干燥過程中水稻應(yīng)力裂紋的形成機理

干燥過程中水稻應(yīng)力裂紋的形成機理

水稻是具有濕敏特性的生物材料。只要低含水量的水稻顆粒位于濕潤的環(huán)境中，就會從外部吸收水分，并產(chǎn)生較大的壓力裂紋（通常稱為壓縮）。在水稻生產(chǎn)的各個加工環(huán)節(jié)（收獲、干燥、運輸和貯藏）中，加工方法和工藝的選擇直接影響水稻的應(yīng)力裂紋率。收獲后干燥工藝是影響水稻應(yīng)力裂紋率的主要因素。Kunze認(rèn)為，水稻快速干燥后的顆粒內(nèi)部存在的水分梯度是引起應(yīng)力裂紋的主要原因。據(jù)Bonazzi報道，不能單純地用熱風(fēng)溫度來解釋水稻干燥過程的應(yīng)力裂紋，干燥過程中熱風(fēng)溫度是影響干燥速率和干燥時間的主要因素；水稻應(yīng)力裂紋率隨干燥過程中干空氣濕含量的減小而增大。Bonazzi的研究結(jié)果表明，用溫度為80℃，相對濕度為87%的熱風(fēng)與用溫度為45℃，相對濕度為54%的熱風(fēng)相比較，水稻干燥后品質(zhì)不變（碾米后整米出率>94%)。干燥后貯藏方法不合理，也會導(dǎo)致水稻顆粒出現(xiàn)應(yīng)力裂紋。出現(xiàn)應(yīng)力裂紋的水稻顆粒直接影響其加工品質(zhì)，應(yīng)力裂紋嚴(yán)重時甚至?xí)蟠蠼档痛竺椎氖秤闷焚|(zhì)和商業(yè)價值。因此，選擇合理的干燥和貯藏工藝，對于稻米品質(zhì)改善和商業(yè)價值提高有重要的現(xiàn)實意義。本研究的主要目的是通過不同條件（干燥、吸濕）下的水稻應(yīng)力裂紋試驗，研究水稻應(yīng)力裂紋產(chǎn)生條件和影響應(yīng)力裂紋率的主要因素，以探求水稻產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的內(nèi)部機理。1應(yīng)力裂紋的種類水稻顆粒應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生與很多因素相關(guān)，其中包括水稻品種、收獲時間和工藝、含水率、干燥工藝參數(shù)、貯藏環(huán)境條件等。在水稻生產(chǎn)加工過程中，吸濕（干燥）使內(nèi)部出現(xiàn)水分梯度和溫度梯度，因此谷粒內(nèi)部將產(chǎn)生不均勻的膨脹或收縮，從而導(dǎo)致內(nèi)部形成應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過谷粒的極限強度時，就會形成應(yīng)力裂紋。研究表明，水稻顆粒應(yīng)力裂紋一般是沿橫軸方向擴展，根據(jù)應(yīng)力裂紋的形式和裂紋程度，試驗中將應(yīng)力裂紋分為a）輕度裂紋，橫軸方向出現(xiàn)裂紋，但未貫穿米粒，在爆腰燈下也不易發(fā)現(xiàn)；b）重度裂紋，應(yīng)力裂紋貫穿整個米粒的橫軸方向，其中包括單裂（一條裂紋）和多裂（多條裂紋）；c）龜裂，在橫軸方向和縱軸方向出現(xiàn)交叉裂紋。2含水率和應(yīng)變試驗材料是北京海淀區(qū)唐家?guī)X地區(qū)當(dāng)年產(chǎn)的新鮮水稻。所有試驗中含水率測定采用105℃，24h烘箱法；采用人工剝殼后在爆腰燈下觀測應(yīng)力裂紋情況。文中應(yīng)力裂紋率是指除去初始應(yīng)力裂紋率后的應(yīng)力裂紋率增量。2.1干燥溫度和濕度將收獲后的新鮮水稻在低溫條件下密封保存48h，當(dāng)含水率達到均勻時，利用薄層干燥試驗臺對水稻進行烘干處理。水稻的初始含水率為26.7%，應(yīng)力裂紋率為2%,環(huán)境溫度為18℃，相對濕度為55%，干燥所用熱風(fēng)溫度分別為45℃、50℃、55℃和60℃，干燥熱風(fēng)速度為0.15m/s，將水稻烘干至含水率為12.3%，立刻測定烘干后水稻應(yīng)力裂紋率。