稻谷過熱蒸汽干燥技術(shù)與設(shè)備研究進展

王子佳，劉安東，李德堯，宋 凱，龐澤霖，劉建波

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

水稻是世界主要糧食作物之一，是地球上一半以上人口的主要膳食來源。在我國，稻谷是三大谷物之一，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示[1-2]，2018年全國糧食總產(chǎn)量為65 789.22萬t，稻谷產(chǎn)量為21 212.9萬t，稻谷產(chǎn)量的占比約為32.24%；2019年全國糧食總產(chǎn)量為66 384.34萬t，稻谷產(chǎn)量為20 961.40萬t，稻谷產(chǎn)量的占比約為31.58%。從2018、2019兩年的數(shù)據(jù)可以看出，我國稻谷產(chǎn)量在糧食總產(chǎn)量中基本達到三分之一，因此稻谷生產(chǎn)在國家糧食安全中占有重要地位。國內(nèi)約60%的地區(qū)和人口以大米為主食[3]。水稻在我國種植分布廣泛，南北均有種植，南方稻谷一般在夏季高濕環(huán)境下收獲，稻谷的水分較高；而北方地區(qū)一般在較干燥的秋季收獲，稻谷水分相對低一些，但都遠高于安全水分。如果大批量稻谷收獲后不能及時干燥到安全水分將會產(chǎn)生霉變，干燥方法不合理也會使稻谷在貯藏過程中產(chǎn)生品質(zhì)劣變。

隨著我國稻米行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，相應(yīng)的稻谷干燥器械、干燥技術(shù)得以快速發(fā)展并取得了很大進步。目前，稻谷干燥技術(shù)主要包括熱風(fēng)干燥、遠紅外干燥、微波干燥、真空干燥、太陽能干燥等方法。在大規(guī)模谷物干燥中，熱風(fēng)干燥依然是最常使用的干燥方法，但是熱風(fēng)干燥能耗高、效率較低，且對稻谷品質(zhì)具有一定影響?；诩Z食干燥能耗大、品質(zhì)保持協(xié)同調(diào)控的兩大難題，開發(fā)新的稻谷干燥技術(shù)，研究影響干燥品質(zhì)的相關(guān)因素、熱質(zhì)傳遞和玻璃化轉(zhuǎn)變調(diào)控的機理，尋找能夠更加客觀全面反映稻谷品質(zhì)的參數(shù)指標，建立傳熱傳質(zhì)模型，實現(xiàn)稻谷干燥技術(shù)的節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定、高效的目標，將是未來稻谷干燥技術(shù)發(fā)展的方向。過熱蒸汽干燥是一種現(xiàn)代干燥技術(shù)，以水蒸汽作為干燥介質(zhì)，通過過熱蒸汽與物料直接接觸以減少物料內(nèi)部水分，使物料得以干燥[4]。這種方式最大的優(yōu)勢在于干燥后的廢氣潛熱可以回收，大大提高了能源利用率，降低了凈能耗。另外，過熱蒸汽傳熱系數(shù)大，干燥過程沒有傳質(zhì)阻力，所以干燥效率要顯著高于熱風(fēng)干燥[5]。有研究表明，過熱蒸汽干燥的稻谷品質(zhì)通常也優(yōu)于熱風(fēng)干燥的稻谷。將過熱蒸汽干燥技術(shù)應(yīng)用于稻谷干燥是協(xié)調(diào)干燥能耗與稻谷品質(zhì)的有效途徑之一。我們綜合國內(nèi)外學(xué)者在稻谷過熱蒸汽干燥技術(shù)研究方面取得的成果，以期為今后稻谷高品質(zhì)干燥提供依據(jù)。

1 稻谷過熱蒸汽干燥裝置

1.1 流化床干燥裝置

流態(tài)化技術(shù)是一種有效的干燥方法，干燥介質(zhì)和固體顆粒被充分混合，從而提供了高效的干燥速率和更容易的物料輸送[6-7]。用于輸送蒸發(fā)水和流化固體顆粒的干燥介質(zhì)可以是熱空氣或過熱蒸汽。與熱空氣相比，過熱蒸汽干燥可以獲得較低的凈能耗和較高的干燥速率，在產(chǎn)品品質(zhì)方面，過熱蒸汽干燥產(chǎn)品的質(zhì)量通常也更優(yōu)。實驗規(guī)模的過熱蒸汽流化床干燥器見圖1。

