基于隸屬度綜合分析法的稻谷干燥—緩蘇工藝優(yōu)化研究

周緒霞 劉 琳 付鵬程 張烝彥 張 堅 閔炎芳 呂 飛 丁玉庭

(浙江工業(yè)大學食品工程與質(zhì)量控制研究所1，杭州 310014)(中儲糧成都糧食儲藏科學研究所2，成都 610091)(杭州市糧油中心檢驗監(jiān)測站3，杭州 310003)(中央儲備糧湖州直屬庫4，湖州 313000)

稻谷干燥是稻谷儲藏前處理的一項重要過程，干燥效果的好壞直接影響稻谷的儲藏期及其儲藏品質(zhì)。在我國，稻谷是長江流域的主要糧食作物，新鮮收獲的稻谷具有高水分、易霉變生蟲、易陳化等特點[1]。在夏季收獲的秈稻水分會高達26%～32%(以濕基計)[2]，因此在收獲后進行快速、高效的干燥，將稻谷含水量降至安全水分以下，是保證稻谷能夠安全儲藏2～3年的重要環(huán)節(jié)。

熱泵干燥和遠紅外干燥技術(shù)已被國內(nèi)外學者證明是具有高效、節(jié)能、環(huán)保的新型干燥技術(shù)，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于熱敏性農(nóng)作物的干燥過程中[3]。緩蘇是指稻谷經(jīng)過干燥后，在某一溫度條件下稻谷籽粒由內(nèi)向外進行水分擴散，使其最終達到顆粒內(nèi)部水分平衡的過程。相比單一干燥過程，干燥結(jié)合緩蘇的間歇干燥工藝既能提高干燥后稻谷的研磨品質(zhì)，又能縮短干燥時間，節(jié)約干燥成本[4]。其中，國內(nèi)外許多研究表明[5-7]，60 ℃緩蘇能顯著提高干燥稻谷的整精米率，使其爆腰率和碎米率降低18%～21%。緩蘇比是指一個干燥循環(huán)中干燥時間與緩蘇時間之比，是除緩蘇溫度外，影響稻谷加工特性的另一個重要因素[8]。夏寶林等[9]及Shei等[10]研究認為，適當?shù)木徧K比可以使稻谷顆粒達到最大化的水分平衡，因此可以最大程度的降低研磨過程中爆腰現(xiàn)象及碎米的出現(xiàn)。

目前，在評價干燥工藝對稻谷加工品質(zhì)、理化特性、烹飪特性等指標的影響時，通常采用單因素評價法，而缺少一種綜合評價的方法?；陔`屬度的綜合分析法已廣泛應(yīng)用于水利、管理等學科的相關(guān)研究中[11-12]。近年有學者[13-14]將綜合分析法應(yīng)用在食品科學領(lǐng)域，以更全面地評估產(chǎn)品工藝優(yōu)化等過程中食味品質(zhì)等指標。楊國峰等[15]利用隸屬度的綜合評價法研究了干燥段數(shù)和緩蘇溫度對稻谷品質(zhì)的影響，得出優(yōu)化的干燥條件為：干燥段數(shù)為2段，緩蘇溫度為60 ℃，此時綜合評分達到最大值，使工藝評價更全面、綜合。

本研究以浙江地區(qū)產(chǎn)晚秈稻為研究對象，研究不同干燥方式結(jié)合緩蘇對稻谷干燥特性及品質(zhì)特性，包括加工特性、脂肪酸值、質(zhì)構(gòu)特性等指標的影響，同時利用隸屬度綜合評價法對稻谷干燥品質(zhì)進行多指標綜合評價，從而得出最優(yōu)干燥工藝。其中干燥分別采用熱泵干燥和遠紅外干燥兩種，緩蘇過程分別控制緩蘇比為1∶1、1∶2、1∶3和1∶4。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

晚秈稻(2016年9月 收獲于浙江杭州)：初始含水量(IMC)為(26.9±0.2)%。95% 乙醇；無水乙醇；鄰苯二甲酸氫鉀(所有試劑均為分析純): 阿拉丁有限公司。

