提高稻谷加工整精米率的原理方法.docx

    提高稻谷加工整精米率的原理方法    李兴军 刘静静 徐咏宁 王若兰Summary：整精米率是稻谷研磨加工的最重要参数本文概述了影响整精米率的因素如稻谷收获条件、干燥工艺、籽粒的物理化学特性、研磨系统组成的类型及效率，以及仿真模型稻谷籽粒玻璃化转变温度（Tg）是含水率的函数，如果干燥后的缓苏工艺在Tg下进行，米粒的外部层是玻璃態，而中心仍然是橡胶态，则引起裂纹缓苏允许水分从稻谷籽粒内部扩散到外部表面，减少了水分梯度进而减少裂纹最小化稻谷裂纹和破裂，需要研发干燥期间材料胁迫和变形的预测模型，了解米粒中张力强度，预测其破裂同时从稻谷水分吸附/解吸等温线上查寻TgKey：稻谷 整精米率 破碎机理 玻璃化转变温度 平衡水分粮农组织（FAO）在2014年报道世界上稻谷总产量是472.25百万吨到2025年，世界上100亿人口要依靠稻米为主食，需求量880百万吨FAO在2004年报道稻谷收获后损失量占总产量的15%-6%，其中9%损失主要是由于采用陈旧和落后的干燥技术、加工方法，还有不科学的储存运输及处理技术，而在稻谷生产者一方损失2%-3%收获后损失是生产环节和生产后操作期间多种因素的综合构成。

我国中央储备粮管理总公司采用和普及现代化绿色生态储粮技术，迄今智能化储粮的覆盖率达95%，粮食损失率不到1%[1]精米就是采用机械设备除去了稻谷壳、胚芽和麸皮层的大米整精米就是稻谷研磨加工后籽粒长度等于完整粒3/4的精米，碎米是米粒长度在完整粒的3/4-1/4之间我国稻谷标准GB1350-2009规定籼（粳）稻谷研磨的1、2、3、4、5级整精米率分别≥50%（61%）、47%（58%）、44%（55%）、41%（52%）、38%（49%），这表明我国稻谷研磨加工的碎米产量通过科技创新有一定的下降空间本文介绍整精米率的影响因素及调控方法研究进展，以期为我国稻谷储存流通中整精米率提高和粮食减损提供参考一、影响整精米率的因素及评价方法（一）影响整精米的因素整精米价格是碎米的2-3倍评价稻谷研磨的效率采用的指标是整精米率（HRY）和白度，而不是大米的售价稻谷研磨效率也受籽粒形状、大小及干净度所影响（Conway 1991）提高稻谷研磨品质的途径有改进育种程序及栽培技术，优化收获和干燥条件[2]7个美国品种收获的最佳含水率范围是13.8%-17.7%，推迟稻谷收获时间则减少HRY（Jodari and Linscombe 1996）。

改进稻谷收获后管理及优化干燥条件，可减少籽粒裂纹发生收获后处理操作期间稻谷快速吸附或解吸水分则引起米粒裂纹（Cnossen et al 2003）稻谷收获后立即进行人工干燥是米粒裂纹的主要原因之一，米粒破裂率随稻谷干燥气流含水率的减少而快速地增加（Peuty et al 1994）水分梯度导致米粒内张力和压缩胁迫，如果足够大，引起米粒裂纹破裂，缓苏则通过加快水分从籽粒核心扩散到表面，使得米粒内水分分布更均匀 （Cihan and Ece 2001）通常不可见的裂纹导致研磨期间籽粒破碎率高稻谷研磨加工期间摩擦、擦皮增加了籽粒表面温度，诱导籽粒热胁迫，导致破裂产生，减少整精米率[3]高温高湿的气候条件对稻谷研磨产量有决定性影响稻谷温度与研磨环境温度之间的差异降低研磨系统的效率，研磨环境的RH对研磨系统的效率影响显著（Autrey et al 1995）当夏天环境温度在40-50℃之间，研磨期间稻米温度从30℃可波动到研磨后的45℃，粮温增加会引起米粒热胁迫粮温的变化与整粒米率（HRY）是负相关关系二）整精米的评价方法研磨试验在竖向研磨车间进行，最佳条件是含水率15%，轴角速度900 min-1，50号网格大小的金刚砂石，零出口阻力，研磨速率2.3 t/h [4]。

