發(fā)芽糙米的干燥特性研究

賈富國(guó)，韓 珊，曹銀平，姜 鵬

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

發(fā)芽糙米是將糙米經(jīng)發(fā)芽至一定的芽長(zhǎng)后得到的一種由幼芽和帶糠層的胚乳組成的糙米制品[1-2]。與糙米相比，發(fā)芽糙米不僅蒸煮性能好，而且發(fā)芽過(guò)程中，內(nèi)部大量酶被激活和釋放，使得糠層和胚芽處富集豐富的生理活性物質(zhì)γ-氨基丁酸（γ-Aminobutyric acid,GABA），是一種適口性及營(yíng)養(yǎng)性俱佳的產(chǎn)品[3-4]。但由于糙米發(fā)芽后含水率較高，一般在25%～32%，生理代謝旺盛，易霉變，必須經(jīng)過(guò)干燥處理使其含水率降低到14.5%以下才能安全貯存?，F(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中谷物干燥均為深床干燥，而薄層干燥是研究深床干燥過(guò)程的基礎(chǔ)[5]。因此，研究薄層干燥過(guò)程中，發(fā)芽糙米含水率隨干燥條件變化的規(guī)律有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了干燥方法對(duì)發(fā)芽糙米外觀品質(zhì)與理化性質(zhì)的影響，但并未就干燥條件對(duì)發(fā)芽糙米水分變化規(guī)律做深入研究[6-8]，也有學(xué)者對(duì)稻谷在薄層干燥過(guò)程中的水分變化規(guī)律做了相關(guān)研究[9-10]，其試驗(yàn)結(jié)果與研究方法可為本試驗(yàn)提供有益參考。但是，前人對(duì)薄層干燥的研究主要以稻谷為原料，而發(fā)芽糙米是稻谷經(jīng)脫殼后發(fā)芽得到的另一種物料，其干燥過(guò)程中水分變化規(guī)律不同于稻谷。以發(fā)芽糙米為原料，應(yīng)用薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)，關(guān)于干燥條件對(duì)發(fā)芽糙米含水率隨時(shí)間變化規(guī)律的研究國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。

本試驗(yàn)以發(fā)芽糙米為原料，以干燥溫度、表現(xiàn)風(fēng)速和相對(duì)濕度為影響因素，研究發(fā)芽糙米含水率隨時(shí)間變化的影響規(guī)律，建立適合描述發(fā)芽糙米水分變化的數(shù)學(xué)模型。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選稻谷品種為粳稻東農(nóng)429，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所提供，2011年10月收獲，原始含水率為12.0%（濕基）。試驗(yàn)前去芒、脫殼得糙米，隨機(jī)抽取試驗(yàn)樣品。

1.2 儀器設(shè)備

礱谷機(jī)（日本オーㄆケFC2K型）；微型植物試樣粉碎機(jī)（FZ102型，天津泰斯特儀器有限公司）；電子分析天平（精度為0.0001 g，上海天平儀器廠）；恒溫恒濕箱（CTHI-150(A)B型，上海施都凱儀器設(shè)備有限公司）；薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)（如圖1）。

圖1 薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)裝置Fig.1 Scheme of thin-drying experiment rig

1.3 試驗(yàn)方法

糙米含水率測(cè)量采用GB1350-2009方法。

發(fā)芽糙米制備：按照加濕間隔時(shí)間為1 h、單次加濕量為1.5%、在溫度為30℃條件下，使糙米含水率達(dá)到24%后，置于溫度為20℃，相對(duì)濕度為85%的恒溫恒濕箱中培養(yǎng)24 h[11]，得芽長(zhǎng)為0.5～1.0 mm的發(fā)芽糙米。薄層干燥試驗(yàn)：取100 g發(fā)芽糙米樣品置于薄層干燥試驗(yàn)臺(tái)的干燥篩上，按試驗(yàn)設(shè)定條件進(jìn)行干燥。在試驗(yàn)開(kāi)始的前30 min內(nèi)，每10 min稱重一次，以后每隔30 min稱一次，直至達(dá)到安全含水率所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量后取下樣品[12]。

