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摘要：在稻谷干燥過(guò)程中如溫度、干燥速率、緩蘇溫度及時(shí)間等設(shè)置不合理，會(huì)直接導(dǎo)致稻谷出現(xiàn)裂紋，碾米時(shí)整精米率降低。本文引用進(jìn)期國(guó)內(nèi)外關(guān)于稻谷干燥過(guò)程中的相關(guān)理論，說(shuō)明玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致稻谷干燥裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，分析各種因素對(duì)稻谷干燥裂紋的影響，并針對(duì)該理論給出防止稻谷干燥過(guò)程中產(chǎn)生裂紋給出相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞：稻谷 干燥 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化 裂紋 爆腰 干燥速率 緩蘇
一、引言
稻谷在收獲后水分降至安全水分才能長(zhǎng)期貯藏。人工干燥是有效和快速的降水途徑，但是干燥容易導(dǎo)致稻谷出現(xiàn)裂紋，破碎敏感度增大，在碾米時(shí)出現(xiàn)破碎，整精米率（HRY）降低，而整精米率是衡量稻谷品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。為了進(jìn)行有效干燥并保證整米率，人們對(duì)干燥引起裂紋的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，干燥過(guò)程中稻谷顆粒內(nèi)外層失水速度不同，產(chǎn)生水分梯度，引起內(nèi)部應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)稻谷的強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。美國(guó)堪薩斯大學(xué)于2000年左右開(kāi)展了稻谷加工研究項(xiàng)目，Siebenmorgen教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)首先提出利用玻璃態(tài)理論解釋干燥導(dǎo)致的稻谷裂紋及破碎。國(guó)內(nèi)學(xué)者隨后也開(kāi)展了這方面的研究工作。本文主要對(duì)近幾年來(lái)在這方面的研究成果進(jìn)行綜述。
二、稻谷干燥過(guò)程中的玻璃態(tài)理論
了解稻谷干燥以及緩蘇理論需要一整套熱力學(xué)與物理原理試驗(yàn)分析等方面知識(shí)，包括熱能轉(zhuǎn)化理論和谷物科學(xué)特性原理(Siebenmorgen)。研究(Cnossen Siebenmorgen,2000;Perdon等，2000)顯示在稻谷干燥過(guò)程中，濕基水分含量（MC）與溫度扮演著重要的角色。
現(xiàn)有的基于稻谷的干燥理論已經(jīng)開(kāi)始整合物料特性、濕基水分含量（MC）、干燥速率與溫度、緩蘇理論等。玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(Tg)理論(Cnossen和Siebenmorgen2000;Cnossen et al, Perdon et al ,2000)已被用于干燥過(guò)程中的裂紋形成原因以及合理選擇干燥參數(shù)。
玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變是指無(wú)定形物質(zhì)從玻璃態(tài)到橡膠態(tài)或從橡膠態(tài)到玻璃體的轉(zhuǎn)變。稻谷胚乳的主要組分是淀粉。淀粉是部分結(jié)晶部分無(wú)定形的混合物，其無(wú)定形部分可以發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變。通常用玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）來(lái)表征玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變。
研究發(fā)現(xiàn)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與濕基水分含量（MC）呈線性關(guān)系，如下圖：
圖1 不同品種不同水分含量的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg（℃）
三、 稻谷玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)干燥的影響
當(dāng)?shù)竟劝l(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，無(wú)定形淀粉固體的熱特性和物理特性發(fā)生明顯變化。處于玻璃態(tài)時(shí)，硬度和彈性模量高而比熱、比容、膨脹系數(shù)低，擴(kuò)散速度慢；處于橡膠態(tài)時(shí)，硬度和彈性模量低，比熱、比容、膨脹系數(shù)大，擴(kuò)散速度快。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變到橡膠態(tài)使稻谷的熱膨脹系數(shù)明顯增大，約為5倍。
