论文部分内容阅读
发芽糙米是一种新型的功能性稻米制品,具有较高的营养及保健价值。但鲜湿发芽糙米含水率较高,易引起微生物繁殖导致品质劣变,失去营养和商品价值。快速、及时将其干燥至安全贮藏含水率(13.0%~14.5%,w.b.),不仅有利于延长贮藏期,而且也可为后续产品的精深加工提供有力保障。微波干燥具有干燥速度快、能效高等优点,可满足鲜湿发芽糙米对快速、及时干燥的需求。然而,发芽糙米在微波场作用下的干燥过程复杂、品质变化不稳定,限制了微波技术在其加工产业中的广泛应用。为了提高发芽糙米的微波干燥适用性,采用台架试验和数值模拟相结合的方法,研究发芽糙米微波干燥及品质(裂纹、颜色和γ-氨基丁酸(GABA)含量)变化机理,提出微波干燥发芽糙米的品质控制模式。首先,在微波工作站中利用台架试验,研究发芽糙米的微波干燥特性及动力学,同时通过构建电磁、温度和水分场的多物理场耦合模型,并提出实现物料随玻璃转盘旋转运动的仿真策略,模拟解析旋转微波干燥过程中料层的空间电场、温度和水分分布特征,以更好地理解发芽糙米的微波干燥过程。其次,基于微波干燥对品质指标的影响机理,提出保证品质的临界温度和适宜微波强度。再次,进一步研究发芽糙米在连续式微波干燥机中的干燥过程及品质变化,通过提出实现物料随输送带移动的仿真方法,模拟解析发芽糙米的连续式微波干燥过程,并结合台架试验揭示发芽糙米的品质(颜色和裂纹)变化机理。最后,提出适于发芽糙米连续式微波干燥生产的加工条件,以控制干后品质。主要研究内容和结论如下:(1)研究了不同微波强度1~5 W/g条件下发芽糙米的干燥特性及动力学。提高微波强度可显著缩短干燥时间、加快干燥进程;干燥速率随微波强度增加而增大,干燥过程中未发现明显的恒速阶段,且干燥过程主要由降速阶段主导。微波干燥引起发芽糙米微观结构的变化,在干燥初期,微观裂纹或孔隙的形成,有利于水分扩散和蒸发,提高干燥速率;在干燥后期,由于微波体积热的积累,物料温度不断升高,导致淀粉部分糊化或熔融,增加了水分传递阻力,干燥速率下降。发芽糙米的有效水分扩散系数(Deff)为1.55×10-8~1.17×10-7 m2/s,活化能(Ea)为2.48 W/g,扩散因子(D0)为1.76×10-7 m2/s。通过对六种常用薄层干燥模型的比较,Midilli et al.模型最适合描述发芽糙米的微波干燥特性及动力学。(2)基于电磁-温度-水分场的多物理场耦合模型和提出的物料旋转仿真策略,实现了发芽糙米的旋转微波干燥过程模拟。模拟的温度和含水率与实测值具有较好的一致性,证实所建立模型和仿真方法可靠地表征发芽糙米的旋转微波干燥过程。基于模拟结果,解析了干燥过程中料层的空间电场、微波能吸收、温度和水分分布特征,料层中心区域存在明显的聚焦(热点集中)效应,温度分布随干燥过程呈现由料层中心向边缘延伸的趋势、且温度梯度逐渐增大,而料层水分分布特征与温度分布相反。(3)研究了不同微波强度1~5 W/g对发芽糙米干后裂纹的影响,并探究了米粒裂纹对其蒸煮品质的影响。微波强度对干后米粒的裂纹率有显著影响(p<0.05),高于4 W/g时干燥后期的米粒裂纹程度以4~5条裂纹为主,考虑干燥效率和干后米粒适宜裂纹程度(3~4条裂纹),微波强度3~4 W/g适于发芽糙米微波干燥。干后米粒3~4条混合裂纹有利于改善蒸煮特性(即减少蒸煮时间和总固形物损失,提高吸水率和体积膨胀率)和提高蒸煮品质(即降低米饭硬度,提高米饭的黏附性、弹性、内聚性、粘性和咀嚼性),是微波干燥发芽糙米的适宜裂纹范围。蒸煮时间与吸水率、体积膨胀率和总固形物损失呈极显著负相关(p<0.01);硬度与黏附性和粘性呈极显著正相关(p<0.01),而与弹性、咀嚼性和内聚性呈极显著负相关(p<0.01)。扫描电镜观察结果证实,微波干燥破坏发芽糙米内部致密的淀粉颗粒排布结构,形成了微观裂纹和孔隙,3~4条裂纹程度为米粒提供了适宜水分渗透途径,进而提高蒸煮品质。(4)研究了不同微波强度1~5 W/g对发芽糙米品质(颜色和GABA含量)的影响,并分析了微波干燥特性与品质形成的相关性。提高微波强度可加速发芽糙米颜色变化,防止料层发生严重褐变和焦糊的临界温度分别为132 oC和170 oC;Fractional conversion模型最适合表征发芽糙米的颜色变化动力学。不同微波强度下发芽糙米的GABA含量总体上趋于减少,保持较高GABA含量的适宜平均温度应控制在64~67 oC范围内,调控干燥过程中的料层温度可作为控制发芽糙米GABA含量的参数依据。考虑干燥效率和干后颜色及营养品质,微波强度3~4 W/g适于发芽糙米微波干燥。(5)构建了多物理场耦合模型和提出了物料随输送带移动的仿真方法,实现了发芽糙米在连续式微波干燥机中的干燥过程模拟,并优化出适于发芽糙米干后金黄色外观和适度裂纹(3~4条裂纹)品质形成的控制条件,以及通过单个米粒内部水分和应力的模拟,辅助分析了米粒裂纹的形成机理。物料在微波腔中的平移运动,可改善干后产品的干燥均匀性。随微波强度增加,沿米粒短轴方向上的应力不断增大,加剧了米粒裂纹形成,在微波强度低于5 W/g时,米粒内部水分分布相对均匀,干后处于适宜裂纹程度。提高风速强化了米粒内部水分扩散和表面蒸发,使米粒内外部的水分梯度增大,加速了裂纹形成。发芽糙米微波干后金黄色外观品质形成的温度为90~132 oC,适于连续式微波干燥的品质控制条件为微波强度4 W/g、风速1.0 m/s、每循环干燥时间10 min和缓苏比1:2。研究结果为发芽糙米等颗粒状物料的微波高效、保质干燥提供了理论与技术依据。