提高稻谷加工整精米率的原理方法

李興軍 劉靜靜 徐詠寧 王若蘭

摘要：整精米率是稻谷研磨加工的最重要參數(shù)。本文概述了影響整精米率的因素如稻谷收獲條件、干燥工藝、籽粒的物理化學(xué)特性、研磨系統(tǒng)組成的類(lèi)型及效率，以及仿真模型。稻谷籽粒玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）是含水率的函數(shù)，如果干燥后的緩蘇工藝在Tg下進(jìn)行，米粒的外部層是玻璃態(tài)，而中心仍然是橡膠態(tài)，則引起裂紋。緩蘇允許水分從稻谷籽粒內(nèi)部擴(kuò)散到外部表面，減少了水分梯度進(jìn)而減少裂紋。最小化稻谷裂紋和破裂，需要研發(fā)干燥期間材料脅迫和變形的預(yù)測(cè)模型，了解米粒中張力強(qiáng)度，預(yù)測(cè)其破裂。同時(shí)從稻谷水分吸附/解吸等溫線上查尋Tg。

關(guān)鍵詞：稻谷 整精米率 破碎機(jī)理 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 平衡水分

糧農(nóng)組織（FAO）在2014年報(bào)道世界上稻谷總產(chǎn)量是472.25百萬(wàn)噸。到2025年，世界上100億人口要依靠稻米為主食，需求量880百萬(wàn)噸。FAO在2004年報(bào)道稻谷收獲后損失量占總產(chǎn)量的15%-6%，其中9%損失主要是由于采用陳舊和落后的干燥技術(shù)、加工方法，還有不科學(xué)的儲(chǔ)存運(yùn)輸及處理技術(shù)，而在稻谷生產(chǎn)者一方損失2%-3%。收獲后損失是生產(chǎn)環(huán)節(jié)和生產(chǎn)后操作期間多種因素的綜合構(gòu)成。我國(guó)中央儲(chǔ)備糧管理總公司采用和普及現(xiàn)代化綠色生態(tài)儲(chǔ)糧技術(shù)，迄今智能化儲(chǔ)糧的覆蓋率達(dá)95%，糧食損失率不到1%[1]。精米就是采用機(jī)械設(shè)備除去了稻谷殼、胚芽和麩皮層的大米。整精米就是稻谷研磨加工后籽粒長(zhǎng)度等于完整粒3/4的精米，碎米是米粒長(zhǎng)度在完整粒的3/4-1/4之間。我國(guó)稻谷標(biāo)準(zhǔn)GB1350-2009規(guī)定秈（粳）稻谷研磨的1、2、3、4、5級(jí)整精米率分別≥50%（61%）、47%（58%）、44%（55%）、41%（52%）、38%（49%），這表明我國(guó)稻谷研磨加工的碎米產(chǎn)量通過(guò)科技創(chuàng)新有一定的下降空間。本文介紹整精米率的影響因素及調(diào)控方法研究進(jìn)展，以期為我國(guó)稻谷儲(chǔ)存流通中整精米率提高和糧食減損提供參考。

一、影響整精米率的因素及評(píng)價(jià)方法

（一）影響整精米的因素

整精米價(jià)格是碎米的2-3倍。評(píng)價(jià)稻谷研磨的效率采用的指標(biāo)是整精米率（HRY）和白度，而不是大米的售價(jià)。稻谷研磨效率也受籽粒形狀、大小及干凈度所影響（Conway 1991）。

提高稻谷研磨品質(zhì)的途徑有改進(jìn)育種程序及栽培技術(shù)，優(yōu)化收獲和干燥條件[2]。7個(gè)美國(guó)品種收獲的最佳含水率范圍是13.8%-17.7%，推遲稻谷收獲時(shí)間則減少HRY（Jodari and Linscombe 1996）。改進(jìn)稻谷收獲后管理及優(yōu)化干燥條件，可減少籽粒裂紋發(fā)生。收獲后處理操作期間稻谷快速吸附或解吸水分則引起米粒裂紋（Cnossen et al 2003）。稻谷收獲后立即進(jìn)行人工干燥是米粒裂紋的主要原因之一，米粒破裂率隨稻谷干燥氣流含水率的減少而快速地增加（Peuty et al 1994）。水分梯度導(dǎo)致米粒內(nèi)張力和壓縮脅迫，如果足夠大，引起米粒裂紋破裂，緩蘇則通過(guò)加快水分從籽粒核心擴(kuò)散到表面，使得米粒內(nèi)水分分布更均勻 （Cihan and Ece 2001）。通常不可見(jiàn)的裂紋導(dǎo)致研磨期間籽粒破碎率高。

