干燥過程中水稻應力裂紋的形成機理

干燥過程中水稻應力裂紋的形成機理

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，并產生較大的壓力裂紋（通常稱為壓縮）。在水稻生產的各個加工環(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力裂紋率。收獲后干燥工藝是影響水稻應力裂紋率的主要因素。Kunze認為，水稻快速干燥后的顆粒內部存在的水分梯度是引起應力裂紋的主要原因。據Bonazzi報道，不能單純地用熱風溫度來解釋水稻干燥過程的應力裂紋，干燥過程中熱風溫度是影響干燥速率和干燥時間的主要因素；水稻應力裂紋率隨干燥過程中干空氣濕含量的減小而增大。Bonazzi的研究結果表明，用溫度為80℃，相對濕度為87%的熱風與用溫度為45℃，相對濕度為54%的熱風相比較，水稻干燥后品質不變（碾米后整米出率>94%)。干燥后貯藏方法不合理，也會導致水稻顆粒出現應力裂紋。出現應力裂紋的水稻顆粒直接影響其加工品質，應力裂紋嚴重時甚至會大大降低大米的食用品質和商業(yè)價值。因此，選擇合理的干燥和貯藏工藝，對于稻米品質改善和商業(yè)價值提高有重要的現實意義。本研究的主要目的是通過不同條件（干燥、吸濕）下的水稻應力裂紋試驗，研究水稻應力裂紋產生條件和影響應力裂紋率的主要因素，以探求水稻產生應力裂紋的內部機理。1應力裂紋的種類水稻顆粒應力裂紋的產生與很多因素相關，其中包括水稻品種、收獲時間和工藝、含水率、干燥工藝參數、貯藏環(huán)境條件等。在水稻生產加工過程中，吸濕（干燥）使內部出現水分梯度和溫度梯度，因此谷粒內部將產生不均勻的膨脹或收縮，從而導致內部形成應力，當內應力超過谷粒的極限強度時，就會形成應力裂紋。研究表明，水稻顆粒應力裂紋一般是沿橫軸方向擴展，根據應力裂紋的形式和裂紋程度，試驗中將應力裂紋分為a）輕度裂紋，橫軸方向出現裂紋，但未貫穿米粒，在爆腰燈下也不易發(fā)現；b）重度裂紋，應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交叉裂紋。2含水率和應變試驗材料是北京海淀區(qū)唐家?guī)X地區(qū)當年產的新鮮水稻。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力裂紋情況。文中應力裂紋率是指除去初始應力裂紋率后的應力裂紋率增量。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%，干燥所用熱風溫度分別為45℃、50℃、55℃和60℃，干燥熱風速度為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內每隔2h取樣測定水稻的應力裂紋率。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力裂紋率。在相同條件下，對糙米重復以上吸濕試驗。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分析與討論的結果3.1熱風溫度對水稻顆粒水分擴散的影響圖1(a）為水稻經干燥結束立即測得的應力裂紋率，圖1(b）為干燥后存放期內應力裂紋率的變化規(guī)律。圖2表明水稻干燥應力裂紋率隨著干燥溫度的提高而增大，干燥過程并不是應力裂紋形成的主要階段，干燥后的存放期間，尤其是前4～8h內應力裂紋率增加顯著，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，隨著熱風溫度的增加，干燥到相同含水率所需時間大大降低：當熱風溫度為45℃需240min，當風溫為60℃時干燥時間僅為85min。熱風溫度升高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。根據干燥過程中熱質傳遞特點，水稻顆粒水分的內部擴散小于外部蒸發(fā)速度，當含水率較低時表現得更明顯。人工干燥條件下，隨熱風溫度的升高，水稻顆粒表面水分蒸發(fā)速度大大提高，而對內部水分擴散速度的影響卻很小。干燥過程中由于表面水分蒸發(fā)速度高于內部水分擴散速度，則干燥后水稻顆粒會形成“內濕外干”的水分梯度，而且干燥溫度越高，干燥后水稻顆粒內部的水分梯度越大。干燥結束后，顆粒內部水分梯度在冷卻過程中進行重新分布，其內部水分逐漸向外擴散，顆粒表層吸水膨脹，對心部產生拉應力，當拉應力達到極限時，水稻顆粒就會產生應力裂紋。因此，干燥熱風溫度的升高（尤其物料溫度>50℃時）會增加干燥后水稻的應力裂紋率，干燥后水稻存放階段，是其應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力裂紋產生的主要原因。3.2溫度和濕度對應力裂紋率的影響圖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，應力裂紋率越高；環(huán)境溫度越高，應力裂紋率也越高。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生較大的拉應力，因此水稻顆粒應力裂紋的可能性增大。試驗結果也較好的驗證了這一點。4溫度對應力裂紋的影響a）干燥過程不是應力裂紋產生的主要階段，應力裂紋率在干燥結束后的存放期的4～8h增加顯著；干燥溫度的升高能有效地