徐澤敏，謝修鴻，牟 莉

(長春大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

稻谷相較其他谷物而言難于去除內(nèi)部水分，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，稻谷外部堅(jiān)硬的颕殼在干燥升溫過程中，將阻止熱量向內(nèi)部傳導(dǎo)及糙米內(nèi)部水分的由內(nèi)向外擴(kuò)散，溫度差、濕度差的產(chǎn)生，將導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力增大。如若干燥工藝參數(shù)選擇不適，會(huì)使糙米內(nèi)外溫度和濕度梯度產(chǎn)生較大變化，容易導(dǎo)致溶質(zhì)失散和食味感觀品質(zhì)降低以致爆腰的產(chǎn)生[1-3]。烘干時(shí)，熱風(fēng)溫度不宜過高[4-6]，否則易使糙米組分中淀粉糊化和變性，也極易發(fā)生蛋白質(zhì)、氨基酸變性，使應(yīng)力裂紋增大、爆腰粒增多[2,7]、大米品相差、食味品質(zhì)下降、深加工產(chǎn)品得率低，經(jīng)濟(jì)效益受到直接影響。因此，宜采用低溫緩蘇工藝，利用現(xiàn)代的智能技術(shù)手段，優(yōu)化干燥工藝參數(shù)組合，烘干出最佳的糙米品質(zhì)[4,8]。稻谷烘干是通過傳熱傳質(zhì)去除其內(nèi)部水分的過程，也是其水分由內(nèi)向外遷移從液相變?yōu)闅庀嗟淖兓^程[2,9]。在低溫真空條件下，可以加速反應(yīng)進(jìn)程且節(jié)能環(huán)保[10]。目前，應(yīng)用連續(xù)真空干燥技術(shù)烘干稻谷的報(bào)導(dǎo)甚少，主要受到裝備關(guān)鍵技術(shù)和成本的制約。

筆者在全面實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，利用二次正交旋轉(zhuǎn)組合方案，試圖建立以爆腰增率為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為探索稻谷低溫真空干燥工藝路線及真空干燥機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 原材料、設(shè)備及試驗(yàn)檢測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用吉林省種植的市場(chǎng)售新鮮粳稻，測(cè)試水分為22.1%，測(cè)爆腰率2.3%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

ZK—82A型真空干燥箱，工作溫度室溫～200℃，真空度267Pa；JA10002電子天平，精度為0.01g，最大荷載1 000g；202-3型電熱恒溫干燥箱，溫度為范圍5～300℃，控溫精度±1.0℃；CLS、JLG—1型礱谷機(jī)，取樣量20～50g；谷物篩子，方孔2.0mm×2.0mm、1.0mm×1.0mm；分析盤、鑷子；放大鏡。

1.3 試驗(yàn)檢測(cè)檢驗(yàn)方法

稻谷的參數(shù)指標(biāo)依據(jù)GB5009.3-2016食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中的水分測(cè)定方法 ，采用電熱烘干箱法測(cè)出含水量為22.1%。根據(jù)GB5496-85糧食、油料檢驗(yàn)糙米裂紋粒的檢驗(yàn)法，取50g稻谷用實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)脫殼后，不加挑選地取整粒糙米100粒放入分析盤中，用放大鏡進(jìn)行鑒別，用鑷子揀出有裂紋的米粒，揀出的粒數(shù)即爆腰率。測(cè)得新鮮粳稻爆腰率為2.3%。

將含水量為22.1%的稻谷每組稱200g試樣，分為3組平行實(shí)驗(yàn)，分別裝入網(wǎng)眼平底圓盒中，一起放入真空干燥箱里；打開閥門啟動(dòng)真空泵，使干燥箱內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定壓力并保持；然后，關(guān)閉閥門并進(jìn)行加熱，箱內(nèi)的溫度由溫控儀調(diào)溫控制。干燥開始后，每間隔20min稱1次質(zhì)量，直至達(dá)到所設(shè)定的干燥時(shí)間，3組試樣測(cè)定的數(shù)據(jù)取平均值。以稻谷的爆腰(裂紋)增率作為檢測(cè)指標(biāo)，即真空干燥后測(cè)得的爆腰率減掉2.3%。

2 二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)是在玉米薄層真空干燥[9，11]和稻谷降水真空干燥試驗(yàn)[2,7]的基礎(chǔ)上，制定試驗(yàn)指標(biāo)和方案。以爆腰增率為目標(biāo)函數(shù)(Y)，影響真空干燥工藝效果的參數(shù)主要有干燥溫度(V1)、真空度(V2)、干燥時(shí)間(V3)。為了確定影響主次和優(yōu)化參數(shù)，采用了二次回歸旋轉(zhuǎn)正交設(shè)計(jì)，三因素三水平，中心試驗(yàn)次數(shù)為9，總的試驗(yàn)次數(shù)為23，數(shù)學(xué)模型[12]為

(1)

正交試驗(yàn)的各變量關(guān)系和各水平編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素各水平編碼關(guān)系表Table 1 Test factors each level coding relational table

2.2 正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)各因素的編碼數(shù)值組合對(duì)水分為22.1%的原稻谷進(jìn)行真空干燥，測(cè)得不同干燥參數(shù)影響下的爆腰增率(y)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)得數(shù)據(jù)Table 2 Design and data of quadrature orthogonal rotation experiment

