稻谷烘干过程中的水分扩散特性与品质特性

为深入研究稻谷高效均匀化烘干过程中的水分扩散与质量转变耦合特性,该文测定了玉香油粘稻谷经50、65、80℃分别烘干时的水分有效扩散系数;检测了以上3种温度分别烘干稻谷的色差、籽粒颖壳断面孔隙率与分形维数及玻璃化转变温度,考察了已烘干稻谷的含水率、硬度、爆腰率、发芽率等过程品质差异。结果表明:玉香油粘稻谷烘干过程的有效水分扩散系数为3.576×10-8e15 684/Tm2/s;随烘干温度增加,籽粒颖壳断面的孔隙率由鲜谷的0.39±0.06依次降为0.22±0.09、0.17±0.04、0.13±0.05,但烘干稻谷的分形维数、色差、玻璃化转变温度则较其鲜谷波动增加;已烘干稻谷的含水率、硬度、爆腰率、发芽率组间差异显著(P0.05)。50℃烘干稻谷的爆腰率、发芽率性能优,宜选为稻谷烘干常用工艺温度,研究结果为稻谷高效均化烘干提供了理论与基础数据参考。     

高水分稻谷干燥工艺试验研究

针对中国南方地区稻谷收获季节需及时干燥高水分稻谷的市场要求,采用试验方法,在分批循环式稻谷干燥机上试验了低恒温干燥、变温干燥和变温干燥过程中增加缓苏时间的三种干燥工艺。依据试验结果,分析稻谷含水率、干燥介质温度、稻谷温度、缓苏烘干时间比等参数之间的联系与相互作用。试验表明：稻谷含水率高于21%时,降水速率可大于每小时1%,可采用60～70℃的介质。当稻谷含水率小于18%时,介质温度应小于60℃,降水速率小于每小时1%。当高水分稻谷进行了3～4次烘干缓苏后,利用中间缓苏仓增加缓苏时间,使稻谷内部与表层的温度、水分趋于平衡,有利于改善烘后品质和后续工艺的干燥降水。该结论对高水分稻谷干燥工艺设计和设备研制具有实用参考价值。     

连续单粒式谷物在线水分测定仪的设计与试验

为了提高谷物干燥设备自动化水平和干燥后谷物品质,提出一种基于电阻法检测原理,测量稻谷、小麦和大麦的连续单粒式谷物在线水分测定仪。其主要由谷物取样机构、谷物采样机构和信号采集电路等部分组成。通过测量谷物单粒外形尺寸统计出谷物等效粒径。运用谷物等效粒径和谷物与金属表面的静滑动摩擦角,计算确定谷物取样机构中不锈钢制异向正弦螺旋杆的中径和螺距分别为16和9 mm。由螺旋杆与分粒拨刀组成的谷物取样机构,在剔除杂物和多余谷物的同时,使谷物以连续单粒的形式进入进料口。选定模数为0.4 mm斜纹表面滚花形式碾压辊作为碾压电极,测量10%~35%含水率范围内稻谷、小麦和大麦单粒电阻值。构建稻谷、小麦和大麦的单粒阻值-含水率对应关系曲线并回归出水分计算函数(稻谷R~2=0.998;小麦R~2=0.999;大麦R2=0.999)。设计多路复用比例检测电路、二阶压控有源低通滤波器和50Hz陷波等信号处理电路。采用基于ARM Cortex TM-M3核的低功耗32位微处理器硬件和软件平台完成谷物水分数据的采样、处理和计算。现场水分在线检测与烘干法对比试验表明,在循环式谷物烘干机烘干过程-5~55℃的谷物温度和10%~35%含水率范围内,单粒式在线水分测定仪的在线水分测量绝对误差≤±0.4%,一次100粒谷物测量平均时间≤55s,水分测量重复误差≤±0.3%,研究结果为实现谷物烘干过程水分在线检测提供参考。     

稻谷收获期粒间水分分布的研究

利用计算机和单粒水分测定装置,测定了稻谷成熟、收获、堆放过程中粒体之间的水分分布,研究了粒体之间的水分交换机理。发现在收获期稻粒的含水率受外界环境条件的影响很大,高温高湿的气候特点造成稻粒表层吸附大量自由水分是形成稻谷高湿的主要原因。比较新收稻谷和糙米粒间水分分布发现,稻谷的含水率始终比糙米的含水率高出很多,由此推测稻壳中的含水率比较高,这为安排工艺快速去除新收稻谷表面水分提供了依据。     