玻璃化轉(zhuǎn)變由于對(duì)擴(kuò)散速率的影響而對(duì)干燥和緩蘇速率產(chǎn)生影響。干燥熱空氣的溫度高于Tg時(shí)干燥速率明顯增加。干燥速率隨熱空氣相對(duì)濕度的降低而增大，但當(dāng)相對(duì)濕度降低到一定限度時(shí)，再繼續(xù)降低將導(dǎo)致干燥速率降低。這是由于熱空氣所對(duì)應(yīng)的平衡水分（EMC）進(jìn)一步降低，顆粒表面可能從橡膠態(tài)返回玻璃態(tài)，使水分?jǐn)U散速率降低所致。但是，顆粒表而返回玻璃態(tài)只在干燥的開(kāi)始階段產(chǎn)生影響，隨著干燥的進(jìn)行，由水分梯度決定的內(nèi)部水分?jǐn)U散成為影響干燥速率的主要限制性因素。溫度高于Tg時(shí)，緩蘇時(shí)間明顯降低，因?yàn)檫@時(shí)的水分?jǐn)U散較快。另外，相對(duì)濕度較高的熱空氣所干燥的稻谷緩蘇也較快，這是由于稻谷表面仍處于橡膠態(tài)的緣故。
玻璃化轉(zhuǎn)變還對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響。稻谷的導(dǎo)熱系數(shù)在0.08~0.138W(m·K）-1之間（溫度3-69℃，水分9.2％~17.0%)，導(dǎo)熱系數(shù)在25℃到Tg溫度范圍內(nèi)變化不大，而在溫度高于Tg時(shí)快速增大。圖1不同品種不同水分含量的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg（℃）
四、 根據(jù)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化理論解釋干燥過(guò)程稻谷裂紋的形成
根據(jù)掃描電鏡分析檢查，稻谷裂紋斷面可分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)靠近中心，沿淀粉粒邊緣斷裂，另一個(gè)靠近外圍，沿細(xì)胞壁界面斷裂；隨干燥時(shí)間延長(zhǎng)，外圍區(qū)域所占的比例增大。在干燥過(guò)程中沒(méi)有裂紋出現(xiàn)，裂紋都是在干燥停止以后的冷卻過(guò)程中出現(xiàn)的。大多數(shù)裂紋在停止干燥后的2h或更長(zhǎng)時(shí)問(wèn)后開(kāi)始出現(xiàn)，有的裂紋在干燥停止9h后才出現(xiàn)，多數(shù)裂紋均會(huì)在24h內(nèi)出現(xiàn)。當(dāng)快速干燥時(shí)，會(huì)在晚期出現(xiàn)多重裂紋。
干燥過(guò)程中不出現(xiàn)裂紋的原因主要是由于顆粒溫度比較高，還處于橡膠態(tài)，彈性較好，能夠經(jīng)受應(yīng)力。出現(xiàn)裂紋的根本原因在于內(nèi)部有應(yīng)力產(chǎn)生，且超過(guò)稻谷顆粒的強(qiáng)度。
圖2 稻谷內(nèi)水分與溫度分布 圖3 干燥速率過(guò)快時(shí)稻谷內(nèi)水分梯度
從圖2及圖3中可以看出，如果熱空氣的溫度為50℃左右，稻谷在干燥的過(guò)程中就可能發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變。在室溫下稻谷處于玻璃態(tài)，當(dāng)熱空氣溫度高于幾時(shí)，顆粒從玻璃態(tài)進(jìn)入橡膠態(tài)，隨干燥的進(jìn)行，稻谷顆粒內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度，靠近表面的部分水分低而接近中心的部位水分含量高。進(jìn)一步干燥將導(dǎo)致外層的水分進(jìn)一步降低，從橡膠態(tài)返回玻璃態(tài)，而中心部位仍停留在橡膠態(tài)。繼續(xù)干燥會(huì)使更多部分的外層進(jìn)入玻璃態(tài)，對(duì)干燥過(guò)程中稻谷顆粒不同部位溫度和水分的模擬分析也顯示，玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域首先形成于接近顆粒表面的部位，隨干燥進(jìn)行，玻璃化區(qū)域向中心部位不斷擴(kuò)展。
如果內(nèi)外兩層的物理性能，包括熱膨脹性能與擴(kuò)散性能差異進(jìn)一步擴(kuò)大，且外層玻璃態(tài)體積與中心橡膠態(tài)體積相比達(dá)到一定程度，因兩者膨脹系數(shù)相差5倍左右，中心部分趨于膨脹而外部趨于收縮，外層出現(xiàn)拉應(yīng)力而內(nèi)層出現(xiàn)壓應(yīng)力。從圖2及圖3中可以看出，如果熱空氣的溫度為50℃左右，稻谷在干燥的過(guò)程中就可能發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變。在室溫下稻谷處于玻璃態(tài)，當(dāng)熱空氣溫度高于幾時(shí)，顆粒從玻璃態(tài)進(jìn)入橡膠態(tài)，隨干燥的進(jìn)行，稻谷顆粒內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度，靠近表面的部分水分低而接近中心的部位水分含量高。進(jìn)一步干燥將導(dǎo)致外層的水分進(jìn)一步降低，從橡膠態(tài)返回玻璃態(tài)，而中心部位仍停留在橡膠態(tài)。