任廣躍，張 偉，陳 曦，段 續(xù)，張樂道，朱文學(xué)

緩蘇在糧食干燥中的研究進(jìn)展

任廣躍，張 偉，陳 曦，段 續(xù)，張樂道，朱文學(xué)

（河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

干燥處理是保證糧食安全的重要手段，提高糧食干燥能力及干燥質(zhì)量是我國糧食產(chǎn)后亟待解決的關(guān)鍵問題。緩蘇作為糧食加工、儲藏和流通過程中重要環(huán)節(jié)，兼有節(jié)約能耗和提高產(chǎn)品品質(zhì)的雙重特點。本文對緩蘇操作進(jìn)行了詳細(xì)分類，系統(tǒng)闡述了在糧食干燥過程中緩蘇操作參數(shù)的優(yōu)化方法及對糧食品質(zhì)和能耗的影響，提出目前國內(nèi)外在糧食干燥研究領(lǐng)域所存在的問題，并對其應(yīng)用前景作了客觀分析。

緩蘇；糧食；干燥；品質(zhì)；能耗

糧食作為關(guān)系國計民生的支柱性產(chǎn)業(yè)，由于未能在初產(chǎn)地進(jìn)行妥善有效的加工儲藏，造成資源利用率低、附加值不高、質(zhì)量控制欠缺以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，極大限制了糧食加工業(yè)向產(chǎn)品多元化和國際化發(fā)展的進(jìn)程。干燥作為最常用的加工單元操作之一，是能耗最大的加工過程，同時也是糧食保藏最有效的方法[1]，目前，糧食干燥處理雖然在干燥技術(shù)設(shè)備及工藝方法水平上都已取得了一些重要突破[2-3]，但距離干燥過程可控化、干燥設(shè)備最優(yōu)化、高效節(jié)能保質(zhì)干燥技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展尚有差距。

國外對糧食緩蘇的研究始于20世紀(jì)50年代。緩蘇是指物料在干燥過程中或干燥后保溫儲藏一段時間，使物料內(nèi)部水分在梯度差的作用下進(jìn)行熱濕交換使得水分趨于平衡，降低干燥引起內(nèi)部的熱應(yīng)力沖擊，避免了表面因收縮、硬化以及褐變而影響干制品品質(zhì)[4-5]。緩蘇對糧食品質(zhì)的影響越來越受到研究人員的重視。目前，已有大量理論和實驗對糧食干燥過程的緩蘇工藝進(jìn)行研究，以期獲得較優(yōu)的干后品質(zhì)，旨在為節(jié)約糧食干燥時間及降低能耗提供依據(jù)[6-9]。

1 緩蘇操作概述

1.1 緩蘇介質(zhì)

目前，常用于緩蘇的介質(zhì)主要有常壓空氣、負(fù)壓空氣和微波場[10-12]。緩蘇介質(zhì)在緩蘇過程中起著非常重要的作用。

空氣是最常見的緩蘇介質(zhì)。在空氣緩蘇中，空氣與物料接觸將熱量傳遞到物料外表面，并通過熱傳導(dǎo)傳遞到物料內(nèi)部，熱傳導(dǎo)在熱量傳遞中是相對比較慢的方法。空氣緩蘇根據(jù)物料放置的空間狀態(tài)又分自然緩蘇和封閉緩蘇。自然緩蘇即將物料放置在大氣中，利用大氣環(huán)境與物料進(jìn)行濕熱交換，經(jīng)過一段時間的靜止達(dá)到物料內(nèi)部水分平衡[13]。封閉緩蘇則是在封閉的空間內(nèi)，物料在溫濕度可控或機械通風(fēng)以及流化的環(huán)境下進(jìn)行緩蘇，達(dá)到所需的平衡態(tài)[14]。在糧食干燥中，空氣緩蘇得到廣泛的應(yīng)用，但由于空氣能充分與物料接觸，設(shè)置的緩蘇溫濕度又非常適合各類微生物的滋生，且緩蘇時間相對較長造成的能耗大，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

