．4 環(huán)境溫度對解吸水分擴散系數(shù)的影響

對比圖2中各分圖可以看出，解吸水分擴散系數(shù)隨環(huán)境溫度的升高呈遞增趨勢。這是因為隨著環(huán)境溫度的升高，水分子的活動能力增加、運動劇烈，滲透速度加快，因而水分擴散系數(shù)越大。

4 結(jié)論

4．1 儲藏環(huán)境溫濕度和糙米原始含水率顯著地影響糙米水分擴散系數(shù)。

4．2 建立的儲藏條件對糙米水分擴散系數(shù)的回歸方程，可以描述水分擴散系數(shù)隨儲藏條件的變化規(guī)律。

4．3 研究結(jié)果可以為探討糙米水分分布及傳遞機理提供理論參考。

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［12］沈永歡．實用數(shù)學(xué)手冊［M］．北京:科學(xué)出版社，1992．

Study on Moisture Diffusion Regularity of Brown Rice under Storage Conditions

Jia Fuguo Zhou Yulong
(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030)

To study the storage conditions of brown rice moisture diffusion regularity，and ambient temperature，relative humidity as the factors，and the full factor combination experiments were chosen in this paper，the static gravimetric method was used in this paper，equilibrium moisture content for adsorption and desorption of brown rice were determined at a wide range of temperature，storage ambient temperature and relative humidity and moisture content of brown rice moisture diffusion coefficient，and storage conditions about brown rice moisture diffusion coefficient of quadratic regression equation was fitted by SAS software．The results showed that storage ambient temperature and relative humidity and moisture content had great influence on the brown rice moisture diffusion regularity，the results provide a theoretical reference for the discussion of water distribution and transmission mecha-nism of brown rice．

brown rice，moisture diffusion regularity，model，storage

TS212．4

A

1003－0174(2012)01－0087－04

黑龍江省自然科學(xué)基金(C200809)，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)博士啟動基金(2009RC27)

2011－03－25

賈富國，男，1964年出生，教授，博士生導(dǎo)師，農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)及設(shè)備