水稻干燥過(guò)程應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的機(jī)理研究

黃丙申等

摘要：通過(guò)水稻干燥和緩蘇過(guò)程中稻谷爆腰產(chǎn)生的玻璃化轉(zhuǎn)變分析，確定稻谷在玻璃態(tài)下干燥時(shí)對(duì)爆腰增殖無(wú)影響。建議采用2種措施：一是使稻谷在玻璃態(tài)下干燥，抑制爆腰產(chǎn)生；二是使稻谷在較高溫度下干燥一定時(shí)間后，給稻谷緩蘇足夠時(shí)間以降低內(nèi)部水分梯度，使內(nèi)部水分均勻，有效地降低稻谷裂紋率和提高產(chǎn)米率。

關(guān)鍵詞：水稻；干燥過(guò)程；應(yīng)力裂紋；玻璃化轉(zhuǎn)變

中圖分類號(hào)：S375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）06-0024-02

稻谷內(nèi)部裂紋主要有干燥裂紋和吸濕裂紋兩種。從谷物顆粒的橫截面來(lái)看，干燥裂紋是由谷物不均勻收縮導(dǎo)致脫水不均勻造成的。水分梯度是谷物產(chǎn)生爆腰或裂紋的主要原因。但干燥過(guò)程中顆粒內(nèi)部水分梯度比較大，而水稻裂紋真正在加熱干燥時(shí)產(chǎn)生不多，往往在干燥結(jié)束后72 h內(nèi)持續(xù)出現(xiàn)，這是由于稻谷顆粒的材料特性和物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。因此，稻谷爆腰應(yīng)是稻谷顆粒內(nèi)部水分梯度和物質(zhì)狀態(tài)變化的綜合結(jié)果。

1 干燥過(guò)程中稻谷爆腰產(chǎn)生的玻璃化轉(zhuǎn)變分析

稻谷干燥一定時(shí)間后，顆粒表面已處于玻璃態(tài)，水分梯度大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也大；而稻谷內(nèi)部進(jìn)入玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的時(shí)間較慢或者尚處于橡膠態(tài)，水分梯度較小，因此有較大的塑性，能承受較大的變形。稻谷形成玻璃態(tài)層后，在玻璃態(tài)層的玻璃化轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)處，除承受玻璃態(tài)部分收縮引起的拉應(yīng)力外，同時(shí)受到橡膠態(tài)層的膨脹力和彎曲力，所以承受拉應(yīng)力最大，且水分梯度大，此處最容易產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而引起爆腰。由于爆腰起始點(diǎn)在顆粒玻璃態(tài)層的玻璃化轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)處，而干燥過(guò)程中玻璃化轉(zhuǎn)變起始點(diǎn)處于顆粒表層，顆粒表層強(qiáng)度較大，因此，干燥過(guò)程中一般不產(chǎn)生爆腰。

如果干燥過(guò)程一直在水稻顆粒玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下進(jìn)行，則顆粒干燥強(qiáng)度低，沒(méi)有玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變，顆粒內(nèi)部雖有很大水分梯度，但不能起到產(chǎn)生爆腰的作用。在橡膠態(tài)下干燥后立即冷卻同樣要產(chǎn)生裂紋。如果稻谷干燥結(jié)束時(shí)表面已玻璃化，由于玻璃態(tài)的稻谷彈性模量大，急冷時(shí)收縮使顆粒內(nèi)部產(chǎn)生很大且不均勻的應(yīng)力，其內(nèi)部由于溫度迅速降低而進(jìn)入玻璃態(tài)。稻谷干燥結(jié)束時(shí)，顆粒內(nèi)部還存在部分橡膠態(tài)區(qū)，在稻谷溫度急速下降的情況下，其內(nèi)部不同含水率部分就會(huì)在不同水分梯度下分別進(jìn)入玻璃態(tài)，從而引起內(nèi)部各部分的不均勻收縮和各不相同的應(yīng)力、應(yīng)變，所以冷卻過(guò)程會(huì)使顆粒玻璃態(tài)層玻璃化轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)處承受很大的應(yīng)力，因而產(chǎn)生爆腰。

水稻顆粒內(nèi)部部分節(jié)點(diǎn)的模擬水分梯度（在風(fēng)溫 58 ℃，初始水分為18%的條件下干燥 30 min后立即冷卻）當(dāng)?shù)竟雀稍锝Y(jié)束后，顆粒溫度從高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（對(duì)應(yīng)于當(dāng)時(shí)顆粒內(nèi)部含水率分布）冷卻到室溫的過(guò)程中，顆粒外部先行收縮，內(nèi)層隨后冷卻收縮。玻璃態(tài)面的彈性模量大，可達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變前的5倍左右，表面小變形即能產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。此過(guò)程中，顆粒表層玻璃態(tài)的玻璃化轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)逐步往顆粒內(nèi)部推進(jìn)。

玻璃化轉(zhuǎn)變開(kāi)始點(diǎn)處承受三方面的拉應(yīng)力：首先是因表層玻璃態(tài)降溫引起的拉應(yīng)力；其次是內(nèi)部橡膠態(tài)因水分均化引起的膨脹力和彎曲力。當(dāng)顆粒各點(diǎn)都進(jìn)入玻璃態(tài)后，稻谷內(nèi)部的水分均化仍需很長(zhǎng)時(shí)間。進(jìn)入玻璃態(tài)時(shí)，由于顆粒內(nèi)部各部分是在不同水分梯度下分別進(jìn)入玻璃態(tài)，既有水分梯度引起的應(yīng)變，還有溫度變化引起的應(yīng)變，從而引起內(nèi)部各部分的不均勻收縮和各不相同的應(yīng)力、應(yīng)變，致使顆粒內(nèi)部產(chǎn)生大面積的銀紋。銀紋不斷擴(kuò)展，最終產(chǎn)生爆腰。因此，干燥后的爆腰可持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。