真空緩蘇是指將物料置于具有一定真空度的環(huán)境中，因真空環(huán)境下水的沸點較低，物料依靠內(nèi)部余熱進(jìn)行緩慢蒸發(fā)，在降低水分含量的同時使得物料中心部位的水分逐漸向表面擴散，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，隨即通過真空泵將濕蒸汽和熱空氣抽走，以維持所需的真空壓力[15]。由于在真空狀態(tài)下，存在的稀薄空氣中氧氣濃度極低，因此對微生物的作用力非常弱，能夠在一定程度上抑制農(nóng)產(chǎn)品霉變生蟲等的發(fā)生。

微波緩蘇是通過改變常規(guī)緩蘇過程中水分遷移勢梯度的方向，利用極性分子在微波照射下產(chǎn)生激烈運動，水等極性分子由雜亂無章非極性態(tài)變成有序排列，由于電場方向反復(fù)轉(zhuǎn)換，物料中水分介電損耗較大，與周圍分子（粒子）發(fā)生碰撞摩擦而產(chǎn)生大量的熱量，從而加速物料內(nèi)部水分向表面的遷移[16]。在適當(dāng)?shù)拇趴毓茴l率下進(jìn)行緩蘇，極大程度上減小由于水分分布不均而造成的農(nóng)產(chǎn)品表皮干裂對品質(zhì)的影響，同時也能夠快速鈍化或殺滅物料內(nèi)部細(xì)菌和寄生蟲。

1.2 緩蘇段的設(shè)置

目前，糧食干燥主要是在大型的干燥設(shè)備中進(jìn)行，通過將緩蘇段設(shè)置在不同的干燥階段，控制空氣氣流方向、溫濕度以及操作壓力從而調(diào)節(jié)緩蘇環(huán)境，完成緩蘇過程[17]。緩蘇段要求設(shè)計合理，一般情況下緩蘇時間需在40 min以上，時間過短則無法均衡糧粒內(nèi)部水分。現(xiàn)有文獻(xiàn)對緩蘇的研究集中在物料所需的緩蘇工藝參數(shù)上，而對于干燥設(shè)備中緩蘇段的設(shè)置涉獵較少，大量相關(guān)的論述僅在相關(guān)專利中提及。常見的干燥系統(tǒng)工藝設(shè)計為：預(yù)熱段—干燥段—緩蘇段—冷卻段，筆者在已有的研究基礎(chǔ)上，將緩蘇段設(shè)置及控制方法歸類，能夠?qū)徧K操作有個系統(tǒng)的把握（圖1）。

圖1 緩蘇段設(shè)置及可控參數(shù)歸類Fig.1 Tempering period settings and adjustable parameter classification

干燥前設(shè)置緩蘇段，多用于由提升機將原糧提到攪龍后灑入儲留部進(jìn)行緩蘇。在干燥中，常采用一段或與多段干燥段交替設(shè)置的緩蘇段，谷物在緩蘇過程中使內(nèi)外水分進(jìn)行充分的熱濕傳遞趨于平衡，有利于加速降水速率、減少谷物熱損傷、提高干燥后品質(zhì)。而在冷卻段增加緩蘇操作，則是為了避免因溫差過大引起的品質(zhì)劣變，如糧粒裂紋、掛面硬結(jié)等，使緩蘇過程能夠柔和地完成冷卻。此外，也有部分專利通過對緩蘇段內(nèi)部空間的設(shè)計優(yōu)化產(chǎn)品品質(zhì)。如姜志富等[18]在緩蘇段內(nèi)加入谷物換位器，能將塔內(nèi)側(cè)溫度較高的谷物置換到靠塔外側(cè)，減少谷物緩蘇過程中糧粒間的溫度差，提高烘干制品的均勻性。劉勇獻(xiàn)等[15]在緩蘇段水平設(shè)置均勻交叉分布的角狀盒或連續(xù)的通風(fēng)節(jié)以及抽真空裝置，當(dāng)谷粒內(nèi)外水分達(dá)到較低含水率的平衡態(tài)時，濕熱空氣通過角狀盒被抽出，可平衡殼體內(nèi)部的真空壓力，同時防止抽真空時殼體變形，起到緩蘇保質(zhì)的作用。專利“一種糧食緩蘇裝置”包括導(dǎo)料傘、導(dǎo)糧槽和集糧斗，糧食從高處落下通過導(dǎo)料傘將其分散，沿導(dǎo)糧槽流入下一導(dǎo)料傘，產(chǎn)生的輕微沖擊波通過吸收勢能減緩糧食的流速，從而避免了因糧粒垂直下落造成破損的弊病[19]。為了使糧粒內(nèi)部水分得到充分平衡，在緩蘇室內(nèi)增加若干層相互錯開的隔板以增加緩蘇時間，并在出口處增設(shè)糧粒分流裝置，便于檢測糧粒的濕度[20]。