圖1 實驗規(guī)模的過熱蒸汽流化床干燥器

實驗室規(guī)模的過熱蒸汽流化床干燥器[8]，已被成功應(yīng)用于稻谷的干燥。該過熱蒸汽流化床干燥器主要由圓柱形室、電加熱器、離心風(fēng)機、反轉(zhuǎn)旋風(fēng)除塵器和小型鍋爐等五部分組成。實驗時，首先用熱空氣將系統(tǒng)預(yù)熱至預(yù)期溫度，然后用蒸汽代替熱空氣。鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽流量為31 kg/h，飽和蒸汽由電加熱器加熱為過熱蒸汽。Soponronnarit等[8]在此流化床干燥器的基礎(chǔ)上進行了放大研究。

中試規(guī)模的過熱蒸汽流化床干燥器見圖2。由中試試驗可知，該裝置干燥的稻谷量可達100 kg/h，飽和蒸汽用量為160 kg/h，熱能消耗約為7.2 MJ/kg，稻谷含水量從0.43降至0.22 kg/kg(干基)，干燥時間約為4～5 min。

圖2 中試規(guī)模的過熱蒸汽流化床干燥器

稻谷屬于熱敏性物料，當采用較高的干燥溫度時會對稻谷的品質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，降低干燥溫度是最佳的選擇。在低壓環(huán)境下進行過熱蒸汽干燥可避免由于溫度過高造成的稻谷品質(zhì)損失?；诖?，Kozanoglu等[9]提出了一種低壓過熱蒸汽流化床干燥裝置，可使干燥溫度降至90～110℃。

低壓過熱蒸汽流化床干燥裝置示意圖見圖3。

圖3 低壓過熱蒸汽干燥流化床

該裝置主要由蒸汽發(fā)生裝置，流化床和抽真空系統(tǒng)構(gòu)成。為防止在干燥初期過熱蒸汽在流化床壁面出現(xiàn)冷凝，在流化床外壁面中裝有電阻絲，在實驗開始前先將流化床加熱至目標溫度，然后通入過熱蒸汽。

1.2 撞擊流干燥裝置

撞擊流干燥是指一種干燥介質(zhì)的兩股或兩股以上的氣流，其中至少一股含有濕顆粒，在同一軸線上，但方向相反，氣流在其流動路徑的中點撞擊(稱為撞擊區(qū)的區(qū)域)。逆流碰撞導(dǎo)致熱量、質(zhì)量和動量傳遞速率的提高，從而提高干燥速率，尤其是在恒速干燥階段。Nimmol等[10]成功將撞擊流干燥應(yīng)用于稻谷干燥。研究發(fā)現(xiàn)，撞擊流干燥器可以在很短的時間內(nèi)(1.8～2.4 s)將稻谷的水分降低3.4%～7.7%(干基)，相當于干燥速率為1.5%～3.8%/s(干基)，這分別是噴動床和流化床干燥器干燥效率的250倍和40倍。沖擊流干燥器的總比能耗在5.1～11.2 MJ/kg。

Choicharoen等[11]提出的一種稻谷撞擊流干燥器見圖4。

圖4 撞擊流干燥器

此干燥器可以使用熱空氣或過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)。干燥器由內(nèi)徑為0.25 m的不銹鋼干燥室組成，干燥室的不銹鋼入口管內(nèi)徑為0.038 m，長度為1.2 m，干燥室的體積為0.018 m3，包括顆粒進料管部分。干燥室和進料管都用50 mm的玻璃纖維絕緣體進行絕熱處理。在利用過熱蒸汽干燥時，飽和蒸汽由管鍋爐產(chǎn)生。干燥系統(tǒng)的入口蒸汽壓力由減壓閥控制在20 kPa(表壓)左右。使用1臺額定功率為15 kW的電蒸汽過熱器和2臺額定功率為6 kW的輔助加熱器將飽和蒸汽轉(zhuǎn)換為過熱蒸汽，加熱器由3個獨立的比例積分微分控制器控制，精度為±1℃。連接到數(shù)據(jù)記錄器的K型熱電偶可以連續(xù)測量進入干燥室的過熱蒸汽溫度。蒸汽速度由2個截止閥調(diào)節(jié)，并用畢托管在A點和D點測量，精度為 0.2 m/s。入口蒸汽溫度以及出口蒸汽溫度分別在B點和C點測量，并由溫度/濕度傳感器記錄。稻谷喂料量可通過電壓調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)器用于控制額定功率為117 W的直流電動機的轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動星形給料機實現(xiàn)。排出的蒸汽由額定功率為2.2 kW的高壓風(fēng)機進行再循環(huán)。旋風(fēng)分離器用來將干燥的稻谷從尾氣中分離出來。