1.2 儀器設(shè)備

凱倫熱泵：國華電子有限公司；CY881-3數(shù)顯遠紅外干燥箱(干燥功率3.0 kW)：蘇州豪悅電子加熱設(shè)備廠；JLCJ 4.5型出糙機：浙江臺州糧儀廠；Kett 精米機：日本東京Kett electric laboratory；JXFM110錘式旋風磨：上海嘉定糧油儀器有限公司；TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀：英國Statbe Micro Systems。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品預(yù)處理

將新鮮收獲的稻谷篩選、去除雜質(zhì)后，分裝在聚乙烯密封袋中置于4 ℃恒溫箱中24 h以平衡水分。實驗前，將樣品從冰箱中取出置于自然環(huán)境中平衡至室溫，防止凝結(jié)現(xiàn)象和其他不利因素。

1.3.2 薄層干燥—緩蘇工藝

稻谷屬熱敏性物料，干燥溫度過高會影響其干燥品質(zhì)[16]，且熱泵干燥溫度不能設(shè)置過高，因此將干燥溫度設(shè)定為65 ℃。遠紅外干燥溫度設(shè)定為65 ℃，輻照距離為25 cm。本實驗采用薄層干燥，稻谷厚度為5 mm，載重量2 kg/m2，相對濕度為(35±1)%。稻谷干燥均至含水量為13.5%后結(jié)束干燥，分裝在密封聚乙烯包裝袋中，置于60 ℃烘箱中進行緩蘇，緩蘇比分別設(shè)置為1∶1、1∶2、1∶3和1∶4。在干燥—緩蘇工藝結(jié)束后，取稻谷樣品測定各項指標。

1.4 干燥后稻谷各項指標的測定

1.4.1 含水量的測定

根據(jù)GB/T 21305—2007《谷物及谷物制品水分的測定常規(guī)法》105 ℃恒重法測定稻谷初始含水量，以及干燥過程中含水率的變化。本實驗中所有含水率的計算均以濕基計。

1.4.2 出糙率的測定

根據(jù)GB/T 5495—2008《糧油檢驗 稻谷出糙率檢驗》

1.4.3 整精米率的測定

根據(jù)GB/T 21719—2008《稻谷整精米率檢驗法》

1.4.4 脂肪酸值的測定

根據(jù)GB/T 15684—2015《谷物碾磨制品 脂肪酸值的測定》

1.4.5 蒸煮大米質(zhì)構(gòu)特性的測定

大米烹飪方法根據(jù)GB/T 15682—2008《糧油檢驗 稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評價方法》。質(zhì)構(gòu)特性(Texture Profile Analysis，TPA)采用TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀進行測定，參考蔡雪梅[17]及Ding等[18]的方法，并做適當改進。采用P/36R探頭；測試模式為：Measure Force in Compression；壓縮比為75%；觸發(fā)力為10 g；測試前速度為0.7 mm/s，測試速度為0.5 mm/s，測試后速度為1 mm/s；數(shù)據(jù)獲取率為400 pps。每組測試進行6次平行實驗，并去掉最大最小值后取平均值。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 統(tǒng)計學分析

實驗數(shù)據(jù)用SPSS 21.0處理，平均數(shù)之間的比較采用Pearson顯著性分析、Duncan’s多重比較法和One way ANOVA 方差分析。

1.5.2 隸屬度綜合分析法

基于隸屬度的綜合評價法流程一般分為三個步驟[11]：一是構(gòu)建評價指標體系；二是對評價指標體系中指標的權(quán)重進行劃分；三是結(jié)合指標權(quán)重和各個指標的得分情況，計算出各個干燥—緩蘇工藝的總得分，根據(jù)得分高低排名，從而確定最優(yōu)干燥工藝。

