羅春興 唐正 陳嘉睿 史健偉 闞立民 張紫恒 曹龍奎 張吉軍

摘要：通過(guò)論述干燥技術(shù)對(duì)于稻谷貯藏的重要作用，分析稻谷微波干燥技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀，得出稻谷在大型連續(xù)式微波干燥設(shè)備上的試驗(yàn)方案及結(jié)果分析。結(jié)果表明，在采用“間歇式”的微波干燥模式下，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng);稻谷含水率下降幅度隨著微波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng);干燥過(guò)程中，稻谷籽粒的溫度變化可以分為快速上升和趨于穩(wěn)定2個(gè)變化階段。采用“間歇式”的微波干燥方式對(duì)于減緩物料溫升有積極作用。

關(guān)鍵詞：稻谷微波干燥;干燥現(xiàn)狀;間歇式微波干燥;試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TS210???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??? doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2020.02.019

Current Status of Rice Drying Using Microwave Drying Technology and

Drying Test Research on Continuous Microwave Dryer

LUO Chunxing，TANG Zheng，CHEN Jiarui，

SHI Jianwei1，KAN Limin1，ZHANG Ziheng1，CAO Longkui2，*ZHANG Jijun1

（1. College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China;

2. College of Food Science，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing，Heilongjiang 163319，China）

Abstract：The important role of drying technology on rice storage was discussed，the principle and research status of rice microwave drying technology were analyzed，the experimental scheme and result analysis of rice drying on large continuous microwave drying equipment were given. Experimental results showed that in using intermittent microwave drying mode，the decrease amplitude in moisture content of rice was significantly enhanced with increasing of drying time per cycle，the decrease amplitude in moisture content of rice was enhanced with increasing of microwave intensity. During the drying process，the temperature change of rice granules could be divided into two stages：rapid ascending phase and stabilizing phase. The use of intermittent microwave drying had a positive effect on slowing the temperature rise of the material.

Key words：rice microwave drying;drying status;intermittent microwave drying;experimental research

稻谷是我國(guó)三大谷物之一，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示[1-2]，2017年全國(guó)糧食總產(chǎn)量為61 791×104 t，稻谷產(chǎn)量為20 856×104 t，稻谷產(chǎn)量的占比約為33.75%;2018年全國(guó)糧食總產(chǎn)量為65 789×104 t，稻谷產(chǎn)量為21 213×104 t，稻谷產(chǎn)量的占比約為32.24%。從2017、2018兩年的數(shù)據(jù)可以看出，我國(guó)水稻產(chǎn)量在糧食總產(chǎn)量中基本達(dá)到1/3，因此稻谷生產(chǎn)在國(guó)家糧食安全中占有重要地位。國(guó)內(nèi)約60%的地區(qū)和人口以大米為主食[3]。隨著生活水平的逐年提高，高品質(zhì)稻谷在我國(guó)糧食消費(fèi)中將受到越來(lái)越多的青睞。

稻谷在我國(guó)種植分布廣泛，南北均有分布，南方的暖濕氣候條件適合稻谷種植。收獲后的稻谷貯藏是要解決的最后一公里問(wèn)題。南方稻谷一般在夏季高濕環(huán)境下收獲，稻谷的含水率較高;而北方地區(qū)一般在較干燥的秋季收獲，稻谷含水率相對(duì)低一些，但都遠(yuǎn)高于安全水分。如果大批量稻谷收獲后不能及時(shí)干燥到安全水分將會(huì)產(chǎn)生霉變;干燥過(guò)程的不合理方法也將會(huì)使稻谷在貯藏過(guò)程中產(chǎn)生品質(zhì)劣變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年收獲的糧食中由于干燥不及時(shí)導(dǎo)致霉變的損失量占全年谷物總產(chǎn)量的1.5%～ 3.0%。南方雨季較長(zhǎng)的省份這一比例可高達(dá)10%[4]。因此，收獲后的稻谷進(jìn)行及時(shí)干燥處理已經(jīng)成為稻谷產(chǎn)后加工的必要環(huán)節(jié)。合理有效的干燥技術(shù)是解決稻谷貯藏最后一公里問(wèn)題的核心手段。

