微波干燥玉米籽粒的试验研究

玉米是我国主要粮食作物之一，玉米籽粒收获时含水量较高，再加上收获季节经常遇到连续阴雨天气，若不能及时得到干燥就会出现变质霉烂现象，严重影响玉米的产量和品质，大大降低了其经济效益。传统的农作物干燥是采用热风干燥方式，干燥时物料受热先外后内，干燥效果与干燥质量较差，尤其因玉米籽粒大，单位比面积小，籽粒皮层结构紧密光滑，造成水分不易从籽粒内部向外部转移，特别在高温介质作用下，玉米籽粒表皮的水分急剧汽化，表皮之下的水分不能及时转移，导致压力升高，表皮胀裂，淀粉糊化，淀粉得率下降，干燥后玉米品质明显下降，而且设备结构复杂，难以控制，对干燥工艺和设备要求较高。微波干燥作为一种新兴技术，具有干燥速度快、时间短、热稳定性高、加热均匀性好、产品质量高和杀菌杀虫等独特的优点及其干燥机理，微波干燥已成功地用于医药、食品工业、化工、烟草以及木材加工等领域，但在农产品干燥中的应用起步较晚，而且规模较小。本文通过对玉米籽粒微波干燥的研究，探讨玉米籽粒微波干燥的最佳工艺[1，2]。
1  试验材料、设备与方法
1.1 试验材料与设备
    玉米：掖单19号，由安徽农业大学试验总场提供，原始水分为26.4%，发芽率为93.2%。
    微波炉：WP750-1型微波炉，微波工作频率为2450MHz，可定功率输出工作。根据以前的试验结论，本试验统一选用150W档。
    温度计：辐射TH1-400温度计，精度为±1℃。
    分析天平：TG725C型单盘分析天平，精度为±0.01ｇ。
    电热鼓风干燥箱：101-1型电热恒温箱。
1.2 试验与测定方法
    水分测定：按GB5497-85方法测定，130℃定时烘干法。
    发芽率测定：按GB5520-85方法测定。
    淀粉得率测定：按GB/T5514-85方法测定。
    爆腰率测定：从经过微波处理的玉米籽粒中随机取出100粒，从中挑出有裂纹的粒数，即为玉米的爆腰率（每个样品做三次试验，结果取平均值）。
    试验方法:参照玉米入库贮藏标准，把玉米籽粒的最终含水量定为12%~14%的范围内，按试验要求设定不同单位干燥功率和不同干燥时间对玉米进行微波干燥试验，记录每一时间段的玉米重量和温度。干燥后的样品冷却后测其水分、爆腰率、发芽率和淀粉得率。根据各个时刻的水分含量计算失水速率。
2  试验结果与分析
2.1 玉米籽粒干燥特性
    玉米籽粒干燥特性曲线是干燥过程中玉米绝对水分和干燥时间之间的关系曲线，如图1所示。

    由图1可以得出，随干燥时间的延长，玉米的含水率逐渐下降，原始水分为26.4%的玉米降到14%，采用0.4W/g的功率进行干燥需要大约50分钟，而采用0.15W/g功率干燥需要150分钟左右。可见，单位质量的微波干燥功率越大，失水加快，总干燥时间缩短。
    玉米籽粒干燥速率曲线是干燥过程中任何时间的干燥速率和该时间玉米籽粒的绝对水分的关系曲线，如图2所示。在干燥曲线上各点的切线斜率即为该点绝对水分时相应的干燥速率。
    由图2可以得出，玉米籽粒内含水量减少，失水速率下降，单位质量的微波干燥功率越大，失水速率加快，整个干燥过程可以分为三个阶段：预干燥阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。在预干燥阶段，干燥速率从零开始迅速上升到最高值。在恒速干燥阶段，蒸发的水分基本按直线下降，干燥速率基本是稳定的。这是由于向玉米提供的热量基本全部消耗于以液态转移的水分蒸发，此时，玉米表面水分蒸发速率几乎等于玉米内部水分向外部扩散的速率。当玉米干燥到一定水分时，干燥速率减慢，进入到降速干燥阶段，水分下降逐渐减慢，在干燥末期向平衡水分接近[3~5]。
    玉米籽粒温度特性曲线是干燥过程中玉米温度和干燥时间之间的关系曲线，如图3所示。
由图3可以得出，随单位干燥功率的提高，玉米最高温度升高，而且单位干燥功率越高，温度升高得越快。单位干燥功率为0.4W/g的最高温度为90℃，而单位干燥功率为0.15W/g的最高温度只有50℃左右。
2.2  排湿风速对平均失水速率和温度的影响
    由图4、图5可以得出，排湿风速增加，玉米水分下降减慢，干燥总时间略增，温度也略低。微波干燥时，由于玉米温度高于排湿气流温度，当排湿风速提高后，玉米与周围的对流换热程度增强，用于失水热量相对减少，但因微波干燥时存在一定自模化区，这种影响程度较小。