其中，評價指標體系是為盡可能全面反映出影響評價對象的各種因素，而在評價前建立的較全面的一項評估體系。在模糊數(shù)學理論中將其稱為因素集，即影響被評判對象質(zhì)量的指標集合，以U=(u1, u2, u3, …, ui, …, um)表示，其中U為因素集，ui為第i個因素[19]。本實驗中，評價指標體系(即因素集)包括整精米率、出糙率、脂肪酸值、TPA指標，即U=(整精米率u1, 出糙率u2, 脂肪酸值u3,TPA u4)。

根據(jù)隸屬度理論[22]，建立隸屬度函數(shù)。對于正向指標數(shù)據(jù)和負向指標數(shù)據(jù)的標準化處理公式分別如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

本實驗中，根據(jù)對稻谷干燥品質(zhì)、食味品質(zhì)的正面、負面影響，可將指標數(shù)據(jù)劃分為：正向指標，包括整精米率、出糙率、TPA(膠黏度、黏性、彈性、內(nèi)聚性、回彈力)；和負向指標，包括脂肪酸值、TPA(硬度、咀嚼性)。通過對各項指標進行ANOVA方差分析，根據(jù)各指標間的相關(guān)性，選取具有相關(guān)性的指標進行隸屬度計算、權(quán)重分配，并根據(jù)公式(3)，計算得出兩種干燥方式結(jié)合不同緩蘇比的干燥工藝對評價指標的綜合得分S，按得分高低依次判斷各工藝的優(yōu)劣。

S=k1y1+k2y2+…+kiyi+…kmym

(3)

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種干燥方式的干燥曲線

由圖1可以看出，兩種干燥方式的干燥曲線差異顯著(P<0.05)。從擬合系數(shù)(R2)可看出，該干燥曲線能較好地擬合并預(yù)測兩種干燥方式含水量的減少趨勢，其中，熱泵干燥的擬合曲線(R2=0.989 0)較遠紅外干燥擬合曲線(R2=0.973 1)能更好地反映熱泵干燥對稻谷含水量降低的影響趨勢。遠紅外干燥速率更高，采用熱泵干燥稻谷(IMC=26.9%)至安全水分(MC=13.5%)需要180 min，而通過遠紅外干燥稻谷至相同水分僅需60 min，總耗時比熱泵干燥縮短了2倍。這是由于兩種干燥技術(shù)的原理有本質(zhì)差異，熱泵干燥是通過熱泵系統(tǒng)從低溫熱源吸取熱量，由低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位熱能，使稻谷籽粒的熱量傳遞由外向內(nèi)進行，從而實現(xiàn)水分擴散的過程[16]。而遠紅外干燥是通過輻射器發(fā)射的0.75～1 000 μm的遠紅外線照射稻谷顆粒，稻谷內(nèi)部的分子在此波段有較大的吸收，吸收的能量可以在短時間內(nèi)加劇稻谷中分子的運動，從而使谷物內(nèi)部溫度快速升高，加速水分子的蒸發(fā)，達到高效干燥谷物的目的[23]。羅劍毅[24]通過對稻谷的遠紅外干燥特性的研究，結(jié)果表明稻谷在65 ℃下經(jīng)遠紅外干燥85 min能使水分降至12%以下。其他影響干燥速率的因素有載重量、初始含水量及干燥溫度。

圖1 兩種干燥方式的干燥速率曲線

2.2 不同干燥方式結(jié)合緩蘇對稻谷加工特性的影響

整精米率及出糙率是反映稻谷加工特性且直接影響大米品級評判的重要指標。兩種干燥方式結(jié)合不同緩蘇比60 ℃緩蘇對稻谷這兩個指標的影響如表1所示?？梢钥闯?，與無緩蘇的單一干燥方式相比，進一步結(jié)合60 ℃緩蘇處理能顯著影響稻谷的出糙率及整精米率(P<0.05)。