在環(huán)境溫度為18℃，相對濕度為55%的條件下，對烘干后水稻進行密封保存，存放24h內(nèi)每隔2h取樣測定水稻的應(yīng)力裂紋率。2.2溫度和濕度對糙米含水率的影響將制備的水稻樣品（濕基含水率為12.5%，初始應(yīng)力裂紋率4%）在室溫條件下密封保存48h，含水率平衡后，分別置于(1)溫度為20℃,相對濕度為85%;(2)溫度為20℃，相對濕度為95%;(3)溫度為30℃，相對濕度為85%;(4)溫度為30℃，相對濕度為95%條件下吸濕，每間隔30min取樣測定含水率和應(yīng)力裂紋率。在相同條件下，對糙米重復(fù)以上吸濕試驗。試驗所需濕度環(huán)境采用不同溫度下KCl和KBr的飽和鹽溶液來獲得。3分析與討論的結(jié)果3.1熱風(fēng)溫度對水稻顆粒水分?jǐn)U散的影響圖1(a）為水稻經(jīng)干燥結(jié)束立即測得的應(yīng)力裂紋率，圖1(b）為干燥后存放期內(nèi)應(yīng)力裂紋率的變化規(guī)律。圖2表明水稻干燥應(yīng)力裂紋率隨著干燥溫度的提高而增大，干燥過程并不是應(yīng)力裂紋形成的主要階段，干燥后的存放期間，尤其是前4～8h內(nèi)應(yīng)力裂紋率增加顯著，隨后裂紋率增加逐漸減緩，存放24h后，裂紋率基本上不發(fā)生變化。從干燥時間上看，隨著熱風(fēng)溫度的增加，干燥到相同含水率所需時間大大降低：當(dāng)熱風(fēng)溫度為45℃需240min，當(dāng)風(fēng)溫為60℃時干燥時間僅為85min。熱風(fēng)溫度升高15℃，干燥速度提高了近2倍，干燥后水稻的裂紋率也增加了近6倍。根據(jù)干燥過程中熱質(zhì)傳遞特點，水稻顆粒水分的內(nèi)部擴散小于外部蒸發(fā)速度，當(dāng)含水率較低時表現(xiàn)得更明顯。人工干燥條件下，隨熱風(fēng)溫度的升高，水稻顆粒表面水分蒸發(fā)速度大大提高，而對內(nèi)部水分?jǐn)U散速度的影響卻很小。干燥過程中由于表面水分蒸發(fā)速度高于內(nèi)部水分?jǐn)U散速度，則干燥后水稻顆粒會形成“內(nèi)濕外干”的水分梯度，而且干燥溫度越高，干燥后水稻顆粒內(nèi)部的水分梯度越大。干燥結(jié)束后，顆粒內(nèi)部水分梯度在冷卻過程中進行重新分布，其內(nèi)部水分逐漸向外擴散，顆粒表層吸水膨脹，對心部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達到極限時，水稻顆粒就會產(chǎn)生應(yīng)力裂紋。因此，干燥熱風(fēng)溫度的升高（尤其物料溫度>50℃時）會增加干燥后水稻的應(yīng)力裂紋率，干燥后水稻存放階段，是其應(yīng)力裂紋的主要形成時期，快速干燥后形成的水分梯度是干燥應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的主要原因。3.2溫度和濕度對應(yīng)力裂紋率的影響圖2為初始含水率為12.5%(w.b．）的水稻在不同吸濕條件下應(yīng)力裂紋率隨時間的變化規(guī)律。在吸濕過程中，環(huán)境相對濕度越大，應(yīng)力裂紋率越高；環(huán)境溫度越高，應(yīng)力裂紋率也越高。隨著環(huán)境相對濕度和溫度的升高，在水稻顆粒表面與內(nèi)部形成的水分梯度增大，使得顆粒表面迅速膨脹而對心部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，因此水稻顆粒應(yīng)力裂紋的可能性增大。試驗結(jié)果也較好的驗證了這一點。4溫度對應(yīng)力裂紋的影響a）干燥過程不是應(yīng)力裂紋產(chǎn)生的主要階段，應(yīng)力裂紋率在干燥結(jié)束后的存放期的4～8h增加顯著；干燥溫度的升高能有效地