固定床上下换向通风小麦干燥模拟与工艺优化

为了研究固定床上下换向通风干燥机理,确定合理烘干工艺参数,根据通风加热干燥过程中小麦和介质空气之间热质传递关系,采用经典PDE模型为理论基础,建立了适用于小麦固定床换向通风干燥计算机模拟的离散化模型。此模型可计算出小麦实时干燥状态、批次小麦干燥耗时、能耗经济成本等,并能依此推算出最优作业参数。经实际验证,模型模拟计算结果与试验结果基本相符,整床层小麦平均含水率模拟值和试验值的相关系数r达0.995,模型模拟可用于不同环境温度和相对湿度下的最优通风温度和风量分析。论文分析了换向通风干燥过程床层小麦含水率和温度变化规律;根据小麦收获时天气状况,选择环境温度20~35℃,环境相对湿度20%~85%范围,以批次烘干单位质量湿小麦能耗成本最低为优化判据,确定通风温度、风量及对应单位质量小麦烘干能耗成本,为实际小麦烘干工艺参数设定提供参考。     

水稻混流干燥工艺的试验研究

混流式粮食干燥机是当前中国应用最广泛的粮食干燥机机型，但由于水稻干燥的特殊性，横流循环干燥机基本上是水稻干燥的唯一机型，这造成国内粮食干燥机的利用率普遍不高。为了充分提高现有混流式干燥机的利用率，利用移动式混流粮食干燥机进行了稻谷的干燥试验，研究了不同的风温、不同的干燥缓苏比对稻谷爆腰率及降水速率的影响规律。研究结果表明：稻谷混流干燥过程中应有必要的缓苏。当干燥缓苏比一定时，烘干温度与爆腰率增值存在线性关系；当烘干温度一定时，干燥缓苏比与爆腰率增值存在线性关系；采用混流干燥机干燥稻谷时热风温度可以高于横流干燥机5～10℃，降水速率最高可达1.3%/h。     

稻谷种子安全干燥温度模型研究

以稻谷干燥时的活力退化动力学方程为基础，结合稻谷玻璃化转变理论建立了稻谷种子安全干燥温度模型。并通过稻谷种子的发芽率试验确定了种子安全干燥温度模型方程的系数。数学模拟结果表明，稻谷干燥过程中随着水分的降低，种子安全干燥温度曲线存在一个最低点；依据稻谷初始含水率由高到低，其最低安全干燥温度由低到高，而且种子通过最低安全干燥温度曲线最低点以后所能承受的温度则有所提高；当稻谷初始含水率低于13%(w.b.)时，种子安全干燥温度曲线后半段近似为一直线，不再有拐点（最低点）。论文最后提出了稻谷种子安全干燥温度和操作工艺，以及选择种子安全干燥温度时应注意的问题。     

仓内稻谷干燥的多尺度多层结构热质传递模拟及试验

为研究仓内稻谷干燥的热质传递机理,确定稻谷颗粒内部不同组织结构特性对干燥过程的影响,以仓内稻谷堆为研究对象,针对谷粒的多层结构问题,运用多尺度理论、热质传递原理和孔道网络方法等知识,建立了仓内稻谷热风干燥的多尺度多层结构热质传递模型,并进行了稻谷堆热风干燥试验,模拟分析了仓内稻谷的干基含水率、温度分布以及孔隙汽相的温度分布等情况。结果表明:建立的热质传递模型可有效模拟仓内稻谷干燥过程,干燥器尺度下仓内稻谷的平均干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差为7.6%,颗粒尺度下单颗粒稻谷干基含水率的模拟值与试验值的最大相对误差约为6.8%;稻谷颗粒内部传热比传质速率快,颗粒内存在较大的水分梯度。稻谷胚扩散系数对干燥的影响较大,其次是稻谷壳扩散系数,稻谷衣扩散系数影响最小。研究结果为稻谷就仓干燥的品质及工艺分析提供了理论基础。     

不同前处理对饲料玉米比热的影响

为了明确以玉米为原料的配方饲料在调质、膨化、冷却过程中传热传质的基本特性,该文利用差示量热扫描仪(differential scanning calorimeter,DSC)测比热的方法,研究了自然干燥条件下,不同的烘干温度(45～105℃)、含水率(12%～16%,湿基计)、粉碎粒度(0.2～0.6mm)等前处理因素对玉米比热的影响。采用3因素5水平2次正交旋转设计,通过回归分析和响应面分析,建立了玉米比热基于烘干温度、含水率(湿基计)、粉碎粒度的数学模型。研究结果表明:所得回归方程拟合情况良好,当烘干温度为45℃、含水率为12%(湿基计)、粉碎粒度为0.6mm时,玉米的比热值最小为2051J/(kg·K)。此模型的建立可为不同处理条件下玉米比热值的直接获得提供理论方法与依据,为不同配方饲料的湿热加工特性研究提供参考。     