隨著我國(guó)稻谷行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，相應(yīng)的稻谷干燥機(jī)械、干燥技術(shù)得以快速發(fā)展并取得了很大進(jìn)步。目前，稻谷干燥技術(shù)主要包括熱風(fēng)干燥、遠(yuǎn)紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽(yáng)能干燥等方法;稻谷干燥應(yīng)用最成熟的干燥方法是熱風(fēng)干燥，但是熱風(fēng)干燥能耗高、效率較低，對(duì)環(huán)境污染具有一定影響。“保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源”成為我國(guó)未來(lái)長(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略，因此發(fā)展節(jié)能、綠色干燥技術(shù)是適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略、實(shí)現(xiàn)糧食干燥可持續(xù)發(fā)展的重要手段。微波干燥是一種節(jié)能、綠色干燥技術(shù)，研究對(duì)稻谷微波干燥原理、現(xiàn)狀及基本試驗(yàn)研究進(jìn)行闡述。

1?? 微波干燥技術(shù)的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用

微波是一種波長(zhǎng)范圍為1～1 000 mm，頻率范圍為3.0×102-3.0×105 MHz的高頻電磁波。微波干燥原理是依靠以每秒幾億次速度進(jìn)行周期變化的微波透入物料內(nèi)，與物料的極性分子相互作用，物料中的極性分子（如水分子）吸收了微波能量后，改變了其原有的分子極性，以同樣的高速度作電場(chǎng)極性運(yùn)動(dòng)，致使極性分子間頻繁碰撞而產(chǎn)生大量的摩擦熱，在宏觀上表現(xiàn)為物料的溫度升高，進(jìn)而發(fā)生水分的蒸發(fā)，使物料失水從而得到干燥的目的[5]。與傳統(tǒng)干燥方式相比，微波干燥具有干燥速率大、節(jié)能、生產(chǎn)效率高、清潔生產(chǎn)、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高干燥質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[6]。因此，在糧食干燥、化工、冶金、食品加工、農(nóng)產(chǎn)品干燥、保鮮與包裝、殺菌殺蟲等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。

2?? 稻谷微波干燥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在稻谷微波干燥領(lǐng)域進(jìn)行了很多有價(jià)值的研究。Kim S S等人[7]研究了微波干燥中水分的擴(kuò)散，Ofol I等人[8]模擬了微波干燥中食品熱力學(xué)參數(shù)的變化，T T Chen等人[9]研究了微波與熱風(fēng)組合干燥過(guò)程中的熱量和質(zhì)量傳遞。國(guó)內(nèi)針對(duì)不同類型稻谷的微波干燥研究主要集中在干燥特性、干燥工藝參數(shù)優(yōu)化、干燥品質(zhì)、干燥工藝流程、干燥滅菌等方面。