稻谷研磨加工期間摩擦、擦皮增加了籽粒表面溫度，誘導(dǎo)籽粒熱脅迫，導(dǎo)致破裂產(chǎn)生，減少整精米率[3]。高溫高濕的氣候條件對(duì)稻谷研磨產(chǎn)量有決定性影響。稻谷溫度與研磨環(huán)境溫度之間的差異降低研磨系統(tǒng)的效率，研磨環(huán)境的RH對(duì)研磨系統(tǒng)的效率影響顯著（Autrey et al 1995）。當(dāng)夏天環(huán)境溫度在40-50℃之間，研磨期間稻米溫度從30℃可波動(dòng)到研磨后的45℃，糧溫增加會(huì)引起米粒熱脅迫。糧溫的變化與整粒米率（HRY）是負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（二）整精米的評(píng)價(jià)方法

研磨試驗(yàn)在豎向研磨車(chē)間進(jìn)行，最佳條件是含水率15%，軸角速度900 min-1，50號(hào)網(wǎng)格大小的金剛砂石，零出口阻力，研磨速率2.3 t/h [4]?；诰椎呐哒掣铰?、碎米率、白度進(jìn)行工藝優(yōu)化。帶有白色胚的大米，具有珍貴的營(yíng)養(yǎng)成分和纖維。稻谷研磨特性影響大米胚的粘附率。

采用圖像處理技術(shù)可以確定精米的品質(zhì)參數(shù)，能夠客觀、規(guī)則地檢測(cè)研磨操作，便于操作者在幾分鐘內(nèi)快速反應(yīng)，改變材料的特性。數(shù)字圖像分析可用于確定整精米產(chǎn)量;對(duì)精米樣品記錄三維特征（長(zhǎng)、投影面積的周長(zhǎng)），并計(jì)算特征尺寸比率（CDR）。CDR定義為所有整精米籽粒的尺寸特征之和與樣品中包含的整精米和碎米的籽粒尺寸特征之和的比值（Yadav and Jindal 2001）。精米籽粒的兩維圖像能夠用于定量評(píng)價(jià)HRY和在線監(jiān)測(cè)研磨程度，更好地控制大米研磨操作。從兩維圖像可估算品質(zhì)參數(shù)白度和HRY，而關(guān)聯(lián)的平均灰度分析則指示米粒表面的脂肪濃度（Fant et al 1994）。從精米樣品的數(shù)字化圖像獲得灰色水平分布的平均值，可估算精米的總白度。數(shù)字圖像分析估計(jì)的米粒表面麩皮層，與化學(xué)法測(cè)定的表面脂肪濃度是相關(guān)的（Liu et al 1998）。李興軍等[5]根據(jù)FCF快綠染料堿性溶液與淀粉結(jié)合的原理，建立了大米破碎指數(shù)的化學(xué)檢測(cè)方法。

（三）玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）

Sharma 和Kunz （1982）解釋稻谷干燥和緩蘇期間的米粒裂紋，引入了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）概念。目前認(rèn)為，稻谷干燥和緩蘇過(guò)程中采用的溫度范圍內(nèi)，發(fā)生了淀粉相態(tài)轉(zhuǎn)變，在米粒裂紋中起重要作用[6]。稻谷籽粒是含水率（M）的函數(shù)（圖1），如55℃干燥的“準(zhǔn)兩優(yōu)”長(zhǎng)粒[7-8]稻谷Tg=59.61-0.79M。當(dāng)籽粒溫度穿過(guò)它的Tg，米粒的膨脹系數(shù)、比體積、擴(kuò)散率顯著變化。干燥后的緩蘇工藝如果在下進(jìn)行，那么在米粒的兩部位產(chǎn)生不同的膨脹系數(shù)，外部層是玻璃態(tài)，而中心仍然是橡膠態(tài)，則引起籽粒裂紋（Cnossen et al 2003）。圖2是稻谷干燥后冷卻過(guò)程籽粒各部分溫度和含水率的變化，籽粒表面、中間及中心存在水分梯度。Cihan 和Ece（2001）發(fā)現(xiàn)在較高溫度（60°C）的橡膠態(tài)，或者高于，快速除去一定數(shù)量的水分，整精米產(chǎn)量降低不顯著。Iguaz 等[9]進(jìn)一步指出，約80°C高溫干燥后在60°C緩蘇能夠節(jié)省時(shí)間，不降低米粒品質(zhì)。依賴(lài)于操作條件，干燥溫度的減少和緩蘇時(shí)間的延長(zhǎng)增加了HRY 68%-74%。German等（2000）推論，干燥溫度≤70°C，在兩步干燥之間對(duì)16%含水率的稻谷插入緩蘇時(shí)間，整精米產(chǎn)量滿意，褐變指數(shù)可接受。