2 緩蘇操作對糧食品質(zhì)的影響

2.1 碾磨品質(zhì)

當(dāng)前，緩蘇操作對糧食外觀品質(zhì)的影響主要在于谷物的裂紋率（爆腰率）、整精米率（head rice yield，HRY）和破碎度，其中裂紋率是評價谷物干后品質(zhì)的主要指標(biāo)，且與破碎敏感性及整精米率顯著相關(guān)[21-22]。HRY作為評估商業(yè)碾米質(zhì)量的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，獲得最大碾磨品質(zhì)是稻谷工業(yè)的終極目標(biāo)。大多研究表明：不當(dāng)?shù)木徧K操作是引起裂紋的主要原因。

Cnossen等[23]基于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度理論，將不同水分含量（低水分：17%～18%；高水分：20%～21%）的兩種稻谷在3 種溫濕度不同的干燥條件下干燥，然后在所干燥溫度下分別緩蘇0、80、160、240 min，研究干燥和緩蘇處理在高于和低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度對稻谷內(nèi)核裂紋率的影響。結(jié)果表明內(nèi)核裂紋率隨著干燥期間緩蘇時間的增長而降低，相比對照樣品，一些樣品在延長緩蘇后裂紋顯著增高，然而卻有較高的整精米率，且與對照樣品的整精米率相同，這說明防止裂紋比保持高整精米率所需的緩蘇時間要長。當(dāng)緩蘇溫度為60 ℃（高于稻米玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）時，HRY增加，裂紋率降低。

Iguaz等[24]考察了稻谷連續(xù)干燥、間歇干燥和最終緩蘇干燥對稻谷外觀品質(zhì)的影響，得出裂紋率隨著溫度和空氣蒸發(fā)量的增強而增加，緩蘇溫度60 ℃時，裂紋率由連續(xù)干燥的29%降到4.5%，保持了較高的HRY，在干燥過程中引入緩蘇能夠加快干燥速率，提高稻谷品質(zhì)。Cnossen[25]和劉木華[26]等認(rèn)為，當(dāng)?shù)竟染徧K溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，由于水分?jǐn)U散速率增加，能快速降低內(nèi)部應(yīng)力，稻谷在低水分平衡態(tài)下從橡膠態(tài)進(jìn)入玻璃態(tài)，而且可使已產(chǎn)生裂紋得以消除，顯著降低干燥和緩蘇時間。Aquerreta等[27]發(fā)現(xiàn)，采用多次循環(huán)干燥，分別在常溫、中溫和高溫下緩蘇，得出的結(jié)論與之前相同。然而，Jaiboon等[28]采用流化床干燥溫度為90、110、130 ℃對稻谷進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)除了干燥溫度90 ℃，更高的干燥溫度能夠提高稻谷的HRY，而緩蘇時間則對HRY沒有任何影響。Dong Renjie等[29]證明長粒米比短粒米在防止內(nèi)部裂紋所需的緩蘇時間長。楊國鋒等[30]運用隸屬度分析法對間歇干燥的高水分稻谷進(jìn)行綜合評價，得出優(yōu)化干燥條件為：緩蘇溫度60 ℃，干燥段數(shù)2段。此外，楊國鋒等[31]還發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)干燥作業(yè)的緩蘇過程中存在一個能夠提高稻谷HRY的臨界緩蘇時間，當(dāng)?shù)竟瘸跏妓趾繛?1.2%時，隨著干燥溫度的升高，同一緩蘇溫度下相鄰緩蘇時間稻谷的HRY差值出現(xiàn)的越明顯。大量研究顯示：對于許多不同的干燥處理，適當(dāng)?shù)母邷鼐徧K都能夠縮短總干燥時間，可防止稻米裂紋并提高整精米率，且緩蘇越充分，稻谷的爆腰增率越小[32-33]。