其中：MR-水分比；M-干燥t時(shí)刻物料的水分（干基%）；Me-物料的平衡水分（干基%）；M0-物料的初始水分（干基%）。由于薄層干燥條件下，發(fā)芽糙米平衡水分沒(méi)有數(shù)據(jù)可循，在此選擇與發(fā)芽糙米物料相近的糙米平衡含水率模型作為發(fā)芽糙米的平衡含水率模型，依據(jù)文獻(xiàn)得出[13]，最適合描述糙米平衡含水率的模型為修正GAB模型即：水率（干基）轉(zhuǎn)化為水分比(MR)即

其中A=2243.1、B=0.6169、C=248.7。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥條件對(duì)水分比（MR）影響的單因素試驗(yàn)

2.1.1 干燥溫度對(duì)水分比的影響

以表現(xiàn)風(fēng)速為0.2 m·s-1，相對(duì)濕度為67%，干燥溫度分別為25、30、35℃為干燥條件進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2a所示，隨著溫度的升高，水分比下降幅度明顯，這是由于隨著干燥溫度的增加，其帶走水分的能力增強(qiáng)，發(fā)芽糙米干燥速率加快，所用干燥時(shí)間變短[14]。

2.1.2 表現(xiàn)風(fēng)速對(duì)水分比的影響

以干燥溫度為30℃,相對(duì)濕度定為67%，表現(xiàn)風(fēng)速分別為0.1、0.2、0.3 m·s-1為干燥條件進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2b所示，隨著表現(xiàn)風(fēng)速的增加，水分比下降趨勢(shì)明顯，這是由于表現(xiàn)風(fēng)速增加，風(fēng)穿透谷粒的能力增強(qiáng)，發(fā)芽糙米干燥速率也隨之增加，所需的干燥時(shí)間越短。

2.1.3 相對(duì)濕度對(duì)水分比的影響

以干燥溫度為30℃，表現(xiàn)風(fēng)速為0.2 m·s-1，相對(duì)濕度分別為59%、67%、71%為干燥條件進(jìn)行試驗(yàn)。如圖2c所示，隨著相對(duì)濕度的增加，水分比變化較小，說(shuō)明相對(duì)濕度對(duì)發(fā)芽糙米的干燥速率影響較小。

圖2 單因素分析Fig.2 Analysis of the single factor influence

2.2 薄層干燥數(shù)學(xué)模型

依據(jù)上述結(jié)果，選擇對(duì)干燥速率影響較大的因素（干燥溫度和表現(xiàn)風(fēng)速）為試驗(yàn)因素建立薄層干燥數(shù)學(xué)模型。由于發(fā)芽糙米的水分比與干燥時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，所以選擇常用于描述農(nóng)業(yè)物料薄層干燥的指數(shù)模型進(jìn)行擬合，即：Newton模型：MR=exp(-kt)；Henderson模 型：MR=Aexp(-kt)；Page模型：MR=exp(-ktN)，式中t-干燥時(shí)間，min；A、k、N是與干燥條件有關(guān)的參數(shù)。

通過(guò)對(duì)等式兩邊分別取對(duì)數(shù)，將三個(gè)等式依次變換成線性形式，即：①ln(MR)=-kt；②ln(MR)=lnA-kt；③ln[-ln(MR)]=lnk+Nlnt。通過(guò)五組試驗(yàn)得出不同干燥溫度和表現(xiàn)風(fēng)速條件下，不同時(shí)刻發(fā)芽糙米的含水率（干基），如表1所示，將表中含水率（干基）轉(zhuǎn)化為水分比后得出圖5和圖6的曲線關(guān)系，如圖所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在ln(MR)-t坐標(biāo)系中呈指數(shù)曲線關(guān)系，在ln[-ln(MR)]-lnt坐標(biāo)系中呈直線關(guān)系，依據(jù)作圖法判斷，在ln[-ln(MR)]-lnt中擬合的較好，所以，發(fā)芽糙米薄層干燥的數(shù)學(xué)模型應(yīng)該選擇Page模型。為了得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，下面進(jìn)一步采用回歸分析法進(jìn)行分析。