定量分析稻谷干燥過(guò)程，用到的三個(gè)重要的熱特性參數(shù)是熱傳導(dǎo)率、比熱和熱擴(kuò)散率。Yang 等（2003）指出在溫度約53℃，稻谷品種Calora 發(fā)生碎米百分率快速增加，它的籽粒熱膨脹速率顯著增加。稻谷熱傳導(dǎo)率隨含水率增加而增加。低于Tg，熱傳導(dǎo)率不變化;高于Tg熱傳導(dǎo)率顯著增加。稻谷直鏈淀粉和蛋白含量的差異影響其熱特性，由于它們影響淀粉晶體度（Perdon et al 2000）。

為了深入了解裂紋的本質(zhì)，就要充分了解米粒的機(jī)械學(xué)特性包括張力、壓縮及彎曲強(qiáng)度（Lu and Siebenmorgen 1995）。如果在干燥后忽略緩蘇工藝，當(dāng)米粒從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)，干燥過(guò)程或之后米?？赡馨l(fā)生裂紋。緩蘇工藝是保持HRY的一個(gè)有效方式，否則干燥時(shí)間段延長(zhǎng)HRY就減少（Cnossen and Siebenmorgen 2000）。裂紋在干燥或解吸過(guò)程能夠被啟動(dòng)和傳播。另外，稻谷淀粉分子結(jié)構(gòu)中支鏈淀粉半晶體部分隨儲(chǔ)藏時(shí)間發(fā)生晶體化的程度，主要取決于儲(chǔ)藏溫度與特定淀粉分子Tg之間的差值[10]。

（四）研磨程度（DOM）與米粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)系

稻谷的研磨程度（DOM）是由品種決定的[11]，稻谷的大多數(shù)物理特性顯著影響DOM。稻谷籽粒長(zhǎng)度、長(zhǎng)寬比率與DOM是正相關(guān)，而籽粒寬度、厚度、球面積、堆密度與DOM是負(fù)相關(guān)[12]。在所有研磨期間（0-100s），籽粒表面積和真密度對(duì)DOM沒(méi)有顯著影響（Liang et al 2008）。DOM影響精米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。已經(jīng)報(bào)道了研磨程度影響硒[13]、蛋白（28.6%）、總灰分（84.7%）（Lamberts et al 2007）、鐵（24%-84%）的損失。加重米糠層除去直接相關(guān)于大米白度（Park et al 2001）。

二、提高稻谷研磨效率的原理

研磨期間，脅迫破裂（裂紋）引起米粒的破碎。裂紋的主要影響因素是稻谷品種、收獲后管理操作、干燥方法及操作條件。

（一）稻谷含水率及收獲方法

稻谷含水率對(duì)研磨系統(tǒng)的產(chǎn)量具有顯著影響，在含水率10%-14%范圍，水分降低1%，它就增加0.7%-3%（Pominski et al 1961）。采用3個(gè)摩擦變白機(jī)系列，其中一個(gè)變白機(jī)作為拋光機(jī)，在含水率12%-14%濕基，稻谷研磨的米粒破碎最少 （Afzalinia et al 2002）。研磨期間米粒破碎率隨著米粒直徑減少而增加，也隨著稻谷含水率在12%-16%范圍增大而增加（Dilday 1987）。為了高質(zhì)量研磨工藝中合理的米粒破碎率，稻谷必須在最佳含水率和合適的成熟階段收獲（Luh 1991）。稻谷收獲的方法也影響研磨期間米粒破碎，收割機(jī)收獲的稻谷破碎率比人工收獲的高5%。