1.3 固定床干燥器

圖5所示為過熱蒸汽和熱風(fēng)聯(lián)用固定床干燥裝置[12]，該干燥裝置主要由數(shù)據(jù)采集器、溫度控制器、干燥室、蒸汽發(fā)生器、蒸汽過熱器、空氣壓縮機以及冷凝器等組成。蒸汽發(fā)生器(12 kW)、空氣壓縮機和4個過熱器(0.5 kW)用于生成過熱蒸汽和熱空氣，采用PID溫度控制器對干燥介質(zhì)溫度進行控制。實驗前，首先將干燥室預(yù)熱到試驗溫度，然后將干燥樣品分散在樣品盤的金屬網(wǎng)上，均勻加熱，數(shù)據(jù)采集器每隔30 s記錄1次數(shù)據(jù)。

圖5 固定床干燥器

2 稻谷過熱蒸汽干燥特性

當使用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)時，在干燥的初始階段由于稻谷溫度低于過熱蒸汽的冷凝溫度，從而會引起水蒸汽在稻谷表面凝結(jié)，使干燥時間延長[13]。同時，蒸汽相變過程中由于水蒸汽的潛熱釋放，使稻谷籽粒溫度迅速升高，稻谷內(nèi)部產(chǎn)生凝膠層，導(dǎo)致水分擴散受阻，這也會使干燥時間延長[14-15]。為了減緩蒸汽冷凝現(xiàn)象，研究人員在流化床器壁上安裝熱電阻，通過向流化床提供補充額外熱量來減少蒸汽凝結(jié)量，但在多數(shù)實驗中蒸汽凝結(jié)現(xiàn)象仍不可避免。

使用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)對稻谷進行干燥并沒有改變稻谷干燥的一般特性。Taechapairoj等[15]在利用過熱蒸汽流化床對稻谷進行干燥時發(fā)現(xiàn)干燥速率最初是恒定的，當水分低于25%后干燥速率呈指數(shù)下降。稻谷過熱蒸汽干燥過程中，籽粒中的淀粉會發(fā)生糊化反應(yīng)，使淀粉分子緊密地聚集在一起限制了水分在稻谷內(nèi)的傳輸，導(dǎo)致有效擴散系數(shù)與無凝膠形成情況下相比較低，而且，稻谷在過熱蒸汽干燥過程中易發(fā)生籽粒團聚現(xiàn)象。籽粒團聚和內(nèi)部淀粉糊化導(dǎo)致稻谷過熱蒸汽干燥速率顯著低于熱風(fēng)干燥。為了盡可能減少團聚現(xiàn)象，提高干燥速率，需要將過熱蒸汽表觀速度提高到5.7 m/s以上。Soponronnarit[8]在利用過熱蒸汽流化床中試干燥器進行實驗時發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽的速度達到最小流化速度的1.3～1.5倍時，稻谷的干燥速率沒有顯著影響。與熱風(fēng)干燥相比，在相同溫度下使用過熱蒸汽作為干燥介質(zhì)能耗更低[16]。

稻谷屬于熱敏性物料，在低壓條件下干燥可以更好的保留稻谷中的營養(yǎng)物質(zhì)。Kozanoglu 等[9]對稻谷低壓過熱蒸汽干燥動力學(xué)進行了研究，結(jié)果顯示隨著干燥溫度的升高，干燥速率增加，平衡水分降低，干燥壓力和蒸汽速度對整個干燥過程的影響有限。其中，蒸汽過熱度是影響干燥過程的最關(guān)鍵因素，當過熱度超過30℃后，繼續(xù)提高干燥溫度對干燥速率影響較小，而過高的干燥溫度會對熱敏性物料的品質(zhì)產(chǎn)生不良影響，因此采用低壓過熱蒸汽干燥熱敏性物料時，過熱度不宜超過30℃。研究還發(fā)現(xiàn)，過熱度越高，稻谷平衡水分越低。