王俊等人[10]對(duì)粳稻的微波干燥特性及品質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，稻谷微波干燥時(shí)的整個(gè)失水過(guò)程和溫度變化過(guò)程都分為2個(gè)階段，微波干燥貯藏3—6個(gè)月后稻谷內(nèi)脂肪酸含量比熱風(fēng)干燥的低，表明微波干燥稻谷有利于長(zhǎng)時(shí)間貯藏。于秀榮等人[11]對(duì)粳稻種子糧進(jìn)行了微波干燥試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，低功率、長(zhǎng)流程的工藝條件干燥稻谷，可在降低水分的同時(shí)，保證稻谷的種用品質(zhì)及爆腰率增加值低于5%，適宜的干燥功率和干燥時(shí)間是保證稻谷干燥效果的主要條件。朱德文[12]通過(guò)微波干燥粳稻的試驗(yàn)研究，證實(shí)了當(dāng)?shù)竟任⒉ǜ稍锕β省?.2 W/g，溫度為50 ℃，平均失水率為0.1%/min時(shí)，可確保稻谷干燥后的品質(zhì)和較高的發(fā)芽率，并減少稻谷干燥的爆腰率和降低脂肪酸含量，便于稻谷長(zhǎng)期貯藏。張習(xí)軍等人[13]研究了微波處理對(duì)粳稻品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，稻谷經(jīng)微波處理后，溫度呈線性上升，不同的微波處理?xiàng)l件對(duì)稻谷品質(zhì)的影響有差異，適宜的微波條件對(duì)碎米率、爆腰率影響較小。梁禮燕[14]對(duì)熱風(fēng)和微波干燥粳稻的干燥特性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，微波功率越大，稻谷的爆腰率增大，發(fā)芽率和整精米率下降。相對(duì)連續(xù)微波干燥，間歇干燥明顯提高了稻谷干燥后的品質(zhì)。楊慧萍等人[15]以微波、熱風(fēng)2種方式，在低溫45 ℃和高溫65 ℃恒溫干燥工藝條件下處理粳稻，并與自然風(fēng)干對(duì)照組比較試驗(yàn)。結(jié)果表明，低溫時(shí)微波和熱風(fēng)干燥處理與自然風(fēng)干對(duì)照組相比，改善了稻谷品質(zhì)。高溫時(shí)，微波和熱風(fēng)干燥處理與自然風(fēng)干對(duì)照組相比，稻谷品質(zhì)受損，不利于后期的貯藏及食用。上述研究者進(jìn)行微波干燥研究采用的設(shè)備主要為微波爐或微波化學(xué)反應(yīng)器或微波干燥實(shí)驗(yàn)臺(tái)，這些試驗(yàn)設(shè)備所能提供的微波功率較低、干燥稻谷量較少，與實(shí)際生產(chǎn)存在一定的差距。

鄭先哲，王磊，于潔等人[16-18]針對(duì)活性米在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行了干燥深入研究，取得了較好效果。張斌等人[19]研究了不同微波有效功率下高水分稻谷的微波干燥特性，以及微波處理對(duì)稻谷加工品質(zhì)及微生物量的影響。結(jié)果表明，適宜的微波處理在保障高水分稻谷加工品質(zhì)的前提下，可顯著縮短干燥時(shí)間，并獲得高質(zhì)量的殺菌效果。劉雅婧等人[20]以熱風(fēng)干燥法為對(duì)照，研究了微波干燥對(duì)高水分稻谷中脂肪酶、脂肪氧化酶和過(guò)氧化物酶活性的影響。結(jié)果表明，微波處理對(duì)稻谷脂肪酶、脂肪氧化酶和過(guò)氧化物酶的反應(yīng)最適溫度和熱穩(wěn)定性、最適pH值和pH值穩(wěn)定性均有影響。雖然這些研究采用的是連續(xù)式微波干燥設(shè)備，但干燥方式不是間歇式的。通過(guò)大型連續(xù)式微波干燥設(shè)備進(jìn)行間歇式的稻谷微波干燥未見公開報(bào)道，研究將在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行間歇式的稻谷微波干燥特性試驗(yàn)。

3?? 稻谷在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上的“間歇式”干燥試驗(yàn)研究

3.1?? 材料與方法

3.1.1?? 材料與設(shè)備

試驗(yàn)用水稻品種為墾粳1501號(hào)品種，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。由于試驗(yàn)是在非收獲季節(jié)進(jìn)行的，因此所用水稻為較干燥的水稻。水稻在干燥試驗(yàn)前要先進(jìn)行除雜處理，然后進(jìn)行噴濕處理，使水稻含水率達(dá)到收獲時(shí)的含水率。