（二）干燥和緩蘇工藝

稻谷干燥期間，水分從籽粒表面蒸發(fā)，接著水分從籽粒中心部位向表面擴(kuò)散，引起籽粒外部層的壓迫力和內(nèi)部層的張力。當(dāng)籽粒表面的壓迫力超過(guò)內(nèi)部的張力強(qiáng)度，籽粒將裂紋（Li et al 1999）。在研磨加工時(shí)，裂紋的籽粒則可能斷裂。

米粒的裂紋率隨干燥氣流溫度和蒸發(fā)容量增加而增加（Bonazzi et al 1997）。如果蒸發(fā)容量高的空氣用作干燥溫度、相對(duì)濕度（RH）的函數(shù)，就降低稻谷品質(zhì)。當(dāng)干燥空氣是高RH，干燥溫度可達(dá)到80 °C，不影響谷粒加工品質(zhì)（Abud et al 2000）。稻谷干燥后在高溫（60°C）緩蘇，除去較多的含水率，干燥時(shí)間縮短38%以上。與稻谷一步干燥相比，干燥分成兩步或三步進(jìn)行，籽粒裂紋率顯著減少。在高溫緩蘇則減少籽粒裂紋率，增加了整精米率。為了達(dá)到含水率除去6%，且不影響稻谷品質(zhì)，在兩步干燥中帶有干燥后60°C緩蘇，效果好，節(jié)省能量[14]。

許多干燥方法如熱空氣、太陽(yáng)能、過(guò)熱蒸汽、流化床及真空干燥，用于研究干燥條件對(duì)蒸谷米的影響。干燥溫度對(duì)蒸谷米HRY具有負(fù)影響，緩蘇時(shí)間則有正影響（Elbert et al 2001）。褐變指數(shù)主要受所用的干燥氣流溫度所影響。預(yù)汽蒸稻谷中發(fā)生了半糊化，米粒的強(qiáng)度和硬度增加（Kato et al 1983）。預(yù)汽蒸時(shí)間增加半蒸谷米HRY、凝膠糊化程度及糊糊化溫度，減少半蒸谷米的白色腹部[15]。Sutherland和 Ghaly （1992）對(duì)稻谷使用熱空氣流化技術(shù)，包括80°C處理5 h，102°C預(yù)汽蒸70s，熱空氣流化技術(shù)140 °C干燥2 min，緩蘇30 min，在環(huán)境空氣溫度下通風(fēng)直到最終含水率是12.3%-13.8%濕基。分析采用熱空氣流化床干燥稻谷的經(jīng)濟(jì)可行性，發(fā)現(xiàn)整精米產(chǎn)量相關(guān)于最終含水率。稻谷最初含水率的增加引起整精米產(chǎn)量的增加。流化床干燥中稻谷含水量快速下降而引起籽粒內(nèi)脅迫發(fā)生，引起整精米率降低，降低精米品質(zhì)及價(jià)值（Soponronnarit and Prachayawarakorn 1994）。為了最大化整精米產(chǎn)量，在干燥第一個(gè)階段后推薦緩蘇環(huán)節(jié)，可減少水分脅迫（Cnossen et al 2003）。從蒸谷米除去大量的水需要分散在多階段干燥，以促進(jìn)米粒水分平衡，顯著減少研磨期間米粒破碎。

過(guò)熱的蒸汽干燥優(yōu)點(diǎn)是，干燥速率大、產(chǎn)品脫除臭味（Iyota et al 2002）。第一階段干燥和緩蘇后稻谷含水率對(duì)整精米率和將含水率從高降到安全水平的操作時(shí)間具有重要的影響。第一階段在150°C汽蒸，第一階段干燥后含水率不應(yīng)該低于18.4%濕基，隨后的緩蘇處理至少25 min [16]。

較長(zhǎng)的間歇比率或較短的單元干燥時(shí)間，產(chǎn)生較低的大米裂紋百分率。稻谷干燥后米粒不立刻裂紋，可采取方法阻止裂紋形成（Bautista et al 2000）。與低溫10°C儲(chǔ)藏比較，稻谷品種Brazos 60°C干燥后45°C緩蘇減少籽粒裂紋率25%（Nguyen and Kunze 1984）;與20°C緩蘇比較， 50°C緩蘇減少了籽粒裂紋率32%-50%[17];甚至在較高溫度（60°C）緩蘇允許較短的干燥時(shí)間，不影響米粒質(zhì)量（Cnossen et al 2003）。開(kāi)口裂紋形成的速率隨著浸入溫度的降低而增加，加速水分?jǐn)U散到米粒，以阻止開(kāi)口裂紋的形成[18]。