2.2 食用品質(zhì)

感官評價和理化指標(biāo)是評價食用品質(zhì)最常用的方法。感官評價多與黏彈性、軟硬度、香味、滋味和質(zhì)地等指標(biāo)有關(guān)，但具有主觀性；理化指標(biāo)則是從客觀性來評價樣品的特征值，主要研究直鏈淀粉含量、黏度速測（rapid visco analyzer，RVA）特征值、游離脂肪酸值、糊化特性以及相關(guān)物性值，發(fā)現(xiàn)理化特性的變化趨勢與食味品質(zhì)具有顯著的相關(guān)一致性[34-35]。

孟祥國等[36]探索了及時干燥、日曬干燥與堆放3 d延時干燥處理后的稻谷米飯在氣味、色澤、外觀結(jié)構(gòu)、適口性和滋味方面的食味品質(zhì)進(jìn)行評價，結(jié)果顯示及時干燥處理的米飯硬度、彈性、咀嚼度、回復(fù)性和黏聚性均顯著高于延時干燥，且增加10 h緩蘇的及時干燥工藝在食味品質(zhì)和質(zhì)構(gòu)上均高于未緩蘇的處理。

楊國鋒等[31]采用干燥-通風(fēng)聯(lián)合作業(yè)將干燥溫度不低于60 ℃，緩蘇溫度不低于干燥溫度的稻谷壟谷后粉碎，測定其RVA特征值（最低黏度、峰值黏度、最終黏度、崩解值、回生值），結(jié)果表明稻谷的RVA特征值在一定波動范圍內(nèi)隨著干燥和緩蘇溫度的升高以及緩蘇時間的延長而顯著增加，而且緩蘇溫度對RVA特征值的影響顯著高于干燥溫度和緩蘇時間。在連續(xù)干燥和干燥-通風(fēng)聯(lián)合作業(yè)中，緩蘇時間和溫度均對稻谷脂肪酸值有極顯著的影響，不同緩蘇狀態(tài)下呈現(xiàn)趨勢不同。

Jaiboon等[28]將糯米（初始水分含量為28.8%）在流化床中干燥溫度分別為90、110、130 ℃，緩蘇時間分別為0、30、120 min條件下處理，研究糯米的糊化特性和顏色隨著干燥溫度和緩蘇時間的變化，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)干燥溫度為110、130 ℃時，3 個緩蘇時間下糯米的峰值黏度均低于樣品；回升值黏度隨著干燥溫度升高和緩蘇時間的延長而增加；并指出采用白度指數(shù)（white index，WI）定義糯米色澤是不合理的，因為a和b值對WI值的影響遠(yuǎn)低于L值。

2.3 營養(yǎng)品質(zhì)

糧食的營養(yǎng)品質(zhì)主要是指淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)的營養(yǎng)。Jaisut等[37]通過高溫流化床干燥、緩蘇和通風(fēng)的方式處理棕色香米，探究干燥溫度、緩蘇時間和稻米初始水分含量對其淀粉消化率和血糖值的影響，發(fā)現(xiàn)同一溫度下，緩蘇時間在30、60、120 min條件下的淀粉最大水解率分別是26.3%、25.3%、24.8%，處理后糙米的血糖指數(shù)從高水分降到低中等水平，且干燥溫度對血糖生成指數(shù)或淀粉水解率的影響比緩蘇時間更為顯著。

此外，也有一些研究緩蘇干燥過程中營養(yǎng)品質(zhì)的變化。趙麗娟等[38]研究發(fā)現(xiàn)，相比靜態(tài)和動態(tài)干燥，緩蘇-間斷干燥對胡蘿卜中β-胡蘿卜素保留率最高。黃忠強[39]以緩蘇時間和干基含水率為試驗因素，干燥時間、干燥后多糖和總黃酮的含量為評價指標(biāo)進(jìn)行響應(yīng)面分析，得出加入緩蘇工藝后的干品，其多糖和總黃酮含量分別比未引入前提高了31.33%和44.21%，并縮短了10.14%的干燥時間。