續(xù)表2

150009.02160008.59170008.78180008.97190008.52200008.77210009.16220008.56230008.45

2.3 統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)學(xué)模型的建立與檢驗(yàn)

2.3.1 爆腰增率回歸模型的取得

根據(jù)表1、表2變量關(guān)系試驗(yàn)方案測(cè)得的稻谷爆腰增率的測(cè)試數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS分析計(jì)算，得出編碼空間的回歸二次方程為

y=8.8255+3.7448x1-0.5353x2+2.8324x3-

0.145x1x2+1.354x1x3+0.57x2x3+

(2)

2.3.2 模型的顯著性分析

獲得的二次回歸方程，用軟件同時(shí)進(jìn)行方差顯著性檢驗(yàn)及回歸系數(shù)|t|檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。表3數(shù)據(jù)表明：方程的回歸性明顯，證明模型(2)與實(shí)際真空干燥測(cè)得的結(jié)果有較好的擬合。

為此，二次回歸方程式(2)可作為稻谷爆腰增率編碼空間的數(shù)學(xué)模型。

表3 方程的回歸系數(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)表Table 3 The regression coefficient of equation is tested

續(xù)表3

3 影響爆腰增率的因素分析

通過對(duì)數(shù)學(xué)模型(2)進(jìn)行降維應(yīng)用分析，確定各參數(shù)之間的相互作用關(guān)系對(duì)稻谷爆腰增率的影響，通過圖形來分析說明。

3.1 干燥時(shí)間對(duì)爆腰增率的作用

以編碼模型為分析對(duì)象，針對(duì)真空度和干燥溫度處于因素水平中間3個(gè)區(qū)間時(shí)進(jìn)行對(duì)比作圖分析。圖1顯示了干燥溫度為恒溫40℃時(shí)干燥時(shí)間對(duì)爆腰增率的影響。由圖1可知：隨著干燥時(shí)間的延長，爆腰粒在增多；不同真空度下，爆腰增率有些許變化，真空度越大，稻谷爆腰增率越小，但隨干燥時(shí)間的增加，減小的幅度越來越小最后趨于一致。因此，干燥加熱時(shí)間對(duì)稻谷爆腰影響較大，大于真空度對(duì)其的影響，應(yīng)盡量縮短干燥時(shí)間；但在溫度不變的條件下，干燥稻谷到安全水分，如若縮短烘干時(shí)間，就要相應(yīng)地提高真空度。

圖1 干燥時(shí)間影響曲線Fig.1 The drying time affects the curve

3.2 真空度對(duì)爆腰增率的作用

圖2為干燥時(shí)間4h時(shí)3種不同溫度下真空度對(duì)稻谷爆腰增率的影響曲線。由圖2可知：隨著真空度的增大，爆腰增率在緩慢減小，3條曲線斜率皆較小，真空度對(duì)其影響較弱；而3條曲線間隔較大，溫度對(duì)其影響較明顯，尤其45℃曲線與40℃間隔更大，爆腰粒更多，說明干燥溫度不宜過高。

圖2 真空度影響曲線Fig.2 The vacuum degree affects the curve

3.3 干燥溫度對(duì)爆腰增率的作用

圖3所示為真空度0.05MPa時(shí)不同的干燥時(shí)間條件下干燥溫度對(duì)爆腰增率的影響曲線。由圖3可知：爆腰增率隨干燥溫度的上升而顯著上升，同樣溫度下，干燥時(shí)間越長，爆腰粒越多；當(dāng)溫度低于35℃時(shí)，3條曲線斜率較小，尤其干燥時(shí)間3h曲線幾乎處于水平，爆腰率無大變化；溫度高于45℃，曲線越陡峭，斜率越大。

圖3 干燥溫度影響曲線Fig.3 The drying temperature affects the curve

3.4 實(shí)驗(yàn)因素排序主次分析

根據(jù)以上回歸模型的降維分析及回歸系數(shù)t檢測(cè)統(tǒng)計(jì)得出：稻谷真空干燥時(shí)應(yīng)力裂紋(爆腰)的程度受干燥時(shí)間、真空度和干燥溫度3個(gè)因素的交互作用；在實(shí)驗(yàn)區(qū)間范圍內(nèi)，3因素對(duì)爆腰增率的作用由強(qiáng)至弱的次序可排列為：干燥溫度(x1)>干燥時(shí)間(x3)>真空度(x2)。

4 結(jié)論

1)利用正交旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)方法，建立了以干燥時(shí)間、真空度和干燥溫度為參數(shù)的稻谷爆腰增率的二次回歸模型，通過統(tǒng)計(jì)分析顯著性檢驗(yàn)，確定模型的可行性。

2)采用單因素降維分析，詮釋了三因素對(duì)稻谷爆腰增率的交互作用影響，繪制了三因素的影響圖表，直觀地反映出真空干燥過程中稻谷爆腰增率的指標(biāo)。

3)利用t值檢驗(yàn)和圖表分析，確定了三因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響。影響稻谷爆腰增率的主次因素依序應(yīng)為干燥溫度、干燥時(shí)間、真空度；爆腰增率正相關(guān)于干燥溫度和干燥時(shí)間，負(fù)相關(guān)于真空度。