基于玻璃化转变的稻谷干燥变温控制系统的设计与试验

针对在稻谷变温干燥过程中变温节点不明确、温度波动范围大和响应时间慢等问题,该研究设计了一种基于玻璃化转变的稻谷变温干燥控制系统。根据稻谷玻璃化转变曲线,确定变温控制策略,运用Logistic回归分析建立混配阀门开度和稻谷温度之间的控制模型并通过最小二乘法辨识模型参数。利用遗传算法对模糊隶属度函数进行优化,目标函数值迭代至0.118收敛,寻得最优幅宽。在Simulink仿真试验中,稻谷温度设定为42 ℃时,模糊PID控制的响应时间为66.43 s,且超调量为3.600%,优化后的模糊PID控制响应时间为37.06 s,且超调量为0.120%;在150 s加入5 s的外部信号干扰,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制的调节时间少4.19 s且超调量减小0.050%;在稳态时输入升温信号,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制的调节时间少16.79 s且超调量低0.338%。利用自主研制的干燥试验台进行变温试验,在变温响应试验中,优化后的模糊PID控制比模糊PID控制在目标温度和梯度升温调节时间中分别缩短了37.56 s和18.63 s;在温度稳定性试验中,稻谷温度变化范围为41.9～42.1 ℃,平均相对误差小于0.4%,变异系数小于0.5%;在建三江国家农业高新技术示范区浓江农场进行生产性验证,优化后的模糊PID控制系统响应时间小于30 s,稳态温度误差在±0.15 ℃,平均相对误差小于0.5%。测试数据表明变温干燥控制系统性能稳定,满足实际干燥作业的生产工艺需求。     

Relationship of Kernel Moisture Content Gradients and Glass Transition Temperatures to Head Rice Yield

The relationship of glass transition temperature T_g and moisture content (MC) gradient of rice kernels to head rice yield (HRY) variation was investigated. Mathematical models describing heat and moisture transfer inside rice kernels during drying were developed and solved using the finite element method. Moisture distributions inside a kernel were simulated and verified using thin-layer drying experiments, and the intra-kernel MC gradients during drying were accordingly determined and analysed. Results showed that in the glassy region, rice did not incur measurable HRY reduction after drying. However, when rice was dried in the rubbery region and then cooled down immediately without being tempered following drying, HRY decreased markedly after MC gradients exceeded certain levels. It was found in this study that the time when the percentage point of moisture removal reached a maximally allowable level before HRY decreased dramatically coincided with the time at which the curve of kernel MC gradients versus drying duration reached its peak. Such a relation was verified with the HRY data of two varieties (Cypress and M202) as measured in this study and cited from literature. The HRY trends for these two varieties were well explained through the behaviour of glass transition and MC gradients of rice.     

花生仁薄层干燥试验研究

通过花生仁薄层干燥试验,探讨了风温、风速、相对湿度等参数对花生仁干燥速率的影响。分析结果表明:风温是影响干燥速率的主要因素。其次是风速,而相对湿度和物料初始水分影响则很小。同时,根据试验分析还建立了干燥速率的数学模型。     

Preservation of Head Rice Yield Under High‐Temperature Tempering as Explained by the Glass Transition of Rice Kernels

Tempering has been shown in literature to preserve head rice yield after heated air drying. Most reported tempering work was done adiabatically at a temperature below that for rice drying. In this study, the effect of a tempering temperature above that for rice drying on the whole kernel percentage was investigated. High‐temperature tempering is an effective way to preserve the whole kernel percentage for rice dried at a raised temperature (e.g., 60°C) at which head rice yield would otherwise incur a pronounced reduction without tempering. Tempering helped relax the strains inside a rice kernel induced by internal stresses developed during the drying process. The strains had two components (elastic component and viscous component) due to the viscoelasticity of rice kernels. The reduction of moisture content gradients inside a rice kernel during tempering helped eliminate the elastic component of the strains due to the elasticity of the rice kernel. Results showed that to effectively eliminate the viscous component of the strains due to the viscosity of the rice kernel, tempering temperatures must be kept well above the glass transition temperature of the rice kernel. A tempering temperature below the glass transition temperature failed to preserve the whole kernel percentage. For example, with a tempering temperature of 80°C and a tempering duration of 80 min, the whole kernel percentage for the rice with an initial moisture content of 20.4% wb dried at 60°C and 17% rh for 120 min down to 10.2% wb (10.2 percentage points of moisture content removal in one drying pass) was preserved to a level close to that of the control sample.     