基于精米的胚粘附率、碎米率、白度进行工艺优化带有白色胚的大米，具有珍贵的营养成分和纤维稻谷研磨特性影响大米胚的粘附率采用图像处理技术可以确定精米的品质参数，能够客观、规则地检测研磨操作，便于操作者在几分钟内快速反应，改变材料的特性数字图像分析可用于确定整精米产量;对精米样品记录三维特征（长、投影面积的周长），并计算特征尺寸比率（CDR）CDR定义为所有整精米籽粒的尺寸特征之和与样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）精米籽粒的两维图像能够用于定量评价HRY和监测研磨程度，更好地控制大米研磨操作从两维图像可估算品质参数白度和HRY，而关联的平均灰度分析则指示米粒表面的脂肪浓度（Fant et al 1994）从精米样品的数字化图像获得灰色水平分布的平均值，可估算精米的总白度数字图像分析估计的米粒表面麸皮层，与化学法测定的表面脂肪浓度是相关的（Liu et al 1998）李兴军等[5]根据FCF快绿染料碱性溶液与淀粉结合的原理，建立了大米破碎指数的化学检测方法三）玻璃化转变温度（Tg）Sharma 和Kunz （1982）解释稻谷干燥和缓苏期间的米粒裂纹，引入了玻璃化转变温度（Tg）概念。

目前认为，稻谷干燥和缓苏过程中采用的温度范围内，发生了淀粉相态转变，在米粒裂纹中起重要作用[6]稻谷籽粒是含水率（M）的函数（图1），如55℃干燥的“准两优”长粒[7-8]稻谷Tg=59.61-0.79M当籽粒温度穿过它的Tg，米粒的膨胀系数、比体积、扩散率显著变化干燥后的缓苏工艺如果在下进行，那么在米粒的两部位产生不同的膨胀系数，外部层是玻璃态，而中心仍然是橡胶态，则引起籽粒裂纹（Cnossen et al 2003）图2是稻谷干燥后冷却过程籽粒各部分温度和含水率的变化，籽粒表面、中间及中心存在水分梯度Cihan 和Ece（2001）发现在较高温度（60°C）的橡胶态，或者高于，快速除去一定数量的水分，整精米产量降低不显著Iguaz 等[9]进一步指出，约80°C高温干燥后在60°C缓苏能够节省时间，不降低米粒品质依赖于操作条件，干燥温度的减少和缓苏时间的延长增加了HRY 68%-74%German等（2000）推论，干燥温度≤70°C，在两步干燥之间对16%含水率的稻谷插入缓苏时间，整精米产量满意，褐变指数可接受定量分析稻谷干燥过程，用到的三个重要的热特性参数是热传导率、比热和热扩散率。

Yang 等（2003）指出在温度约53℃，稻谷品种Calora 发生碎米百分率快速增加，它的籽粒热膨胀速率显著增加稻谷热传导率随含水率增加而增加低于Tg，热传導率不变化;高于Tg热传导率显著增加稻谷直链淀粉和蛋白含量的差异影响其热特性，由于它们影响淀粉晶体度（Perdon et al 2000）为了深入了解裂纹的本质，就要充分了解米粒的机械学特性包括张力、压缩及弯曲强度（Lu and Siebenmorgen 1995）如果在干燥后忽略缓苏工艺，当米粒从橡胶态转变为玻璃态，干燥过程或之后米粒可能发生裂纹缓苏工艺是保持HRY的一个有效方式，否则干燥时间段延长HRY就减少（Cnossen and Siebenmorgen 2000）裂纹在干燥或解吸过程能够被启动和传播另外，稻谷淀粉分子结构中支链淀粉半晶体部分随储藏时间发生晶体化的程度，主要取决于储藏温度与特定淀粉分子Tg之间的差值[10]四）研磨程度（DOM）与米粒营养品质的关系稻谷的研磨程度（DOM）是由品种决定的[11]，稻谷的大多数物理特性显著影响DOM稻谷籽粒长度、长宽比率与DOM是正相关，而籽粒宽度、厚度、球面积、堆密度与DOM是负相关[12]。