隧道式微波干燥機(jī)，甘肅天水華圓制藥設(shè)備有限公司產(chǎn)品;電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品;水分分析儀，奧豪斯常州儀器有限公司產(chǎn)品;精密電子天平，普利塞斯上海天美天平儀器有限公司產(chǎn)品;便攜式紅外測(cè)溫儀等設(shè)備。

3.1.2?? 試驗(yàn)因素水平的選取

采用單因素試驗(yàn)方法，在排濕風(fēng)速為1.45 m/s的條件下，選取微波強(qiáng)度（W/g）、每循環(huán)干燥時(shí)間（min）2個(gè)因素，每個(gè)影響因素選取5個(gè)水平值。微波強(qiáng)度分別取2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g;每循環(huán)干燥時(shí)間分別取1.02，2.00，3.85，6.25，?? 8.33 min，通過(guò)改變干燥機(jī)傳送帶速度來(lái)改變干燥時(shí)間。試驗(yàn)微波功率5 kW，采用特制干燥盒稱取定量物料進(jìn)行干燥。

3.1.3?? 試驗(yàn)方法

固定每循環(huán)干燥時(shí)間、排濕風(fēng)速不變，改變微波強(qiáng)度，研究微波強(qiáng)度對(duì)于稻谷干燥特性的影響;固定每微波強(qiáng)度、排濕風(fēng)速不變，改變每循環(huán)干燥時(shí)間，研究每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于稻谷干燥特性的影響。干燥試驗(yàn)中采用間歇式的干燥方式（干燥與不干燥交替進(jìn)行），可以更好地保證稻谷的干燥品質(zhì)。

3.1.4?? 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

（1）稻谷初始含水率的測(cè)定。采用105 ℃烘箱法進(jìn)行干燥前物料初始含水率的測(cè)定，測(cè)定3次，取平均值。測(cè)得試驗(yàn)稻谷的初始含水率約為25.97%。

（2）稻谷實(shí)時(shí)含水率的測(cè)定。以干燥過(guò)程中物料干物質(zhì)保持不變的原理為依據(jù)，通過(guò)測(cè)量每次干燥循環(huán)后的稻谷質(zhì)量，計(jì)算出稻谷實(shí)時(shí)含水率。

（3）物料溫度的測(cè)定。采用便攜式紅外測(cè)溫儀測(cè)定物料溫度，每循環(huán)干燥結(jié)束后從連續(xù)式微波干燥機(jī)出料口處測(cè)物料溫度，操作要規(guī)范迅速。采用測(cè)溫儀測(cè)定稻谷中層的中心和同一層面上離中心 等距的周邊4個(gè)點(diǎn)的溫度，然后取平均值作為稻谷溫度。

3.2?? 結(jié)果與分析

3.2.1?? 每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)稻谷干燥特性的影響

在風(fēng)速1.45 m/s，微波強(qiáng)度2.98 W/g的不變條件下，選取每循環(huán)干燥時(shí)間分別為1.02，2.00，3.85，6.25，8.33 min進(jìn)行循環(huán)干燥試驗(yàn)。

不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷含水率變化曲線見圖1。

由圖1可知，在微波干燥過(guò)程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng)。隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加，干燥循環(huán)次數(shù)明顯減少。原因在于，隨著干燥時(shí)間的增加，使得微波輻照物料上的時(shí)間增加，熱量累積快速增加，水分蒸發(fā)加快。由圖1可知，當(dāng)干燥時(shí)間為6.25 min時(shí)，干燥1次循環(huán)水分下降到約15.85%;干燥2次循環(huán)水分下降到約7.4%;當(dāng)干燥時(shí)間為8.33 min時(shí)，干燥1次循環(huán)水分下降到約12.34%。可見，這2種干燥時(shí)間使物料水分下降過(guò)快，不利于保證稻谷原有的品質(zhì)。