表1 不同干燥方式結(jié)合緩蘇比對稻谷研磨品質(zhì)的影響

2.2.1 不同干燥方式結(jié)合緩蘇對出糙率的影響

與未緩蘇相比，60 ℃緩蘇處理可以在不同程度上提高稻谷的出糙率。同一干燥方式下，不同緩蘇比對稻谷的出糙率均有顯著影響(P<0.05，表1)。經(jīng)熱泵干燥—緩蘇的方式，在緩蘇比為1∶3時，出糙率最高，達到84.2%，顯著高于其他緩蘇比(P<0.05)。而經(jīng)遠紅外干燥—緩蘇方式的最佳條件為緩蘇比1∶2，此時出糙率可以達到81%。但是，經(jīng)遠紅外干燥后的出糙率普遍低于熱泵干燥后的出糙率，這可能是由遠紅外輻射能傳遞能量的物質(zhì)直接引起的內(nèi)部特征變化對稻谷加工特性造成的影響[25]。

2.2.2 干燥結(jié)合緩蘇對整精米率的影響

與無緩蘇的單一干燥方式相比，60 ℃緩蘇能顯著提高稻谷的整精米率(P<0.05)。同一干燥方式下，不同緩蘇比對整精米率的影響差異顯著(P<0.05)。其中，在緩蘇比1∶2時，經(jīng)熱泵干燥的稻谷整精米率達到最高，達到71.0%，且高于同比之下遠紅外干燥—緩蘇的11%。而經(jīng)遠紅外干燥—緩蘇后，整精米率在緩蘇比1∶3時最高，為65.2%，且高于同比之下熱泵干燥—緩蘇結(jié)果的1.8%。在緩蘇比1∶4時，兩者的整精米率均顯著降低，這可能是由于在高溫下緩蘇時間過長，對稻谷顆粒內(nèi)部造成了應(yīng)力改變，從而加劇了裂紋的產(chǎn)生[26]。這與Li[27]的研究結(jié)果是一致的，未經(jīng)緩蘇的稻谷研磨后碎米率最高，隨著緩蘇比的增大碎米率會大幅度減小，整精米率增加，而緩蘇比過高反而會導致負面效應(yīng)，使碎米率增高。

當緩蘇比分別為1∶2和1∶3時，經(jīng)熱泵干燥和遠紅外干燥后緩蘇，稻谷的整精米率分別達到最大值，且前者整精米率高出后者5.8%。說明適當?shù)木徧K比能夠使稻谷在緩蘇過程中更全面、有效的的進行水分平衡，從而降低稻谷顆粒在研磨過程中產(chǎn)生的各種不利影響。因此，遠紅外干燥—緩蘇工藝效率更高，而熱泵干燥—緩蘇工藝更有利于保證加工品質(zhì)。

2.3 不同干燥方式結(jié)合緩蘇對稻谷脂肪酸值的影響

從圖2可以看出，干燥結(jié)合緩蘇過程中，稻谷的脂肪酸值均隨緩蘇比的增加而呈增長趨勢。在干燥終點時，經(jīng)熱泵干燥的脂肪酸值比遠紅外干燥后的高1.01 mgKOH/100 g，這與遠紅外干燥及其緩蘇時間相比于熱泵干燥明顯更短相關(guān)。與單一干燥方式相比，緩蘇會對稻谷的脂肪酸值造成一定的影響。稻谷中的脂肪酸來源于脂肪酶水解脂類產(chǎn)生，且其易受溫度影響而變化[28]，而緩蘇是在一定溫度下持續(xù)一段時間的過程，因此對稻谷脂肪酸值會產(chǎn)生影響。在兩種干燥—緩蘇過程中，脂肪酸值分別增加2.78、1.67 mgKOH/100 g。說明緩蘇比對稻谷脂肪酸值具有顯著影響(P<0.05)，該結(jié)論與仇紅娟[29]的實驗結(jié)果相吻合，根據(jù)其方差分析結(jié)果認為，緩蘇與否對稻谷脂肪酸值的影響大于干燥方式對其的影響。