在所有研磨期间（0-100s），籽粒表面积和真密度对DOM没有显著影响（Liang et al 2008）DOM影响精米的营养品质已经报道了研磨程度影响硒[13]、蛋白（28.6%）、总灰分（84.7%）（Lamberts et al 2007）、铁（24%-84%）的损失加重米糠层除去直接相关于大米白度（Park et al 2001）二、提高稻谷研磨效率的原理研磨期间，胁迫破裂（裂纹）引起米粒的破碎裂纹的主要影响因素是稻谷品种、收获后管理操作、干燥方法及操作条件一）稻谷含水率及收获方法稻谷含水率对研磨系统的产量具有显著影响，在含水率10%-14%范围，水分降低1%，它就增加0.7%-3%（Pominski et al 1961）采用3个摩擦变白机系列，其中一个变白机作为抛光机，在含水率12%-14%湿基，稻谷研磨的米粒破碎最少 （Afzalinia et al 2002）研磨期间米粒破碎率随着米粒直径减少而增加，也随着稻谷含水率在12%-16%范围增大而增加（Dilday 1987）为了高质量研磨工艺中合理的米粒破碎率，稻谷必须在最佳含水率和合适的成熟阶段收获（Luh 1991）稻谷收获的方法也影响研磨期间米粒破碎，收割机收获的稻谷破碎率比人工收获的高5%。

二）干燥和缓苏工艺稻谷干燥期间，水分从籽粒表面蒸发，接着水分从籽粒中心部位向表面扩散，引起籽粒外部层的压迫力和内部层的张力当籽粒表面的压迫力超过内部的张力强度，籽粒将裂纹（Li et al 1999）在研磨加工时，裂纹的籽粒则可能断裂米粒的裂纹率随干燥气流温度和蒸发容量增加而增加（Bonazzi et al 1997）如果蒸发容量高的空气用作干燥温度、相对湿度（RH）的函数，就降低稻谷品质当干燥空气是高RH，干燥温度可达到80 °C，不影响谷粒加工品质（Abud et al 2000）稻谷干燥后在高温（60°C）缓苏，除去较多的含水率，干燥时间缩短38%以上与稻谷一步干燥相比，干燥分成两步或三步进行，籽粒裂纹率显著减少在高温缓苏则减少籽粒裂纹率，增加了整精米率为了达到含水率除去6%，且不影响稻谷品质，在两步干燥中带有干燥后60°C缓苏，效果好，节省能量[14]许多干燥方法如热空气、太阳能、过热蒸汽、流化床及真空干燥，用于研究干燥条件对蒸谷米的影响干燥温度对蒸谷米HRY具有负影响，缓苏时间则有正影响（Elbert et al 2001）褐变指数主要受所用的干燥气流温度所影响预汽蒸稻谷中发生了半糊化，米粒的强度和硬度增加（Kato et al 1983）。

预汽蒸时间增加半蒸谷米HRY、凝胶糊化程度及糊糊化温度，减少半蒸谷米的白色腹部[15]Sutherland和 Ghaly （1992）对稻谷使用热空气流化技术，包括80°C处理5 h，102°C预汽蒸70s，热空气流化技术140 °C干燥2 min，缓苏30 min，在环境空气温度下通风直到最终含水率是12.3%-13.8%湿基分析采用热空气流化床干燥稻谷的经济可行性，发现整精米产量相关于最终含水率稻谷最初含水率的增加引起整精米产量的增加流化床干燥中稻谷含水量快速下降而引起籽粒内胁迫发生，引起整精米率降低，降低精米品质及价值（Soponronnarit and Prachayawarakorn 1994）为了最大化整精米产量，在干燥第一个阶段后推荐缓苏环节，可减少水分胁迫（Cnossen et al 2003）从蒸谷米除去大量的水需要分散在多阶段干燥，以促进米粒水分平衡，显著减少研磨期间米粒破碎过热的蒸汽干燥优点是，干燥速率大、产品脱除臭味（Iyota et al 2002）第一阶段干燥和缓苏后稻谷含水率对整精米率和将含水率从高降到安全水平的操作时间具有重要的影响第一阶段在150°C汽蒸，第一阶段干燥后含水率不应该低于18.4%湿基，随后的缓苏处理至少25 min [16]。

较长的间歇比率或较短的单元干燥时间，产生较低的大米裂纹百分率稻谷干燥后米粒不立刻裂纹，可采取方法阻止裂纹形成（Bautista et al 2000）与低温10°C储藏比较，稻谷品种Brazos 60°C干燥后45°C缓苏减少。