基于玻璃化转变的稻谷爆腰产生机理分析

稻谷爆腰是造成碎米的主要原因之一,为此,人们一直在探讨产生稻谷爆腰的机理.介绍了一种新的稻谷爆腰机理--基于玻璃化转变的稻谷爆腰机理.根据该机理分析了稻谷干燥和缓苏过程中爆腰的产生原因.基于玻璃化转变的稻谷爆腰机理,干燥过程中,当稻谷颗粒由外表向里形成玻璃态时,颗粒内部形成玻璃态和橡胶态两个部分.由于玻璃态和橡胶态的弹性模量和膨胀系数有很大的差别,因此在一定水分梯度条件下,银纹(微裂纹)从两者交界处产生,并可能进一步扩展成爆腰.稻谷缓苏过程中,颗粒内部如果存在橡胶态区,则其不同含水率部分就会在不同水分梯度下分别进入玻璃态,如果此时水分梯度足够,就会引起各部分不均匀收缩和各不相同的应力、应变,这样使玻璃态层产生大量银纹,银纹持续生长即产生爆腰.最后,介绍了两种控制稻谷爆腰的干燥工艺--变温干燥工艺和高温干燥工艺.     

热风干燥联合真空降温缓苏提升黄秋葵干制品品质

为提升黄秋葵热风干燥产品品质,试验将真空降温缓苏技术应用于黄秋葵热风干燥过程中。研究了不同缓苏时长下黄秋葵干燥特性和品质指标的变化规律;利用Weibull分布函数分析缓苏处理对黄秋葵热风干燥过程中水分扩散机制的影响;采用一元非线性回归分析构建适用于黄秋葵真空降温缓苏-热风联合干燥过程中干燥特性和品质指标随缓苏时长变化的学数模型;以总干燥耗时、总干燥能耗、复水比、色相角以及总营养物质保存率为指标,对不同缓苏时长下的黄秋葵热风干燥进行加权综合评价。结果表明：缓苏处理能够提升黄秋葵热风干燥速率,且随着缓苏时长的延长其促进作用会增强;Weibull分布函数能够准确描述（R2>0.99且离差平方和χ2处于10-4数量级）黄秋葵真空降温缓苏-热风联合干燥过程中水分比随干燥时间的变化规律;常用函数一元非线性回归分析能够构建出黄秋葵真空降温缓苏-热风联合干燥过程中各干燥特性和品质指标随缓苏时长的变化规律的动力学模型;联合干燥过程中,缓苏60 min处理的综合评分值最高为0.55,在干燥温度和风速分别为60℃、1.5 m/s条件下,该缓苏时长较适合应用于黄秋葵热风干燥。研究表明,真空降温缓苏处理能够提升黄秋葵热风干燥的干燥速率和干燥品质,该文可为真空降温缓苏技术在高品质黄秋葵干制品工业生产上的应用提供理论依据。     

苦杏仁去皮热风干燥适宜温度提高油脂品质

为探索适宜的杏仁热风干燥温度,以热烫去皮处理后的湿杏仁为试验材料,研究了热风干燥不同温度对杏仁及其油脂的感官、理化和营养品质的影响。结果表明,经热烫去皮、干燥处理后可以得到颜色较浅的杏仁油,有利于提高杏仁油的感官品质,但会造成杏仁油过氧化值显著升高(P0.05),油酸、亚油酸、十七碳烯酸、二十碳一烯酸等不饱和脂肪酸的比例和甾醇含量降低,棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、十七碳烷酸、二十碳烷酸、二十碳一烯酸的比例和总生育酚含量升高,对杏仁油的理化特性和营养品质产生影响。但不同脂肪酸及其伴随物种类、不同温度处理变化幅度不同。随着干燥温度的提高,干燥速率逐渐加快,杏仁及杏仁油的颜色逐渐加深,杏仁油亮度下降,酸价略有升高,但不同干燥温度之间差异不显著(P0.05);过氧化值呈上升趋势,且80℃以上干燥处理显著高于40℃和60℃干燥处理(P0.05);总不饱和脂肪酸、油酸、亚油酸、十七碳烯酸、二十碳烷酸的比例及β-生育酚、δ-生育酚及总生育酚含量总体呈下降趋势,棕榈油酸、棕榈酸、硬脂酸的比例和β-谷甾醇、总甾醇含量总体呈升高趋势。低温干燥有利于提高杏仁油中生育酚含量,而提高干燥温度则有利于杏仁油中植物甾醇含量的提高。尤其是干燥温度为80℃以上时,杏仁油的品质变化加快。因此,为提高杏仁油理化与营养品质,杏仁脱皮后的干燥宜在80℃以下的较低温度条件下进行。研究结果可为杏仁干燥和高品质杏仁油加工提供参考。     