稻谷裂紋問(wèn)題在采用60℃的加熱空氣干燥更盛行。籽粒內(nèi)發(fā)生裂紋是由于干燥期間水分和溫度梯度引起的脅迫。稻谷干燥后引起籽粒裂紋的因素是干燥速率和儲(chǔ)藏相對(duì)濕度，而籽粒裂紋百分率隨干燥溫度的增加而增加[11]。緩蘇處理允許水分從稻谷籽粒內(nèi)部擴(kuò)散到外部表面，減少水分梯度，從而減少米粒裂紋[19]。采用正確的高溫緩蘇能夠減少?lài)?yán)厲干燥條件中米粒裂紋，增加HRY，與采用的干燥步驟數(shù)無(wú)關(guān)（Perdon et al 2000）。Aqueretta等[14]報(bào)道，在較高溫度緩蘇，不管干燥步驟的數(shù)目，籽粒裂紋百分率減少和HRY增加。

收獲后田間自然或人工干燥中，稻谷籽?？赡馨l(fā)生裂紋。在干燥期間，米粒內(nèi)產(chǎn)生的水分梯度引起籽粒內(nèi)微分脅迫，是之后產(chǎn)生裂紋的原因（Kunze and Calderwood 1985）。采用間歇式干燥工藝能夠減少籽粒裂紋數(shù)量，即在干燥循環(huán)之間插入緩蘇環(huán)節(jié)，緩蘇縮短了在總干燥爐的時(shí)間，阻止米粒裂紋和破碎。與連續(xù)干燥工藝比較，間歇式干燥工藝減少稻谷裂紋率20%，在于均等化了籽粒內(nèi)水分濃度[9]。氣流溫度和蒸發(fā)容量增加，擴(kuò)大了籽粒裂紋的百分率，而間歇和最后的緩蘇工藝減少了裂紋籽粒數(shù)，提高了整精米產(chǎn)量和最終的米粒品質(zhì)[9]。如果蒸發(fā)容量保持很低，整精米率產(chǎn)量不受高干燥溫度所影響（Abud et al 2000）。

與熱空氣干燥比較，過(guò)熱蒸汽干燥稻谷增加了HRY，由于它促進(jìn)了淀粉糊化，但是在干燥前幾分鐘期間發(fā)生了較高程度的曼拉德反應(yīng)，導(dǎo)致稻谷白度值低。過(guò)熱蒸汽干燥稻谷的白色腹部百分率與熱空氣干燥的差異很小[20]。高干燥氣流溫度導(dǎo)致較高的稻谷籽粒溫度，延長(zhǎng)緩蘇時(shí)間則導(dǎo)致籽粒內(nèi)部淀粉粒的部分糊化，以類(lèi)似蒸谷米的方式影響籽粒品質(zhì)（Inprasit and Noomhorm 2001）。影響稻谷各種特性的流化床干燥參數(shù)包括含水率、干燥氣流溫度和床厚度。

稻谷干燥行業(yè)在不同的干燥爐設(shè)計(jì)中采用加熱的空氣。柱狀和交叉流干燥爐使用干燥溫度45-78°C，而一些多步驟干燥爐在80-200°C高溫運(yùn)行。這些高溫是研磨期間米粒裂紋和破碎的主要原因（Inprasit and Noomhorm 2001）。由于水分從籽粒外部層蒸發(fā)，高溫干燥建立了籽粒表面與核心部位之間的水分梯度[6]。高蒸發(fā)容量的氣流對(duì)稻谷品質(zhì)造成負(fù)面影響。Kunze和Calderwood（1985）推斷干燥速率，而不是干燥氣流溫度決定米粒品質(zhì)。Naret 等[21]研究遠(yuǎn)紅外 （FIR）照射對(duì)稻谷干燥和研磨品質(zhì)的影響，指出流動(dòng)床干燥后臨界含水率約18.7%濕基，而與遠(yuǎn)紅外照射結(jié)合能夠連續(xù)減少含水率到17.4%濕基，不影響整精米產(chǎn)量和白度。紅外（IR）照射加熱可以取得高加熱速率和能量效率[22]，而中紅外和遠(yuǎn)紅外光源波長(zhǎng)2-100 μm，中粒稻谷對(duì)紅外照射最大吸收在波長(zhǎng)2.9 μm（Bekki 1991）。稻谷在厚床中進(jìn)行混合以取得均勻的加熱，克服了紅外線有限的穿透力。