綜上所述，緩蘇在縮短糧食干燥時間、改善干制品品質(zhì)的同時，還可最大限度地提高其營養(yǎng)價值。

3 緩蘇工藝和參數(shù)的優(yōu)化方法

緩蘇操作參數(shù)的優(yōu)化是糧食間歇干燥中關(guān)鍵的因素之一。合理的緩蘇操作參數(shù)設(shè)計不僅能夠確保干制品的品質(zhì)，還能降低能耗。緩蘇參數(shù)的優(yōu)化主要是指緩蘇溫度、緩蘇時間和緩蘇過程。近年來，大量相關(guān)研究側(cè)重于利用數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬分析緩蘇過程對糧食顆粒（主要為稻谷、玉米和小麥）干燥中內(nèi)部溫濕度梯度及其應(yīng)力的變化，預(yù)測緩蘇對品質(zhì)變化的影響，從而找出較優(yōu)的干燥工藝參數(shù)，也有通過緩蘇過程中谷粒的成像進(jìn)行在線檢測，以及相關(guān)干燥設(shè)備中系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。干燥和緩蘇過程描述準(zhǔn)確性與谷粒內(nèi)核水分分布密切相關(guān)[40-41]。

3.1 理論分析和數(shù)值模擬

早在20世紀(jì)80年代，Steffe等[42-43]就考慮一種多層復(fù)合球面幾何體，采用費克擴散定律從理論上模擬了稻谷緩蘇中液體水分的擴散，用已知的稻谷成分液相擴散系數(shù)，如淀粉、麩皮和稻殼，模擬緩蘇工藝。賈燦純等[44]利用計算機模擬緩蘇過程中玉米顆粒內(nèi)部水分分布，采用有限元分析法進(jìn)行分析，明確了玉米在緩蘇過程中內(nèi)部水分的變化規(guī)律。奚河濱[45]基于液態(tài)方程推導(dǎo)出非穩(wěn)態(tài)方程（Luikov方程）為緩蘇過程的擴散模型，利用稻谷緩蘇過程中的相關(guān)特性，增加約束條件求出離散解。然而，由于研究者只考慮了緩蘇過程中籽粒內(nèi)部液態(tài)水?dāng)U散的梯度分布，忽略了溫度梯度對水分?jǐn)U散的影響，且模型采用基本的費克定律，缺乏對籽粒內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的考慮，因而對緩蘇研究理論的研究不夠成熟。

大多數(shù)模型基于費克第二定律和修改后的簡化模型，對經(jīng)驗和半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行簡化或者依據(jù)具體情況修改液體擴散方程。Igathinathane等[46]建立的干燥模型可以適當(dāng)修改，采用已知的稻谷成分水分?jǐn)U散系數(shù)，以解決緩蘇過程中的水分?jǐn)U散。將干燥和緩蘇模型結(jié)合運用能夠?qū)θ魏味嗤ǖ阑蜷g歇干燥進(jìn)行完整的數(shù)值模擬。李娟玲[47]提出了稻谷固定床深層干燥的模擬方法并編制了相應(yīng)的程序，并分別建立了干燥中加熱和緩蘇階段的數(shù)學(xué)模型。Igathinathane等[10]考慮了糙米稻谷在橢球坐標(biāo)系中的多元橢球幾何體，對已建立干燥模型的邊界條件進(jìn)行適當(dāng)修改，附加固定邊界條件與常規(guī)導(dǎo)數(shù)邊界條件和加入緩蘇擴散系數(shù)因素以模擬緩蘇過程，并采用有限差分法分析緩蘇過程中稻谷的水分?jǐn)U散，實驗證實指數(shù)關(guān)系能夠充分模擬擴散系數(shù)在真空加速緩蘇過程中的變化規(guī)律。改進(jìn)的緩蘇模型與干燥模型能夠模擬任何多道干燥過程并有助于進(jìn)行敏感性因素分析，設(shè)備設(shè)計和優(yōu)化操作的實施。Yang Wade等[48]采用有限元模型模擬稻谷干燥和緩蘇過程中內(nèi)部水分分布和溫度擴散行為?；谶@項工作，Jia Chiyu等[49]開發(fā)了用以描述單內(nèi)核干燥、緩蘇和內(nèi)部應(yīng)力，基于有限元分析的Matlab與C++編譯器的軟件包，用經(jīng)驗方程來描述熱濕擴散過程。Dong Renjie等[50]采用簡化的球形干燥模型對單個米粒在干燥和緩蘇期間水分含量分布進(jìn)行模擬，確定緩蘇處理對長粒稻谷和短粒稻谷水分梯度的影響，得出50 ℃緩蘇120 min能夠去除干燥過程中稻谷內(nèi)部產(chǎn)生的80%的水分梯度，在3 個溫度水平下緩蘇240 min能夠消除所有的水分梯度。模型的優(yōu)化能夠為緩蘇過程提供較符合實際情況的分析和模擬方法，對籽粒內(nèi)部水分或溫度的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步細(xì)化，為全面研究熱濕變化奠定基礎(chǔ)；而對單個籽粒進(jìn)行建模分析，必然進(jìn)行了相應(yīng)的簡化使得偏微分方程的求解能夠收斂，由于糧食內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，過于簡化可能會失去模擬的真實性。