2.3  单位质量干燥功率对玉米籽粒发芽率、爆腰率和淀粉得率的影响
    由图6左图可以得出，随单位干燥功率的提高，爆腰率升高，发芽率和淀粉得率下降，而且干燥功率越高，爆腰率上升得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。单位干燥功率为0.4W/g的爆腰率高达60%，发芽率只有8%和淀粉得率只有39.6%，而单位干燥功率为0.15W/g的爆腰率只有2%，发芽率为98%和淀粉得率为78.6%。
    由图6中图可以得出，随玉米干燥最高温度的提高，引起玉米爆腰率上升，发芽率和淀粉得率下降，而且玉米干燥最高温度越高，爆腰率升高得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。当玉米最高温度高于60℃时，爆腰率开始大幅度上升，发芽率和淀粉得率开始大幅度下降。可见，玉米微波干燥应避免温度过高，玉米微波干燥最高温度应控制在60℃以下。
    由图6右图可以得出，随玉米干燥平均失水速率的提高，引起玉米爆腰率上升，发芽率和淀粉得率下降，而且玉米干燥平均失水速率越高，爆腰率升高得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。当平均失水速率大于0.15%/min，爆腰率开始大幅度上升，发芽率和淀粉得率也开始大幅度下降。可见，玉米微波干燥应避免平均失水速率过快，玉米微波干燥平均失水速率应控制在0.15%/min以下[6]。

    由图6左图可以得出，随单位干燥功率的提高，爆腰率升高，发芽率和淀粉得率下降，而且干燥功率越高，爆腰率上升得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。单位干燥功率为0.4W/g的爆腰率高达60%，发芽率只有8%和淀粉得率只有39.6%，而单位干燥功率为0.15W/g的爆腰率只有2%，发芽率为98%和淀粉得率为78.6%。
    由图6中图可以得出，随玉米干燥最高温度的提高，引起玉米爆腰率上升，发芽率和淀粉得率下降，而且玉米干燥最高温度越高，爆腰率升高得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。当玉米最高温度高于60℃时，爆腰率开始大幅度上升，发芽率和淀粉得率开始大幅度下降。可见，玉米微波干燥应避免温度过高，玉米微波干燥最高温度应控制在60℃以下。
    由图6右图可以得出，随玉米干燥平均失水速率的提高，引起玉米爆腰率上升，发芽率和淀粉得率下降，而且玉米干燥平均失水速率越高，爆腰率升高得越快，发芽率和淀粉得率下降得越快。当平均失水速率大于0.15%/min，爆腰率开始大幅度上升，发芽率和淀粉得率也开始大幅度下降。可见，玉米微波干燥应避免平均失水速率过快，玉米微波干燥平均失水速率应控制在0.15%/min以下[6]。
3 结论
    玉米微波干燥过程分为预干燥、恒速干燥和降速干燥三个阶段。在预干燥阶段，水分的汽化主要在籽粒的表面，水分蒸发速度比较快；在恒速干燥阶段，水分在籽粒表面的汽化过程已经结束，其蒸发的速度取决于内部水分向表面扩散的速率，蒸发的水分基本按直线下降，干燥速率基本是稳定的。当玉米干燥到一定水分时，干燥速率减慢，进入到降速干燥阶段，水分下降逐渐减慢。因此，可以根据玉米初始含水量进行分段微波干燥。微波干燥玉米籽粒的最佳干燥工艺是单位质量干燥功率为0.2W/g，最高干燥温度不超过60℃，平均失水速率应控制在0.15%/min以下。