圖2 不同緩蘇比對稻谷脂肪酸值的影響

2.4 不同干燥方式結(jié)合緩蘇對蒸煮米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的影響

將不同干燥方式處理后的稻谷制成米飯，用質(zhì)構(gòu)儀進行TPA 測試得到米飯的質(zhì)構(gòu)指標，其結(jié)果見表2。

表2 不同緩蘇比對稻谷質(zhì)構(gòu)品質(zhì)(TPA)的影響

大米的TPA指標可以客觀、定量地反映大米蒸煮品質(zhì)及陳化的變化趨勢和情況。其中包括硬度、膠黏度、彈性、內(nèi)聚性、黏性、咀嚼性、回復性7個指標。硬度、黏性和彈性是評價大米陳化的重要指標[30]，隨著大米新鮮度的降低，硬度也隨之增大、膠黏度及彈性降低，內(nèi)聚性、回復性變差，咀嚼性降低。如表2所示，經(jīng)過60 ℃緩蘇后的稻谷在制成米飯后，硬度和彈性隨緩蘇比的增加而增大，膠黏度在緩蘇前后也有顯著變化。在緩蘇比為1∶3時，硬度顯著降低(P<0.05)、彈性及膠黏度與緩蘇前相比無顯著差異(P>0.05)，說明緩蘇比為1∶3的60 ℃緩蘇對米飯硬度、彈性和膠黏度的影響最小，且對其產(chǎn)生有利影響。這是由于大米食味品質(zhì)受直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等成分的綜合作用，而適當?shù)木徧K比使大米中支鏈淀粉向直鏈淀粉的轉(zhuǎn)化發(fā)生可逆反應(yīng)，而緩蘇比過低或過高都會影響淀粉的糊化特性，使大米中直鏈淀粉含量發(fā)生改變從而影響大米硬度、彈性及膠黏度[31]，其中，不溶性直鏈淀粉含量與硬度呈顯著正相關(guān)，與米飯彈性、膠黏度呈極顯著負相關(guān)[17]。但大米硬度還受多種因素的影響，干燥溫度、初始含水量等都會對其硬度產(chǎn)生顯著影響[32]。

鄭先哲[32]認為稻谷經(jīng)過高溫(45 ℃以上)干燥后，米粒內(nèi)部的淀粉結(jié)構(gòu)由有序排列變得雜亂，而這可能會影響到大米的彈性、黏性等力學特性。咀嚼性是影響蒸煮大米食用品質(zhì)的重要因素，可以反映米飯的食用口感，新鮮大米由于硬度較低、膠黏度較高，所需咀嚼力較低，因此咀嚼性能更低。隨著大米品質(zhì)的降低咀，嚼性也隨之增高。由表2可知，在經(jīng)過熱泵干燥和遠紅外干燥后，稻谷均在緩蘇比為1∶3時咀嚼性值最低，與未緩蘇時的值無顯著差異。說明經(jīng)過不同緩蘇比對大米的咀嚼性影響有所不同，緩蘇比1∶3更有利于保持大米的咀嚼性，該項指標與硬度、膠黏度、彈性等指標在1∶3時的趨勢相吻合。大米內(nèi)聚性與回復性均在未緩蘇時有最低值，60 ℃緩蘇可以提高蒸煮米飯的內(nèi)聚性和回復性。

2.5 基于隸屬度綜合評價法對干燥工藝的優(yōu)化評估

通過對TPA各指標進行ANOVA方差分析的結(jié)果如表3及表4所示(表3為熱泵干燥—緩蘇結(jié)果、表4為遠紅外干燥—緩蘇結(jié)果)。結(jié)果表明，分別經(jīng)過熱泵及遠紅外干燥的蒸煮米飯在TPA指標中，硬度與內(nèi)聚性、黏性、咀嚼性和回彈力之間有極顯著的相關(guān)性，而與膠黏度和彈性無顯著相關(guān)性，因此在選取綜合評價指標時，將硬度、內(nèi)聚性、黏性、咀嚼性、回復力作為評價指標。即k1=k2=0.2,k3=0.1,k4=0.5(其中各評價指標的權(quán)重均為0.1)。