數(shù)學(xué)模型的整合，緩蘇模擬過程的創(chuàng)新以及模型對物料擬合度的適應(yīng)性均為研究緩蘇提供充分的理論依據(jù)。陳怡群等[51]利用水稻薄層干燥的Page方程和水稻平衡水分Pfost方程建立了循環(huán)式谷物干燥機的干燥模型，用VB編制程序，可計算出干燥所需的緩蘇程度系數(shù)、干燥時間和能耗。Poomsa-ad等[52]研究了流化床中干燥溫度、水分含量和緩蘇時間對HRY和操作時間的影響，建立了HRY隨緩蘇時間變化的二階多項式方程，其系數(shù)與水分含量和谷物溫度有關(guān)。Nishiyama等[53]采用球形干燥模型對小麥、長粒稻谷和短粒稻谷進(jìn)行模擬分析，提出模型中表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)H能夠成功用于模擬緩蘇，且緩蘇溫度對所需緩蘇時間有顯著的影響。Cihan等[54]運用各種模型對稻谷薄層間歇干燥過程中緩蘇時間進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)Midilli模型用來描述稻谷薄層間歇干燥最充分，系數(shù)a和b，干燥系數(shù)k和指數(shù)n在Midilli模型中可以表示緩蘇時間的一個多項式函數(shù)。Hacihafizo?lu等[55]通過對大量經(jīng)驗和半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)Midilli模型能夠很好擬合稻谷薄層干燥。邢佐群等[56]依據(jù)糧粒降溫過程中水分傳遞速度模型方程的相關(guān)理論，提出一種降溫緩蘇多級順流糧食干燥工藝。Khir等[57]利用基于費克定律和斜率方程的非穩(wěn)態(tài)擴散模型描述稻谷紅外加熱后冷卻的水分?jǐn)U散。結(jié)果表明稻谷在紅外（infra-red，IR）加熱和冷卻下，稻谷溫度和緩蘇處理對水分?jǐn)U散影響非常顯著，IR加熱獲得了高加熱速率和水分?jǐn)U散。在干燥稻谷時伴隨緩蘇的IR加熱和冷卻比對流干燥的水分?jǐn)U散系數(shù)高很多。李長友等[58]采用5HP-3.5型循環(huán)式緩蘇干燥機對所建立糧食深層順流干燥緩蘇過程含水率在線模型解析值進(jìn)行驗證，擬合度很高。此外，利用深層干燥質(zhì)量守恒方程和水分?jǐn)U散模型，對高濕稻谷逆流干燥過程水分變化進(jìn)行在線解析，并驗證了解析模型的準(zhǔn)確性。將緩蘇相關(guān)的參數(shù)，如緩蘇程度系數(shù)、表面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)、HRY等綜合考慮，能為緩蘇過程分析提供新思路；半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯⒗碚撆c實踐結(jié)合起來，應(yīng)用較為廣泛，但不同糧食的物性和干燥方式不同，因此采用單一模型并不能充分描述不同谷物品質(zhì)緩蘇過程的質(zhì)熱變化。