繼續(xù)干燥會(huì)使更多部分的外層進(jìn)入玻璃態(tài)，對(duì)干燥過(guò)程中稻谷顆粒不同部位溫度和水分的模擬分析也顯示，玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域首先形成于接近顆粒表面的部位，隨干燥進(jìn)行，玻璃化區(qū)域向中心部位不斷擴(kuò)展。當(dāng)干燥速率過(guò)快時(shí)，稻谷內(nèi)外部會(huì)形成明顯的水分梯度差，并直接導(dǎo)致內(nèi)外層Tg差異擴(kuò)大，進(jìn)而使內(nèi)外層膨脹系數(shù)擴(kuò)大，導(dǎo)致應(yīng)力擴(kuò)大，如果應(yīng)力超過(guò)稻谷顆粒強(qiáng)度，直接導(dǎo)致裂紋的形成，由于稻谷的拉伸強(qiáng)度是壓縮強(qiáng)度的1/14~1/7，因此裂紋在外層進(jìn)行擴(kuò)展，見(jiàn)圖4。
圖4稻谷表面裂紋的形成
五、根據(jù)玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化理論解釋緩蘇過(guò)程與冷卻過(guò)程中裂紋的形成
除上述干燥參數(shù)不合理會(huì)導(dǎo)致裂紋外，干燥后的緩蘇／冷卻不當(dāng)也可以導(dǎo)致裂紋增加。
在停止加熱的條件下，緩蘇完成時(shí)稻谷的溫度不會(huì)高于干燥結(jié)束時(shí)的溫度。如果緩蘇溫度低于Tg（如圖5中B點(diǎn)），在水分由內(nèi)層向外層轉(zhuǎn)移的同時(shí)，外層因溫度降低而進(jìn)入玻璃態(tài)。隨溫度進(jìn)一步降低，將有足夠體積的外層進(jìn)入玻璃態(tài)，而中心部位仍處于橡膠態(tài)。如果這時(shí)內(nèi)外層的水分梯度足夠大，將由于內(nèi)外層特性（如熱膨脹系數(shù)）的不同而產(chǎn)生裂紋。如果緩蘇溫度高于Tg（如圖5中A點(diǎn)），在發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變之前水分梯度已經(jīng)消失，不會(huì)出現(xiàn)裂紋，隨后冷卻到Tg以下也不會(huì)出現(xiàn)裂紋。如果干燥后不經(jīng)緩蘇而直接冷卻到Tg以下，則在發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)內(nèi)外層的水分梯度更大，更容易導(dǎo)致裂紋。
圖5不同緩蘇溫度稻谷內(nèi)水分變化過(guò)程
六、小結(jié)
根據(jù)上述信息以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，水分梯度及溫度梯度的存在與裂紋有很大關(guān)系，正是由于兩者的存在讓稻谷不同部位處于不同的相態(tài)，呈現(xiàn)不同的物理特性。
在實(shí)際實(shí)踐過(guò)程中，水分梯度對(duì)干燥裂紋的影響遠(yuǎn)大于溫度梯度的影響，因?yàn)槌奔Z在干燥2~3min后，稻谷谷粒的表面與內(nèi)部的溫度基本趨于一致，此時(shí)稻谷內(nèi)的水分處于較高水平，稻谷整體處于橡膠態(tài)，彈性模量小，顆粒可以具有較大彈性形變能力，不易斷裂，因此溫度梯度對(duì)稻谷干燥過(guò)程中的影響基本可以排除。而因?yàn)樗痔荻人a(chǎn)生的應(yīng)力在整個(gè)干燥過(guò)程中一直存在，并維持較高水平。
水分梯度與整精米率及稻谷的玻璃轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，在玻璃態(tài)時(shí)干燥時(shí)，整精米率沒(méi)有明顯降低；如果在橡膠態(tài)干燥且不經(jīng)過(guò)緩蘇直接冷卻時(shí)，如果干燥速率低，稻谷內(nèi)水分梯度沒(méi)有達(dá)到極限值時(shí)，可以通過(guò)緩蘇有效降低稻谷裂紋；但如果干燥速度過(guò)快，接近或超過(guò)水分梯度極限時(shí)間，稻谷在干燥時(shí)就會(huì)產(chǎn)生明顯裂紋，無(wú)論如何緩蘇也不會(huì)導(dǎo)致整精米率的提升。
七、針對(duì)稻谷干燥的相關(guān)建議
通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)與上述分析，針對(duì)稻谷干燥，有如下建議：
1) 高溫干燥以及高溫緩蘇是有效提高干燥效率同時(shí)保證干燥品質(zhì)的有效途徑。
通過(guò)上述表述，高溫干燥要求在高于Tg的條件下充分緩蘇可以有效提高整精米率，干燥時(shí)間越長(zhǎng)，一次降水幅度越大，為了保證整精米率所需要的緩蘇時(shí)間也就越長(zhǎng)。
2) 需要在干燥過(guò)程中合理控制干燥速率；
高水分稻谷由于處于橡膠態(tài)，擴(kuò)散速率比較高，可以適當(dāng)提高降水速率，降水高達(dá)5%-6%每小時(shí)。低水分稻谷處于玻璃態(tài)，擴(kuò)散速率比較低，必須降低干燥速率，通常降水速率不超過(guò)0.7~1%/小時(shí)。當(dāng)降水速率過(guò)高，會(huì)明顯提高稻谷內(nèi)水分梯度，在干燥階段會(huì)產(chǎn)生裂紋。
采用合理設(shè)計(jì)的干燥工藝系統(tǒng)，將稻谷干燥機(jī)以及緩蘇倉(cāng)、輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等有效結(jié)合，使干燥緩蘇時(shí)間能得到有效保證，提升干燥品質(zhì)。
凌小姐