表1 發(fā)芽糙米含水率變化（干基）Table 1 Germinated brown rice moisture change(dry basis)（%）

圖5 ln(MR)-時(shí)間坐標(biāo)系中分布Fig.5 ln(MR)-time coordinate system distribution

圖6 ln[-ln(MR)]-lnt坐標(biāo)系中分布Fig.6 ln[-ln(MR)]-lnt coordinatesystem distribution

令lnMR=y,ln[-ln(MR)]=y,t=x,-k=N=b0,lnt=x,lnA=lnk=b1,則式（1）-（3）變換為y=b0x+b1的一元線性回歸方程的形式。設(shè)線性回歸的方程如下：y1=a+bx1,每一組數(shù)據(jù)都可以算出一組a,b的值，成為系數(shù)a,b的估算值，由溫度為23℃、表現(xiàn)風(fēng)速為0.3 m/s的一組數(shù)據(jù)，求得其線性回歸方程：y=-0.099-0.2637x；y=-0.877+0.7605x。由于式（1）是一個(gè)通過(guò)原點(diǎn)的線性方程，所以不能選擇其作為發(fā)芽糙米薄層干燥模型。對(duì)式（2）和式（3）分別進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果見(jiàn)表2，從表中可以看出式（3）的決定系數(shù)R2最大且接近1，擬合程度最好，結(jié)果證明前面使用作圖法得到的結(jié)論正確。

表2 發(fā)芽糙米線性回歸分析結(jié)果Table2 Germinated brown ricelinear regression analysis result

如圖6可以看出，隨溫度和風(fēng)速的變化，直線ln[-ln(MR)]=lnk+Nlnt的斜率相等，則N是一個(gè)常數(shù)。因此，k、N與干燥各參數(shù)的關(guān)系式表示如下：lnk=a0+a1T+a2ν；N=a3。將上式帶入式（3）中得到下式：ln[-ln(MR)]=a0+a1T+a2ν+a3lnt，對(duì)上式進(jìn)行三元線性回歸分析，確定其系數(shù)為：a0=-2.2806、a1=0.0580、a2=0.4292、a3=0.7336,即 k=exp(-2.2806+0.058T+0.4292ν);N=0.7336，從而發(fā)芽糙米薄層干燥模型為：MR=exp{-[exp(-2.2806+0.058T+0.4292ν)]0.7336},方差顯著性水平P＜0.001（極顯著），R2=0.9854，F(xiàn)=473.0855。

圖7 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Verification test result

2.3 薄層干燥數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證發(fā)芽糙米薄層干燥模型的準(zhǔn)確性及通用性，利用該模型預(yù)測(cè)初始含水率為37.4%（干基），干燥條件溫度30℃、風(fēng)速為0.2 m·s-1和溫度為20℃、風(fēng)速為0.3 m·s-1時(shí)發(fā)芽糙米含水率變化過(guò)程如圖7所示，預(yù)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為8.92%，說(shuō)明發(fā)芽糙米預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合較好，所建模型能很好的描述和預(yù)測(cè)發(fā)芽糙米含水率變化規(guī)律。

3 結(jié) 論

a.所選影響發(fā)芽糙米薄層干燥速率的諸因素中，干燥溫度和表現(xiàn)風(fēng)速對(duì)發(fā)芽糙米干燥過(guò)程中含水率變化影響顯著，干燥溫度越高，表現(xiàn)風(fēng)速越大，發(fā)芽糙米干燥速率明顯增加，而相對(duì)濕度對(duì)發(fā)芽糙米干燥速率的影響相比前兩者不顯著。

b.所建立的干燥溫度和表現(xiàn)風(fēng)速對(duì)發(fā)芽糙米含水率隨時(shí)間變化影響規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值擬合較好，可以用所建立的數(shù)學(xué)模型比較準(zhǔn)確地描述和預(yù)測(cè)干燥過(guò)程中的發(fā)芽糙米含水率變化規(guī)律。

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