表3 經(jīng)熱泵干燥—緩蘇的蒸煮米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)

注：**和*分別表示P<0.01 和P<0.05，余同。

表4 經(jīng)遠紅外干燥-緩蘇的蒸煮米飯質(zhì)構(gòu)品質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)

表5 兩種干燥方式結(jié)合不同緩蘇比工藝的隸屬度綜合評價得分及排名

根據(jù)隸屬度綜合評價法對各干燥工藝的綜合評分如表5所示。由表5可知，綜合得分最高的前兩位依次為，緩蘇比1∶3的遠紅外干燥及熱泵干燥方式，得分分別為0.777和0.695；而緩蘇比1∶2的遠紅外干燥和熱泵干燥方式分別排名3、4；得分最低的兩種工藝分別為未經(jīng)60 ℃緩蘇的單一遠紅外干燥方式及緩蘇比為1∶4的遠紅外干燥方式。由此可以得出，綜合研磨特性、脂肪酸值及TPA等各項指標，在60 ℃緩蘇條件下緩蘇比1∶3的遠紅外干燥為最優(yōu)干燥工藝，緩蘇比1∶3是最優(yōu)緩蘇比。

該評價方法所得結(jié)論與對出糙率、整精米率、TPA等單一指標評價干燥效果的結(jié)論相一致。在緩蘇比為1∶3時，整精米率、出糙率、硬度、膠黏性對稻谷品質(zhì)有顯著正向影響(P<0.05)，而對內(nèi)聚性和回復性的有顯著性影響但無明顯規(guī)律(P<0.05)；根據(jù)表5中各工藝的隸屬度yi可以看出，未經(jīng)緩蘇的遠紅外干燥對多數(shù)指標的影響都處于不利地位，因此綜合得分最低，而該結(jié)論同樣與通過單一指標評價干燥效果的結(jié)論相吻合。說明基于隸屬度的綜合評價法可作為一種評價體系用于稻谷干燥工藝評價，能夠根據(jù)定量得分全面、有效、客觀地評價干燥—緩蘇工藝，與單因素比較法相比，隸屬度綜合評價法更加客觀準確，能夠通過隸屬度直觀的看出某項指標對該工藝的貢獻值，區(qū)分度更加明顯。

3 結(jié)論

本研究比較了熱泵和遠紅外兩種干燥方式結(jié)合不同緩蘇比緩蘇對稻谷加工特性、脂肪酸值以及蒸煮米飯質(zhì)構(gòu)特性等的影響。兩種干燥方式各具其優(yōu)勢，熱泵干燥的研磨品質(zhì)更好，遠紅外干燥速率更高且對稻谷脂肪酸值的影響較小。稻谷分別經(jīng)過65 ℃ 熱泵與65 ℃遠紅外干燥后，分別在60 ℃、緩蘇比為1∶2和1∶3緩蘇時，稻谷的整精米率達到最高，蒸煮米飯的硬度最低，咀嚼性最低，彈性、膠黏度與未經(jīng)緩蘇時相比無顯著差異，仍保持較高水平。緩蘇能顯著提高蒸煮米飯的內(nèi)聚性和回復性。稻谷經(jīng)過適當?shù)木徧K比能夠保持米飯重要品質(zhì)與單一干燥方式的結(jié)果無顯著差別。稻谷的脂肪酸值隨著緩蘇比的增加呈略微增加的趨勢?；陔`屬度綜合評價法可以全面客觀地分析得出最佳干燥—緩蘇工藝為經(jīng)過65 ℃遠紅外干燥結(jié)合60 ℃、緩蘇比為1∶3緩蘇的干燥工藝，最佳緩蘇比為1∶3?；陔`屬度的綜合評價法可以全面、有效、客觀的評價干燥—緩蘇工藝，與單因素比較法相比，隸屬度綜合評價法能夠通過隸屬度直觀的看出某項指標對該工藝的貢獻值，區(qū)分度更加明顯，因此可作為一種綜合評價體系用于稻谷干燥工藝評價。