為進一步研究稻谷在過熱蒸汽干燥過程中的熱-質(zhì)傳遞特點，許多學(xué)者建立了稻谷過熱蒸汽干燥數(shù)學(xué)模型。Hampel等[17]提出了一個瞬態(tài)宏觀模型來研究過熱蒸汽干燥過程中單個稻谷內(nèi)部的耦合傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，并基于平均體積法推導(dǎo)了該模型的控制方程。由于稻米是一種吸濕性很強的物質(zhì)，80%以上的水分以束縛水的形式存在于稻谷中，因此該模型將固體基體中的束縛水擴散流動和孔隙體積中水蒸汽和液態(tài)水的對流流動考慮在內(nèi)?；诖四Ｐ偷玫降牡竟雀稍镞^程水分絕對滲透率K為0.3×10-17m2/s，結(jié)合水水分擴散系數(shù)D為0.71×10-9m2/s。Soponronnarit等[8]建立了一個包含初始蒸汽冷凝階段的數(shù)學(xué)模型，用于描述浸水稻谷在干燥過程中溫度和水分變化，預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相當吻合，水分與溫度誤差分別在0.02 kg/kg(干基)與±4℃范圍內(nèi)。

3 干燥對稻谷品質(zhì)的影響

稻谷作為糧食和商品，干燥過程要求的不僅是去除水分，還須要保證干燥后稻谷的外觀品質(zhì)和食用品質(zhì)不受破壞，因此，稻谷的干燥品質(zhì)是評價干燥方法優(yōu)劣的重要指標之一。

3.1 爆腰率

稻谷爆腰率是評價稻谷干燥后品質(zhì)好壞及干燥工藝是否經(jīng)濟可行的一項關(guān)鍵指標，是外觀品質(zhì)的最主要影響因素。爆腰是稻谷干燥過程中的常見現(xiàn)象，稻谷在經(jīng)過復(fù)雜的熱量、質(zhì)量傳遞后，若干燥條件控制不當，稻米顆粒就會產(chǎn)生可見裂紋，增加碾米過程中的碎米率，降低產(chǎn)品品質(zhì)。所以，國家規(guī)定稻谷干燥器對稻谷的爆腰率增值低于3%[18]。對于爆腰產(chǎn)生機理存在不同的理論解釋：傳統(tǒng)理論認為是水分梯度產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力超過其本身抗拉強度而導(dǎo)致[19]；玻璃化裂紋理論認為外層玻璃態(tài)和中心橡膠態(tài)交界處產(chǎn)生的裂紋是由于內(nèi)層、外層熱特性、吸濕性、膨脹系數(shù)的差異所造成[20]。與熱風(fēng)干燥相比，過熱蒸汽干燥干燥可顯著降低稻谷干燥過程中的爆腰率[21-22]。

3.3 整精米率

稻谷礱谷脫殼后的穎果，再經(jīng)加工處理，長度還保持在完整糙米平均長度的四分之三以上的米粒稱為整精米，而整精米與稻谷試樣質(zhì)量的比值，稱為整精米率，既作為國家糧食標準指標之一，又作為評價稻谷加工品質(zhì)的重要指標。稻谷的品種與干燥介質(zhì)是對整精米率造成影響的兩大主要因素[23]。在相同干燥溫度下過熱蒸汽干燥比熱風(fēng)干燥更能提高整精米率[24]，這是由于稻谷籽粒中淀粉糊化程度較高而得到強化[8,25]，隨著干燥溫度的升高整精米率降低[16]。Rordprapat等[14]指出稻谷過熱蒸汽干燥整精米率比熱風(fēng)干燥高，主要是由于過熱蒸汽干燥前期稻谷溫度滿足其內(nèi)部淀粉顆粒從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)向橡膠態(tài)的條件。Taechapairoj等[15]利用過熱蒸汽流化床干燥稻谷時發(fā)現(xiàn)，稻谷干基水分在18%以上時整精米率較高，建議稻谷干燥的最終水分不應(yīng)低于18%(干基)。

3.3 淀粉糊化特性

大米淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩大主要結(jié)構(gòu)成分組成。根據(jù)GB 1350—2009，稻谷分為早秈稻谷、晚秈稻谷、粳稻谷、秈糯稻谷與粳糯稻谷五類。不同直鏈淀粉含量的稻谷經(jīng)高溫干燥后會產(chǎn)生不同的品質(zhì)，高溫干燥促進了大米淀粉的糊化。糊化對消化有重要作用，它可以提高淀粉吸收水分的能力，使得酶能夠降解淀粉，從而提高淀粉的消化率。干燥介質(zhì)對稻米糊化過程有強烈的影響，是影響大米成品品質(zhì)的重要因素。對于淀粉基產(chǎn)品，如含有高直鏈淀粉的稻谷，過熱蒸汽干燥可生產(chǎn)出相對較高的整精米率是由于淀粉糊化較快[26]，同時過熱蒸汽干燥的谷物溫度更高，提供了更高的淀粉凝膠化程度和相應(yīng)的更高的直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物形成[15,22]，導(dǎo)致淀粉顆粒間分子間結(jié)合力增強。 Thanit等[16]研究發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽干燥稻谷時，淀粉糊化在150℃時達到最大。稻谷過熱蒸汽干燥的糊化動力學(xué)可以用零級反應(yīng)描述[15]。