不同每循環(huán)干燥時(shí)間下稻谷籽粒溫度的變化曲線見圖2。

由圖2可知，在不同的每循環(huán)干燥時(shí)間下，稻谷籽粒溫度首先快速增加，然后緩慢增加，溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。原因在于干燥初期，稻谷吸收微波能力強(qiáng)，溫度增加快;在干燥中后期，水分蒸發(fā)吸熱與稻谷吸收微波能產(chǎn)熱大致平衡，溫度趨于穩(wěn)定。不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于溫度的變化幅度有差異性影響，干燥時(shí)間超過(guò)2.0 min時(shí)溫度升高較快，最高溫度變化幅度不超過(guò)5 ℃，最高溫度不超過(guò)61 ℃。總體溫度不算高的原因主要是采用“間歇式”的干燥方式，間歇階段稻谷水分得到一定的平衡，稻谷溫度有所下降，再進(jìn)行干燥時(shí)溫度增加的幅度減小，因此總體稻谷最高溫度不算高，這有利于保持稻谷原有的品質(zhì)。

3.2.2?? 微波強(qiáng)度對(duì)稻谷干燥特性的影響

在風(fēng)速1.45 m/s、每循環(huán)干燥時(shí)間為2.0 min的條件下，選取微波強(qiáng)度分別為2.08，2.98，3.97，4.97，5.87 W/g進(jìn)行循環(huán)干燥試驗(yàn)。

不同微波強(qiáng)度下稻谷含水率變化曲線見圖3。

由圖3可知，在微波干燥過(guò)程中，稻谷含水率下降幅度隨著微波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，但是變化存在差異性。微波強(qiáng)度為2.08，2.98，3.97 W/g時(shí)降水幅度變化顯著;當(dāng)微波強(qiáng)度增大到4.97，5.87 W/g時(shí)，降水幅度變化不顯著。原因主要在于，微波強(qiáng)度為2.08，2.98，3.97 W/g時(shí)干燥的稻谷量較多，吸收微波能力強(qiáng)，降水較快;當(dāng)微波強(qiáng)度為4.97，5.87 W/g時(shí)干燥的稻谷量偏少，吸收微波能力較弱，降水變緩。

不同微波強(qiáng)度下稻谷籽粒溫度的變化曲線見 圖4。

由圖4可知，在不同微波強(qiáng)度下，稻谷籽粒溫度變化首先快速增加，然后緩慢增加。溫度變化也可分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強(qiáng)度對(duì)于溫度的變化幅度有一定影響，但是差異性不顯著，最高溫度變化幅度不超過(guò)8 ℃，最高溫度不超過(guò)66 ℃?？傮w溫度變化的原因與圖2變化原因基本一致。

4?? 結(jié)論

（1）在連續(xù)式微波干燥設(shè)備上進(jìn)行間歇式干燥稻谷是可行的。在微波干燥過(guò)程中，稻谷含水率下降幅度隨著每循環(huán)干燥時(shí)間的增加而顯著增強(qiáng)，稻谷含水率下降幅度隨著微波強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，但是變化存在差異性。

（2）在不同微波強(qiáng)度、不同每循環(huán)干燥時(shí)間條件下，稻谷籽粒溫度先是快速增加，然后是緩慢增加。溫度變化基本可以分為快速上升階段和趨于穩(wěn)定階段。不同微波強(qiáng)度、不同每循環(huán)干燥時(shí)間對(duì)于溫度的變化幅度有一定影響，但是存在差異性，物料最高溫度整體不算高，表明“間歇式”的微波干燥對(duì)于減緩稻谷干燥過(guò)程中的溫升具有積極作用，進(jìn)而對(duì)于保證稻谷原有品質(zhì)有利。

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收稿日期：2019-08-26

基金項(xiàng)目：2019黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“大型隧道式微波干燥機(jī)的設(shè)計(jì)建模、虛擬仿真及雜糧干燥試驗(yàn)研究”

（201910223023）。

作者簡(jiǎn)介：羅春興（1998—?? ），男，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

通訊作者：張吉軍（1977—?? ），男，碩士，副教授，研究方向?yàn)榧Z食干燥及機(jī)械。