干燥过程中水稻应力裂纹的形成机理

干燥过程中水稻应力裂纹的形成机理

水稻是具有湿敏特性的生物材料。只要低含水量的水稻颗粒位于湿润的环境中，就会从外部吸收水分，并产生较大的压力裂纹（通常称为压缩）。在水稻生产的各个加工环节（收获、干燥、运输和贮藏）中，加工方法和工艺的选择直接影响水稻的应力裂纹率。收获后干燥工艺是影响水稻应力裂纹率的主要因素。Kunze认为，水稻快速干燥后的颗粒内部存在的水分梯度是引起应力裂纹的主要原因。据Bonazzi报道，不能单纯地用热风温度来解释水稻干燥过程的应力裂纹，干燥过程中热风温度是影响干燥速率和干燥时间的主要因素；水稻应力裂纹率随干燥过程中干空气湿含量的减小而增大。Bonazzi的研究结果表明，用温度为80℃，相对湿度为87%的热风与用温度为45℃，相对湿度为54%的热风相比较，水稻干燥后品质不变（碾米后整米出率>94%)。干燥后贮藏方法不合理，也会导致水稻颗粒出现应力裂纹。出现应力裂纹的水稻颗粒直接影响其加工品质，应力裂纹严重时甚至会大大降低大米的食用品质和商业价值。因此，选择合理的干燥和贮藏工艺，对于稻米品质改善和商业价值提高有重要的现实意义。本研究的主要目的是通过不同条件（干燥、吸湿）下的水稻应力裂纹试验，研究水稻应力裂纹产生条件和影响应力裂纹率的主要因素，以探求水稻产生应力裂纹的内部机理。1应力裂纹的种类水稻颗粒应力裂纹的产生与很多因素相关，其中包括水稻品种、收获时间和工艺、含水率、干燥工艺参数、贮藏环境条件等。在水稻生产加工过程中，吸湿（干燥）使内部出现水分梯度和温度梯度，因此谷粒内部将产生不均匀的膨胀或收缩，从而导致内部形成应力，当内应力超过谷粒的极限强度时，就会形成应力裂纹。研究表明，水稻颗粒应力裂纹一般是沿横轴方向扩展，根据应力裂纹的形式和裂纹程度，试验中将应力裂纹分为a）轻度裂纹，横轴方向出现裂纹，但未贯穿米粒，在爆腰灯下也不易发现；b）重度裂纹，应力裂纹贯穿整个米粒的横轴方向，其中包括单裂（一条裂纹）和多裂（多条裂纹）；c）龟裂，在横轴方向和纵轴方向出现交叉裂纹。2含水率和应变试验材料是北京海淀区唐家岭地区当年产的新鲜水稻。所有试验中含水率测定采用105℃，24h烘箱法；采用人工剥壳后在爆腰灯下观测应力裂纹情况。文中应力裂纹率是指除去初始应力裂纹率后的应力裂纹率增量。2.1干燥温度和湿度将收获后的新鲜水稻在低温条件下密封保存48h，当含水率达到均匀时，利用薄层干燥试验台对水稻进行烘干处理。水稻的初始含水率为26.7%，应力裂纹率为2%,环境温度为18℃，相对湿度为55%，干燥所用热风温度分别为45℃、50℃、55℃和60℃，干燥热风速度为0.15m/s，将水稻烘干至含水率为12.3%，立刻测定烘干后水稻应力裂纹率。在环境温度为18℃，相对湿度为55%的条件下，对烘干后水稻进行密封保存，存放24h内每隔2h取样测定水稻的应力裂纹率。2.2温度和湿度对糙米含水率的影响将制备的水稻样品（湿基含水率为12.5%，初始应力裂纹率4%）在室温条件下密封保存48h，含水率平衡后，分别置于(1)温度为20℃,相对湿度为85%;(2)温度为20℃，相对湿度为95%;(3)温度为30℃，相对湿度为85%;(4)温度为30℃，相对湿度为95%条件下吸湿，每间隔30min取样测定含水率和应力裂纹率。在相同条件下，对糙米重复以上吸湿试验。试验所需湿度环境采用不同温度下KCl和KBr的饱和盐溶液来获得。3分析与讨论的结果3.1热风温度对水稻颗粒水分扩散的影响图1(a）为水稻经干燥结束立即测得的应力裂纹率，图1(b）为干燥后存放期内应力裂纹率的变化规律。图2表明水稻干燥应力裂纹率随着干燥温度的提高而增大，干燥过程并不是应力裂纹形成的主要阶段，干燥后的存放期间，尤其是前4～8h内应力裂纹率增加显著，随后裂纹率增加逐渐减缓，存放24h后，裂纹率基本上不发生变化。从干燥时间上看，随着热风温度的增加，干燥到相同含水率所需时间大大降低：当热风温度为45℃需240min，当风温为60℃时干燥时间仅为85min。热风温度升高15℃，干燥速度提高了近2倍，干燥后水稻的裂纹率也增加了近6倍。根据干燥过程中热质传递特点，水稻颗粒水分的内部扩散小于外部蒸发速度，当含水率较低时表现得更明显。人工干燥条件下，随热风温度的升高，水稻颗粒表面水分蒸发速度大大提高，而对内部水分扩散速度的影响却很小。干燥过程中由于表面水分蒸发速度高于内部水分扩散速度，则干燥后水稻颗粒会形成“内湿外干”的水分梯度，而且干燥温度越高，干燥后水稻颗粒内部的水分梯度越大。干燥结束后，颗粒内部水分梯度在冷却过程中进行重新分布，其内部水分逐渐向外扩散，颗粒表层吸水膨胀，对心部产生拉应力，当拉应力达到极限时，水稻颗粒就会产生应力裂纹。因此，干燥热风温度的升高（尤其物料温度>50℃时）会增加干燥后水稻的应力裂纹率，干燥后水稻存放阶段，是其应力裂纹的主要形成时期，快速干燥后形成的水分梯度是干燥应力裂纹产生的主要原因。3.2温度和湿度对应力裂纹率的影响图2为初始含水率为12.5%(w.b．）的水稻在不同吸湿条件下应力裂纹率随时间的变化规律。在吸湿过程中，环境相对湿度越大，应力裂纹率越高；环境温度越高，应力裂纹率也越高。随着环境相对湿度和温度的升高，在水稻颗粒表面与内部形成的水分梯度增大，使得颗粒表面迅速膨胀而对心部产生较大的拉应力，因此水稻颗粒应力裂纹的可能性增大。试验结果也较好的验证了这一点。4温度对应力裂纹的影响a）干燥过程不是应力裂纹产生的主要阶段，应力裂纹率在干燥结束后的存放期的4～8h增加显著；干燥温度的升高能有效地