為進一步研究稻谷中淀粉的糊化特性，Soponronnari等[27]利用掃描電子顯微鏡研究了大米過熱蒸汽(140°C)和熱風(fēng)(140°C)干燥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與熱風(fēng)干燥相比，過熱蒸汽干燥的稻谷中的淀粉完全糊化(圖6)。Taechapairoj等[15]研究發(fā)現(xiàn)淀粉顆粒在干燥前遍布橫截面表面，經(jīng)150～170℃的過熱蒸汽干燥后，淀粉顆粒膨脹、糊化、失去顆粒結(jié)構(gòu)，如圖7所示。Rordprapat等[13]發(fā)現(xiàn)未經(jīng)處理的稻谷中淀粉顆粒呈松散鋪展結(jié)構(gòu)，過熱蒸汽(150°C)干燥的大米呈緊密堆積結(jié)構(gòu)。

圖6 稻谷不同干燥過程掃描電鏡圖片

圖7 過熱蒸汽干燥的稻谷內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.4 營養(yǎng)特性

稻谷的營養(yǎng)品質(zhì)指標主要有直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量與脂肪酸值，以及維生素、礦物質(zhì)含量等。另外，發(fā)芽率、碘藍值、膠凝值也可作為營養(yǎng)品質(zhì)的指標參數(shù)。Wu等[28]在利用過熱蒸汽對輕碾米進行穩(wěn)定性處理時發(fā)現(xiàn)，過熱蒸汽處理不會導(dǎo)致輕碾米中非淀粉營養(yǎng)物質(zhì)(脂肪、蛋白質(zhì)、灰分和膳食纖維)的損失，由于干燥過程為無氧氣的存在，也不會促進輕碾米中不飽和脂肪酸的氧化。同時過熱蒸汽干燥適度地擾亂了淀粉的長程有序和短程有序，從而提高了輕碾米中淀粉的消化率，導(dǎo)致血糖生成指數(shù)值高于熱風(fēng)干燥產(chǎn)品。為了獲得較低血糖生成指數(shù)的稻谷，過熱蒸汽干燥溫度應(yīng)高于糊化溫度(75～84℃)[29]。

3.5 色澤

色澤是最直接影響稻米作為商品銷售的品質(zhì)之一。干燥后的稻谷，首先須要檢測的就是色澤[30]。不同干燥方式與不同種類的稻谷在過熱蒸汽干燥過程中呈現(xiàn)不同的顏色特點。Thanit等[16]發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽干燥使稻谷顏色略紅，變黃，干燥溫度的變化對干燥稻米的顏色沒有影響。而Kozanoglu等[9]發(fā)現(xiàn)稻米的白度隨溫度的而升高而降低，這可能是稻谷種類不同的原因。在過熱蒸汽干燥過程中，如果干燥溫度保持在160℃以下，則可以基本保留糙米顆粒的本色[17]。

3.6 其他

為了延長大米的貨架期，Wu等[12]采用過熱蒸汽滅活稻谷中的過氧化物酶，同時可以很好的保留稻谷的自然理化性質(zhì)，包括外觀(生米的白度和熟米的形態(tài))、蒸煮質(zhì)量(吸水率、體積膨脹率和總固體損失)和質(zhì)地(硬度、黏性、咀嚼性和內(nèi)聚性)等。Naruebodee等[21]研究發(fā)現(xiàn)，稻谷過熱蒸汽干燥后微生物數(shù)量可以降低到安全水平以下。

4 結(jié)論

過熱蒸汽干燥雖然在節(jié)能和干燥品質(zhì)方面都存在優(yōu)勢，但是對于大批量的稻谷干燥，壓力、溫度都須要調(diào)試，技術(shù)要求高。低壓過熱蒸汽干燥可以獲得更好的稻谷品質(zhì)，但目前為止還未有商業(yè)化應(yīng)用的報道。此外，對過熱蒸汽干燥排放的尾氣進行能量回收是保證過熱蒸汽干燥節(jié)省能源的關(guān)鍵，此方面的研究還需要進一步深入。