热风干燥对果蔬薄壁组织细胞结构的影响

为了研究热风干燥过程对果蔬微观结构的影响,该文选择马铃薯、苹果、胡萝卜3种物料,运用组织石蜡制片、显微成像及图像处理技术,获得了3种物料在热风干燥过程中不同含水率下的薄壁组织细胞结构图像及各细胞结构参数的分布曲线,并分析了热风干燥对微观结构参数(细胞横截面积、周长、当量直径和圆度)的影响,建立了微观结构参数与宏观干燥参数(水分比)的拟合方程。结果表明,各细胞结构参数比与水分比之间具有线性相关性,可以用数学模型预测在热风干燥过程中苹果、马铃薯和胡萝卜的薄壁组织细胞结构随含水率的变化情况,研究结果可为控制果蔬在热风干燥条件下的品质及建立干燥过程数学模型提供理论依据。     

干切牛肉冷冻干燥中解析干燥过程的动态模拟及优化

该文通过对干切牛肉冷冻干燥中解析阶段含水率、物料温度的动态模拟及干燥速率与耗能分析,确立干切牛肉冷冻干燥中解析干燥的优化操作条件。通过建立解析阶段中脱除水分所需干燥时间以及相应的物料表面温度、物料中心温度的数学模型,并假设解析干燥过程中物料含水率由升华结束时的10.0%下降到干燥结束的0,以含水率变化为自变量,模拟了物料厚度为6、8、12、15 mm的干切牛肉在干燥室压强10 Pa,加热板温度80℃的操作条件下含水率、物料温度随时间的动态变化。以所建模型预测厚度7、9、10、11、12、13、14 mm的干切牛肉在该操作条件下含水率、物料温度的动态值及解析干燥周期。验证试验表明：预测与实测含水率相对误差小于10%,物料中心温度计算值与实测值的绝对误差小于5℃,说明所建模型可用于模拟、预测6～15 mm干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的参数变化。比较不同厚度干切牛肉冷冻干燥中解析干燥阶段的干燥比耗时、干燥效率,结果是采用6 mm厚度切片进行干燥,生产单位产品耗能最低,且生产率最大。     

Evaluation of Air Oven Moisture Content Determination Methods for Rough Rice

The effects of air oven drying temperature and drying duration on moisture content determination of medium grain rough rice were studied for moisture content levels from 10·2 to 32·5% (w.b.). Six different methods were compared in this study. A moisture content determination model for an air oven was developed to describe the effect of drying temperature, drying time, and sample grinding on moisture content determination. Drying whole kernels for 72 h at 105°C had the smallest standard deviation. Regression equations obtained from the measured data were used to validate the model developed in this study. This model could be employed to evaluate the moisture determination methods for other varieties of rough rice and other crops obtained from previous literature.     

油菜籽流化床恒速干燥传热传质特性及模型研究

在油菜籽干燥过程中,干燥工艺(热空气温度、速度和油菜籽初始含水率)主要影响着恒速干燥阶段的传热、传质系数,为此该文基于恒速干燥阶段,借助流化床干燥试验装置,试验分析了油菜籽初始含水率、热空气温度、热空气流速对油菜籽流化床干燥对流传热、传质系数的影响,结果表明:各影响因素的敏感性主次顺序为油菜籽初始含水率热空气温度热空气流速,其中油菜籽初始含水率为29.72%的对流传热、传质系数约为含水率14.41%的1.9倍,2.25 m/s热空气流速的对流传热、传质系数约为1.75 m/s的1.2倍,65℃热空气温度的对流传热、传质系数分别约为45℃的1.2倍和1.4倍。为此,以对流传热、传质系数为性能指标,根据Box-Behnken试验设计原理,应用Design-Expert 8.0.6软件,建立了影响因子与性能指标的回归模型,通过验证发现对流传热、传质系数两个模型预测值与试验值的最大相对误差仅为4.83%和4.79%,表明该两个回归模型拟合度较好,可靠性较高。研究结果可为强化传热传质提高油菜籽流化床干燥效率提供理论依据,同时也为生产工艺条件选择和干燥设备设计提供理论支撑。