采用強(qiáng)力空氣快速冷卻稻谷是無(wú)益的，雖然它除去了大量的水分，但卻產(chǎn)生了明顯的水分和溫度梯度，容易引起裂紋。在不同階段淀粉的熱機(jī)械學(xué)特性的差異能夠產(chǎn)生脅迫和裂紋，導(dǎo)致研磨期間破碎、大米研磨品質(zhì)差（Perdon et al 2000）。因此，可調(diào)控的緩慢冷卻對(duì)高溫干燥后的稻谷很重要。

（三）稻谷籽粒特性影響研磨加工品質(zhì)

農(nóng)產(chǎn)品的物理化學(xué)和機(jī)械學(xué)特性知識(shí)，對(duì)正確的儲(chǔ)藏操作，以及收獲后加工設(shè)備的設(shè)計(jì)、尺寸標(biāo)注、生產(chǎn)和操作都很重要。Rehal等[23]綜述了稻谷研磨參數(shù)對(duì)整精米率的影響，研磨條件包括采用的磨輥類(lèi)型、速度、溫度梯度、拋光的程度、稻谷品種及研磨之前給予的預(yù)處理等。稻谷籽粒含水率影響它的機(jī)械學(xué)特性（Yang et al 2003），而籽粒溫度變異影響熱膨脹系數(shù)和其他物理特性（Ekstrom et al 1966）。最大的水分梯度存在于垂直米粒長(zhǎng)軸的方向、米?？v長(zhǎng)跨度的中間部位 （Yang et al 2000）。長(zhǎng)和細(xì)小稻谷籽粒在研磨加工中易碎（Clement and Seguy 1994）。

米粒破碎主要是由機(jī)械脅迫引起，而不是熱脅迫（Matthews et al 1970）。Kamst 等（1999）指出，沿著米粒短軸和長(zhǎng)軸，張力強(qiáng)度之間無(wú)顯著差異，在兩個(gè)測(cè)定方向沒(méi)有顯著的各向異性。徑節(jié)壓縮試驗(yàn)和單軸壓縮測(cè)定的楊氏模量是一樣的。

完整糙米粒的彈性模塊、彎曲強(qiáng)度、斷裂能量隨著干燥時(shí)間延長(zhǎng)而增加。在不同干燥時(shí)間段，對(duì)完整籽粒測(cè)定的機(jī)械學(xué)特性不受它們損失為裂紋或破碎籽粒所影響[24]。Jia 等（2002）采用有限元模擬稻谷內(nèi)部脅迫揭示了，張力脅迫在干燥的開(kāi)始階段突然增加，干燥后不久達(dá)到峰值，之后逐漸降低。

稻谷籽粒的內(nèi)在特征決定了精米的品質(zhì)。生長(zhǎng)季節(jié)田間溫度升高則減少非蠟質(zhì)稻谷胚乳中的直鏈淀粉含量（Asaoka et al 1985）。米飯所有質(zhì)地參數(shù)彼此顯著相關(guān)，與直鏈淀粉含量正相關(guān)，與蒸煮時(shí)間負(fù)相關(guān)[10]。直鏈淀粉含量與所有質(zhì)地參數(shù)、粥中固形物損失正相關(guān)，觀察到直鏈淀粉含量高的品種米飯質(zhì)地硬、蒸煮時(shí)間短[25]。

研究顯示，蒸煮期間米粒水分吸附、固形物損失，在大米不同品種之間有差異，受到它們的物理化學(xué)特性如直鏈淀粉含量、凝膠稠度、堿液擴(kuò)展值、糊化溫度、蛋白含量的影響。水分吸收速率與3個(gè)稻谷品種的直鏈淀粉含量負(fù)相關(guān)（Metcalf and Lund 1985），直鏈淀粉含量高的大米蒸煮期間水分吸附量較大。蛋白含量高的大米蒸煮期間需求的蒸煮水多，蒸煮時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)所有大米品種，采用修正的指數(shù)方程較好地描述了蒸煮米粒水分吸附量隨蒸煮時(shí)間的變化。在過(guò)量水中蒸煮米飯，精米水分吸收量從它的物理化學(xué)特性可預(yù)測(cè)[26]。

