近年来,我国稻谷总产量巨大,及时干燥和安全储藏可有效避免稻谷采后损失。传统热风和自然通风干燥效率较低,且干燥稻谷在储藏过程中易发生陈化,品质劣变。针对热风干燥高能耗低效率以及储藏稻谷陈化的问题,基于红外辐射原理加热和稻谷理化性质,研究稻谷红外干燥的动力性特性,开发新型滚筒式红外干燥装置,对比研究红外、热风和自然通风干燥方式对稻谷储藏品质的影响及相关机制,为红外加热在粮食干燥和仓储行业的应用提供理论依据和技术支持。1.稻谷红外薄层干燥特性及对稻米加工品质的影响利用催化式红外薄层加热装置进行稻谷干燥作业,可显著提高稻谷加热和干燥效率,并提升稻谷的加工品质。红外加热过程中,稻谷中水分子对红外辐射的强吸收作用,稻谷温度梯度和水分扩散方向一致,加热和干燥速率远大于热风和自然通风干燥。经红外加热58 s后,稻谷温度从室温上升至60℃,水分含量降低2.17个百分点。稻谷在后续自然冷却过程中,在无额外能量输入的前提下,可继续使水分含量降低1.20个百分点。在干燥初期,干燥速率恒定,红外、自然通风和热风干燥在干燥初期的平均干燥速率分别为1.68×10-2、9.04×10-5和8.13×10-4 kg H20/(kg稻谷·min),红外干燥平均速率分别是热风和自然通风干燥速率的21和186倍。基于红外干燥中的热质平衡,对稻谷干燥的数学模型进行了研究,提出稻谷干燥的衡算方程:该式分析了稻谷加热和干燥速率的动态关系,对红外干燥稻谷的应用提供参考依据。红外干燥样品精米率和整精米率与自然通风干燥样品差异不显著(p>0.05),加工精米的白度提升了3.99%。在储藏过程中,所有样品精米率无明显变化,整精米率缓慢上升,白度总体呈现下降的趋势。红外干燥样品以稻谷和糙米形式储藏4个月后,其白度下降程度分别比对应的自然通风干燥样品减少了82.2%和47.9%,主要是由于红外干燥时,稻谷脂肪酶活性下降,抑制了脂质的降解氧化,减少了有色氧化产物的产生。2.红外滚筒干燥装置的开发与工艺优化及干燥动力学研究基于红外干燥机理和稻谷的散状物料属性,开发新型红外滚筒干燥装置,实现稻谷连续干燥,提高干燥单位产量,且具有较好的加热均匀性。通过对稻谷滚筒干燥的传热传质分析,建立滚筒干燥模型,提出稻谷红外滚筒干燥的平衡方程:通过四因素三水平中心复合响应面试验,分析稻谷载样量、功率、干燥时间和滚筒转速等四个干燥参数对稻谷温度、降水百分比和干燥单位能耗的影响,并得到稻谷红外滚筒加热和干燥的拟合方程,决定系数均大于0.90。优化得到的最优工艺参数为干燥时间62.4 s,功率为1698 W,稻谷加载量为522 g,旋转速率为10.4 rpm。此时,该装置单位干燥稻谷量可达31.3 kg/h。在此条件下,干燥后稻谷温度满足60±2℃,单位干燥产量最大而能耗最小,并具有良好的加热均匀性。验证实验结果表明优化工艺可靠有效。通过与自然通风干燥稻谷加工品质比较,该优化工艺条件下干燥的稻谷加工品质良好,无显著性差异(p>0.05)。3.红外干燥对储藏稻米脂质和挥发性气体成分的影响及相关机理通过对储藏的红外干燥稻米脂质和挥发性气体成分的分析,结果表明:储藏稻米的游离脂肪酸值持续上升,过氧化值波动上升,而碘值持续下降,常温条件下可检测的挥发性成分种类显著下降,香味成分逐渐减少,醛酮类恶劣气味成分种类及相对含量逐渐增加。与自然通风干燥相比,红外干燥显著降低了脂肪酶活性(下降65.8%),对脂肪氧化酶有一定的抑制作用(下降11.3%)。红外干燥样品以稻谷和糙米形式储藏10个月后,其游离脂肪酸浓度上升值比自然通风干燥样品分别降低了59.5%和54.7%,挥发性成分中己醛相对含量增加值分别降低了18.0%和22.5%。通过对稻米脂质降解氧化及挥发性成分变化机理的分析发现,红外加热过程中,稻谷被加热至60℃后缓苏4 h,脂肪酶和脂肪氧化酶活性降低,延缓了稻米脂质的氧化,抑制了储藏稻米游离脂肪酸和过氧化物的产生,减少了醛酮等脂质氧化的终产物的产生,尤其是减缓了己醛的相对含量增加,从而减弱了储藏稻米的陈米臭味。因此,红外干燥可提升储藏稻米的脂质稳定性,为实现糙米在常温安全储藏提供了途径。4.红外干燥对储藏稻米主要理化特性的影响及相关机理通过对储藏的红外干燥稻米主要理化特性分析,结果表明:随着储藏时间的延长,储藏样品持续黄化,直链淀粉含量逐渐上升,内部蛋白质和淀粉颗粒逐渐聚集,结构趋于紧凑,胚乳细胞壁逐渐消失,米粉加热过程中凝胶化温度、所需热焓量、峰值黏度和崩解黏度先上升后下降,而冷却过程中的最终黏度和回生黏度持续上升。红外干燥样品以稻谷、糙米和精米形式储藏4个月后,其黄化程度分别比自然通风干燥样品下降26.3%、47.9%和26.2%,凝胶和糊化特性的变化程度均小于自然通风干燥样品。由于红外干燥抑制了稻米脂肪酶和脂肪氧化酶的活性,延缓稻米脂质的降解氧化,减少黄色氧化产物对精米颜色的影响。同时,红外干燥对稻谷淀粉和蛋白质具有一定的退火和变性效果,提高了淀粉颗粒和蛋白质空间结构的稳定性,减弱了稻米颗粒内部淀粉和蛋白质富集区域的内聚效应,从而降低了淀粉凝胶化温度和所需的热焓量,减少了糊化黏度的变化程度。5.红外干燥对储藏稻米蒸煮品质和米饭质构特性的影响通过对储藏的红外干燥稻米蒸煮品质以及米饭质构特性的研究,结果表明:储藏稻米蒸煮过程中水分吸收和体积膨胀率上升,固形物损失率下降,米饭硬度上升,黏着性下降。经相关性分析,直链淀粉含量、蒸煮品质和米饭质地紧密相关。水分吸收率、体积膨胀率、硬度和直链淀粉含量呈正相关,固形物损失率与黏着性呈正相关,与水分吸收率、体积膨胀率、硬度和直链淀粉含量分别呈负相关。红外干燥样品储藏4个月后,蒸煮后精米的水分吸收率和体积膨胀率的上升值比自然通风干燥的样品降低了41.7%和14.5%以上,硬度上升和黏着性下降幅度亦小于自然通风干燥样品。红外干燥对淀粉和蛋白质的退火和变性作用,提高了稻米内部蛋白质、淀粉颗粒及细胞结构的稳定性,减弱了蛋白质和淀粉在储藏期间的内聚效应,使蛋白质和淀粉结构在储藏期间变化较小。因此,在储藏期间,红外干燥样品的水分吸收和体积膨胀率的上升幅度比自然通风干燥样品低,使得蒸煮和食用品质得到良好的保持。