2 緩蘇過(guò)程中稻谷爆腰產(chǎn)生的玻璃化轉(zhuǎn)變狀態(tài)分析

在稻谷干燥過(guò)程中，常采用間歇干燥工藝，在兩個(gè)干燥過(guò)程之間使用緩蘇操作工藝。緩蘇是在不加熱的情況下，使稻谷在倉(cāng)內(nèi)保溫一定時(shí)間，這是降低顆粒內(nèi)部水分梯度的主要方法。緩蘇時(shí)，水稻顆粒內(nèi)部水分主要沿短軸擴(kuò)散。緩蘇后，顆粒內(nèi)部的水分分布趨于均勻。由于在緩蘇過(guò)程中稻谷內(nèi)部也有水分梯度和玻璃化轉(zhuǎn)變存在，所以緩蘇也會(huì)影響稻谷裂紋的形成。

研究表明，稻谷在風(fēng)溫為50.0 ℃，47.5 ℃，45.0 ℃條件下干燥后立即用30.0 ℃的密閉環(huán)境保存48 h，其爆腰率分別為87.2%，70.0%和41.6%，這說(shuō)明緩蘇溫度對(duì)稻谷溫度有很大影響。稻谷溫度決定了是否有玻璃化轉(zhuǎn)變的存在，所以緩蘇溫度對(duì)稻谷的爆腰有影響。

稻谷的緩蘇溫度選擇對(duì)爆腰的影響非常大。通過(guò)對(duì)玻璃態(tài)稻谷顆粒的銀紋分析可知，稻谷干燥過(guò)程中顆粒進(jìn)入玻璃態(tài)時(shí)，如果其內(nèi)部應(yīng)力和溫濕度條件達(dá)到銀紋引發(fā)臨界條件，則會(huì)產(chǎn)生銀紋。此時(shí)，若繼續(xù)存在足夠大的應(yīng)力作用，銀紋就會(huì)破裂，稻谷發(fā)生爆腰。如果在稻谷出現(xiàn)爆腰前采用高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的緩蘇溫度，一方面可快速降低稻谷內(nèi)部的水分梯度，從而更快降低稻谷內(nèi)部應(yīng)力，使稻谷在水分均勻的情況下進(jìn)入玻璃態(tài)，避免應(yīng)力損傷，防止稻谷進(jìn)入玻璃態(tài)時(shí)產(chǎn)生銀紋或亞裂紋并誘發(fā)爆腰；另一方面高緩蘇溫度能使已產(chǎn)生銀紋或微裂紋的顆粒得以退火而消除銀紋或微裂紋。所以，用較高風(fēng)溫干燥稻谷時(shí)，稻谷干燥一定時(shí)間后，采用高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的緩蘇溫度進(jìn)行緩蘇操作，能有效地降低稻谷裂紋率和提高產(chǎn)米率。

雖然緩蘇可有效防止稻谷爆腰，但由于對(duì)其機(jī)理不了解，所以很難把握和確定緩蘇溫度。根據(jù)玻璃化轉(zhuǎn)變的觀點(diǎn)，應(yīng)該先使稻谷在橡膠態(tài)下的顆粒內(nèi)部溫度和含水率均勻一致，即使有玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生，也可防止稻谷爆腰產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1） 水稻干燥結(jié)束后，立即進(jìn)行爆腰率的數(shù)據(jù)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，此時(shí)爆腰率并不高。在干燥結(jié)束72 h后，進(jìn)行爆腰率的數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)果表明：當(dāng)水稻的干燥介質(zhì)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其爆腰率很低，而高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，其爆腰率非常高。爆腰率測(cè)試是在室溫11 ℃條件下進(jìn)行的，這說(shuō)明顆粒的溫度從高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化到室溫時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變對(duì)水稻爆腰起了重要作用。試驗(yàn)結(jié)果還說(shuō)明，稻谷在玻璃態(tài)下干燥時(shí)對(duì)爆腰增值無(wú)影響。

2） 干燥后稻谷為玻璃態(tài)時(shí)的銀紋觀察試驗(yàn)表明：干燥后玻璃態(tài)的稻谷內(nèi)部出現(xiàn)了銀紋凹槽，即存在微裂紋；稻谷爆腰產(chǎn)生在玻璃態(tài)部分，且為脆性斷裂，這是由于玻璃態(tài)中先形成了銀紋，在應(yīng)力進(jìn)一步作用下，銀紋產(chǎn)生破裂從而形成爆腰。

3） 為避免稻谷爆腰的產(chǎn)生，可采用以下2種措施：第一，通過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度曲線可看出，干燥過(guò)程中稻谷的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越來(lái)越高，因此可采用干燥介質(zhì)溫度逐漸升高的干燥工藝（即變溫干燥工藝）來(lái)干燥稻谷，能保證稻谷在玻璃態(tài)下干燥，從而抑制爆腰產(chǎn)生；第二，稻谷在較高溫度下（即稻谷處于橡膠態(tài)）干燥一定時(shí)間，使稻谷緩蘇足夠時(shí)間以降低內(nèi)部水分梯度，也能有效降低稻谷裂紋率，提高產(chǎn)米率。

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