三、仿真

數(shù)學(xué)模型是智能化的工具，即采用數(shù)學(xué)概念和語(yǔ)言抽象化一個(gè)工藝或系統(tǒng)。仿真包含觀察記錄、分析（模型擬合），以及基于這些結(jié)果預(yù)測(cè)特定工藝或參數(shù)的行為。在稻谷加工中評(píng)價(jià)了干燥行為、水分吸附及變化趨勢(shì)的不同預(yù)測(cè)模型。Rao 等[27]基于指數(shù)模型和Arrhenius模型提出的干燥速率常數(shù)模型k=0.02·V0.473·Dg-0.699·T0.478和k=1.014·V0.473·Dg-0.699·exp（-654.46/T），式中k是干燥速率常數(shù)，T氣流溫度，Dg是糧食床深度，決定系數(shù)（R2）均是0.94。干燥時(shí)間主要依賴(lài)干燥氣流溫度，其次是糧食床深度和氣流速率。他們進(jìn)一步指出，對(duì)流氣流干燥期間，熱傳遞系數(shù)隨空氣溫度升高而增大。稻谷研磨品質(zhì)隨著氣流速度增加、床深度和空氣溫度的減少而改善。對(duì)流空氣干燥的整精米率，被床深度影響最大，其次是干燥氣流溫度。干燥氣流速率對(duì)整精米率沒(méi)有影響。稻谷籽粒破裂率隨著空氣溫度和蒸發(fā)容量增加而增加（Bonazzi et al 1997）。

基于分子熱力學(xué)方法，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化模型用于分析食品的平衡水分?jǐn)?shù)據(jù)，從物理學(xué)角度洞察食品EMC的本質(zhì)[28]。修正GAB模型更適合預(yù)測(cè)稻谷在研究的溫度和水分活度范圍的解吸平衡含水率。MCPE和MHE模型給出了可接受的擬合度，而MHAE和MOE不適合擬合稻谷干燥溫度下的水分解吸等溫線[9]。

冷卻糧食直到安全儲(chǔ)存溫度，能夠抑制昆蟲(chóng)和霉菌活性，將化學(xué)藥劑的使用最小化。糧食通風(fēng)系統(tǒng)通過(guò)降低整個(gè)糧堆的溫度梯度來(lái)阻止品質(zhì)劣變，糧堆的溫度梯度可引起水分遷移和袋狀霉變（Metzger et al 1983）。Iguaz 等（2004）提出的動(dòng)態(tài)熱和質(zhì)量平衡的數(shù)學(xué)模型，模擬強(qiáng)力冷空氣通風(fēng)稻谷倉(cāng)中糧堆溫度、含水率的變化，能夠預(yù)測(cè)在不同通風(fēng)條件，糧食溫度和水分的演變，以及冷卻糧堆需要的時(shí)間。

Husain等（1987）成功模擬了研磨加工期間HRY和白度與大米物理化學(xué)特性的關(guān)系。對(duì)選擇的稻谷品種，HRY降低是研磨時(shí)間的冪函數(shù)，擬合的R2范圍0.974-0.997，MRE低于1%。

在模擬中，流動(dòng)限制用于糙米分離、變色米分類(lèi)的工藝中，需要加大糙米分離機(jī)、大米色選機(jī)每小時(shí)的處理量。將提出的模型用于大米自動(dòng)化加工廠，用于設(shè)計(jì)和改進(jìn)大米研磨工藝。在脫石、脫殼、研磨、拋光工藝中沒(méi)有流動(dòng)限制。由于模擬中色選機(jī)敏感度高和進(jìn)料速度低，所以在色選工藝有嚴(yán)格的流動(dòng)限制 （Chung and Lee 2003）。