3.2 成像在線監(jiān)控

許多研究預(yù)測干燥后糧食籽粒存在水分梯度，但對于緩蘇過程中水分分布和動力學(xué)的直接測量仍然無法提供理論預(yù)測的驗證。

Hwang等[59]利用磁共振成像（magnetic resonanceimaging，MRI）技術(shù)，根據(jù)單粒稻谷內(nèi)部不同區(qū)域磁共振（magnetic resonance，MR）信號強度的變化，在線檢測了緩蘇過程中稻谷內(nèi)部水分的瞬態(tài)分布及遷移過程，得出米粒中心水分不均勻呈間隔分布，胚胎區(qū)域表現(xiàn)出比胚乳區(qū)域更高的MR信號強度，瞬態(tài)信號強度符合雙指數(shù)函數(shù)，提出了緩蘇過程中的對流和擴散有助于降低稻谷顆粒內(nèi)部的水分梯度，從而為稻谷緩蘇時間的設(shè)計提供了有力的依據(jù)。宮元娟等[60]運用數(shù)字圖像處理技術(shù)，以真空緩蘇干燥前后香菇的面積圖像收縮率為指標(biāo)，采用正交試驗設(shè)計，多目標(biāo)非線性理論和方法優(yōu)化工藝參數(shù)。研究表明[59-60]在線監(jiān)控能夠形象地描述緩蘇過程。

3.3 軟件開發(fā)

李長友等[61]根據(jù)循環(huán)式緩蘇干燥機系統(tǒng)的工作原理，采用80C51單片機對控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了計算機與單片機雙向通訊。隨后，在循環(huán)式緩蘇干燥機硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用模糊控制的推理方法對人工控制經(jīng)驗進(jìn)行歸納總結(jié)，從而完成相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)[62]。緩蘇干燥機配套軟硬件的開發(fā)為智能干燥控制奠定了基礎(chǔ)。

3.4 能耗和經(jīng)濟效益

能耗是考察糧食干燥機性能和干燥工藝優(yōu)化與否的重要量化指標(biāo)。干燥能量效率提高1%就能使利潤增加10%。在干燥最終含水量相同的情況下，總干燥時間越短，干制品品質(zhì)越高，節(jié)能效果越好，對能源的利用也越有效。常見的緩蘇操作優(yōu)化是通過緩蘇段的設(shè)置、多次循環(huán)緩蘇干燥、緩蘇過程中氣流方向的改變、緩蘇倉內(nèi)結(jié)構(gòu)變化以及參數(shù)的選擇。雖然在干燥設(shè)備或干燥過程中增加緩蘇段可以降低能耗，但長時間的緩蘇也延長了總干燥時間。

王繼煥等[63]利用糧食烘干機尾氣余熱作為熱源，結(jié)合中間緩蘇倉進(jìn)行實驗研究，結(jié)果顯示熱緩蘇能顯著降低烘干機的能量消耗，提高經(jīng)濟效率，改善糧食的食用品質(zhì)。Igathinathane等[64]研究了100～700 mmHg的真空壓力對加速糙米雙通道干燥緩蘇過程的影響，基于容器中緩蘇谷物上部空間相對濕度的緩蘇指數(shù)監(jiān)控整個緩蘇過程，可以觀察到，緩蘇時間隨著真空壓力的增加而逐漸減少。與完成95%緩蘇的樣品相比，高于500 mmHg的真空緩蘇所需總干燥時間縮短了近50%；在700 mmHg完成100%緩蘇的樣品，最大能節(jié)約72%的時間。Jumah等[65]采用一種新型的旋轉(zhuǎn)射流噴動床，研究回潮玉米干燥時不同緩蘇比對能耗的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)緩蘇時間為10、20、40 min時，能耗比連續(xù)干燥分別節(jié)約19%、23%、30%。當(dāng)緩蘇時間為60 min時，能耗節(jié)約的最大值為37%，但較長的緩蘇時間也增加了總干燥時間。