對(duì)糙米加濕的膜包裝技術(shù)提出的數(shù)學(xué)模型，是基于糙米包裝膜內(nèi)水汽的平衡。以聚合物膜包裝糙米的目的是抑制糙米含水率的變化，預(yù)測(cè)的包裝膜內(nèi)的RH和糙米含水率，與加濕試驗(yàn)的讀數(shù)相一致[29]。對(duì)低密度聚乙烯（LDPE）膜和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）膜包裝、不包裝的糙米，Tanaka等[30]提出了一個(gè)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)糙米厚層加濕處理期間的含水率分布輪廓，結(jié)論是，在試驗(yàn)條件下，提出的加濕模型成功地描述了糙米厚層加濕處理。

Courtois等（2001）將稻谷籽粒模擬為兩個(gè)水分分室系統(tǒng)，就熱和質(zhì)量（水分）作為一個(gè)整體。籽粒外部水分遷移受Fick和傅里葉法則所支配，這個(gè)分室方法在計(jì)算機(jī)上以高效的方式給出籽粒內(nèi)部水分遷移的阻力，顯示了這個(gè)非線性系統(tǒng)的穩(wěn)健行為。

四、展望

（一）提升農(nóng)藝和研磨加工技術(shù)，最小化稻谷收獲后管理操作中的損失

糧食行為依賴(lài)于收獲期間含水率、干燥機(jī)制，研磨期間存在的含水率、研磨條件。研磨加工的重要問(wèn)題是籽粒破碎，減少了HRY，由研磨期間產(chǎn)生的熱梯度導(dǎo)致籽粒產(chǎn)生壓縮力和張力脅迫。為了最小化溫度梯度，需要調(diào)整已有的加工機(jī)。為了高HRY，東南亞一些國(guó)家對(duì)長(zhǎng)粒稻谷變成蒸谷米進(jìn)行研磨加工。蒸谷米能夠忍受摩擦力到較高的值，產(chǎn)生高的整精米率，但是加工機(jī)械成本和經(jīng)濟(jì)成本均較高。我國(guó)稻谷標(biāo)準(zhǔn)GB1350-2009規(guī)定秈（粳）稻谷研磨的一級(jí)整精米率≥50%（61%），這表明從提高整精米產(chǎn)量角度值得研發(fā)新技術(shù)。

（二）研發(fā)稻谷干燥期間籽粒張力脅迫的預(yù)測(cè)模型

了解稻谷收獲后處理期間的變化，并采用最佳的干燥條件，以控制米粒裂紋形成、優(yōu)化稻谷研磨品質(zhì)的工藝。修正GAB、MCPE、MHE均是稻谷干燥過(guò)程最佳平衡水分方程。最小化稻谷裂紋和破碎，需要干燥期間材料脅迫和變形的預(yù)測(cè)模型。已經(jīng)清楚了變形速率對(duì)稻谷機(jī)械學(xué)特性具有影響。米粒中裂紋是由于張力失敗，必須了解張力強(qiáng)度，能夠預(yù)測(cè)它的破裂。

（三）含水率13.5%-15.0%中晚秈稻儲(chǔ)藏時(shí)間與整精米率關(guān)系研究

日本國(guó)家糧食標(biāo)準(zhǔn)和日本大米協(xié)會(huì)規(guī)定粳白米的最高允許水分為16%。這表明日本的粳稻谷儲(chǔ)存水分應(yīng)該在15%-15.5%之間。我國(guó)糧食質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中含水率既是糧食收購(gòu)計(jì)價(jià)、扣量和貿(mào)易價(jià)格核算的依據(jù)，也是在各地均能安全儲(chǔ)藏的水分。目前大米的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水分高于相應(yīng)稻谷的國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)水分1%，經(jīng)過(guò)2-3年的儲(chǔ)藏，出庫(kù)稻谷的水分還低于國(guó)家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)水分1%-2%，稻谷出庫(kù)水分比加工企業(yè)的需求水分低2%-3%。如果進(jìn)行加工前潤(rùn)谷，稻谷發(fā)生快速再吸附現(xiàn)象則易裂紋破碎。隨著控溫儲(chǔ)糧技術(shù)的推廣，帶有大米加工車(chē)間的一些糧庫(kù)儲(chǔ)存稻谷半年到一年，為了提高稻谷研磨加工的整精米率和白度，在冬季入倉(cāng)時(shí)適當(dāng)提高稻谷水分1.0%-1.5%。急需研究含水率13.5%-15.0%中晚秈稻儲(chǔ)藏不同時(shí)間的研磨加工品質(zhì)。

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（者單位：國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院、河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院）