3.5 存在問題

緩蘇過程中糧食品質(zhì)變化機理缺乏研究。糧食品質(zhì)的變化在對谷粒的完整性的檢測和預(yù)防機理上比較成熟，而對食用品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的研究相對較少，且相關(guān)變化機理尚未涉及，甚至處于空白階段。

解析模型和數(shù)值模擬的局限性。在當(dāng)前的研究中，理論分析雖然與實驗數(shù)據(jù)較符合，能夠獲得較好的一致性，但是在構(gòu)建模型的過程中存在大量假設(shè)和簡化以利于方程求解，并不能夠客觀形象的描述在線緩蘇，它可以作為緩蘇參數(shù)設(shè)置時的初步參考，但還不足以用于指導(dǎo)規(guī)?；纳a(chǎn)實踐，很少有文獻(xiàn)對糧食緩蘇干燥進(jìn)行有效的模擬。

運用于生產(chǎn)的緩蘇干燥設(shè)備系統(tǒng)的研發(fā)比較薄弱。不同干燥設(shè)備中以及獨立緩蘇設(shè)備中對緩蘇過程的研究不夠全面和系統(tǒng)，忽略了緩蘇過程中的一些影響因素。干燥設(shè)備中緩蘇段的設(shè)置雖然根據(jù)不同需求有相應(yīng)的調(diào)整，但對于物流、儲運過程中獨立的緩蘇設(shè)備不能夠滿足要求。對于緩蘇設(shè)備相關(guān)軟硬件的開發(fā)，機械設(shè)備的改善遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

4 結(jié) 語

基于上述存在的問題，對今后研究重點提出幾點建議：針對不同地域，多品種的糧食在同一緩蘇干燥設(shè)備處理中，建立標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)操作參數(shù)，為深入研究糧食緩蘇干燥提供可參考的依據(jù)，從而節(jié)約人力、物力和財力資源；成像技術(shù)能夠在線監(jiān)控糧食在緩蘇過程中內(nèi)部水分遷移的具體變化過程，比較形象地再現(xiàn)了遷移規(guī)律，能夠更準(zhǔn)確地描述緩蘇過程中溫濕度變化，成為糧食干燥最有力的分析方法；將數(shù)學(xué)模擬與成像技術(shù)相結(jié)合，結(jié)合理論分析和實際情況，從而能夠?qū)徧K過程進(jìn)行客觀全面的分析，大大提高精度值，為緩蘇進(jìn)一步優(yōu)化提供較大的發(fā)展空間，能夠嚴(yán)格控制糧食干燥的各個環(huán)節(jié)；研究開發(fā)性能穩(wěn)定，可操作性強，自動化程度高，配有糧食水分在線檢測智能控制的緩蘇或干燥設(shè)備，以方便操作和檢測。另外，相關(guān)針對緩蘇過程軟硬件的開發(fā)也為更好地理解和掌控過程參數(shù)變化提供了依據(jù)。

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Advances in the Application of Tempering in Grain Drying

REN Guangyue, ZHANG Wei, CHEN Xi, DUAN Xu, ZHANG Ledao, ZHU Wenxue
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Drying is an important means to ensure grain safety. The poor drying capacity and low quality of grain are two key problems to be solved during grain storage in China. Tempering, as an important part of grain processing, storage and circulation, has dual characteristics of saving energy consumption and improving product quality. This paper classifies the tempering operation in detail and systematically elaborates the optimization method for tempering operation parameters in grain drying process and its effects on grain quality and energy consumption. Some problems that exist in the field of grain drying are put forward, and the application prospects of tempering in grain drying are analyzed objectively.

tempering; grain; drying; quality; energy consumption

10.7506/spkx1002-6630-201601047

S210.45

A

1002-6630（2016）01-0279-07

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REN Guangyue, ZHANG Wei, CHEN Xi, et al. Advances in the application of tempering in grain drying[J]. Food Science, 2016, 37(1): 279-285. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201601047. http://www.spkx.net.cn

2015-03-20

河南省重大科技攻關(guān)項目（121199110110）

任廣躍（1971—），男，教授，博士，研究方向為農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)。E-mail：guangyueyao@163.com