糧食遠紅外輻射干燥研究進展

　　摘要：遠紅外輻射加熱技術具有加熱升溫快、被加熱物料受熱均勻、安全環保等優勢，因此在糧食干燥中越來越受重視。從遠紅外加熱技術的特點入手，對國內外糧食遠紅外干燥技術和干燥設備的研究進展進行闡述與總結，通過分析現存的一些問題，指出糧食遠紅外干燥技術和設備研發未來的主要研究方向。

　　關鍵詞：遠紅外輻射;糧食干燥;干燥設備

　　食品加工論文投稿刊物：《糧食加工》(西部糧油科技;陜西糧油科技)1976年創刊，20多年來，始終圍繞著辦刊宗旨，向全國糧食戰線的廣大職工和科技人員傳播信息，提供相互交流，共同探討糧油工業發展的園地。在西部大開發中，緊緊圍繞國家政策，及時報道西部糧油工業的新動態、新發展、為我國糧油工業的發展做貢獻。

　　我國是世界上最大的糧食生產和消費國，據國家統計局公布的數據顯示[1]，2017年我國糧食總產量已超過0.62×108kg。糧食產業關乎國計民生，但糧食收獲后在脫粒、晾曬、運輸、貯藏等過程中的損失率高達15%，遠超聯合國糧農組織(AGRIS)規定的5%[2]，同時存在資源利用率低、附加值不高、品質控制不足和環境污染嚴重等問題，嚴重制約了我國糧食產業的發展。干燥作為糧食加工過程中必需的單元操作之一，其加工過程中的能耗最為顯著，同時也是糧食長期儲存最為有效的方法。目前，常用的糧食干燥方法有熱風干燥[3]、太陽能干燥[4-5]、紅外輻射干燥[6]和就倉干燥[7-8]等，干燥方法的選擇一般依據物料的干燥工藝特性。其中，紅外輻射技術由于具有均勻性、吸收性、方向性、距離特性和能量特性等優勢，已逐漸成為國內外糧食干燥技術的主要研究方向之一[9]。

　　1紅外輻射及加熱原理

　　紅外輻射同時具有光和波的性質，屬于不可見光，根據波長可分為近紅外線(0.76~1.50μm)、中紅外線(1.5~6.0μm)、遠紅外線(6~1000μm)。紅外輻射遵守電磁波的運動規律，既可以被物體反射、吸收，也可以穿透物體。當物體分子的固有振動頻率與被吸收的紅外輻射頻率相同時，就會產生共振并伴隨輻射能轉化為熱能，使得物體內外溫度同時上升，有利于物體內水分的外溢，從而達到加熱和干燥物體的目的。而水稻、小麥等糧食作物的最佳紅外吸收波長為6~12μm[10]，適合遠紅外輻射干燥。

　　2遠紅外輻射干燥的特點

　　目前，我國糧食干燥方式主要為可實現規模化生產的熱風干燥，其原料主要為燃煤、燃油、生物質燃料等，但是由于熱風干燥的煙塵污染糧食、溫度不易控制、干制品品質不高等不利因素，且近年來環保壓力加大，因此遠紅外干燥優勢更加凸顯。遠紅外輻射干燥的水分遷移機制有利于加速整個干燥過程。遠紅外輻射可使物料中的溫度梯度與濕度梯度方向相同，有利于水分遷移，加速干燥進程，且遠紅外輻射提供的熱流密度遠高于傳統的熱風干燥，物料升溫迅速。遠紅外輻射具有穿透性，可使物體內外均勻受熱，有效避免了糧食在干燥過程中由于溫度不均勻產生的爆腰現象。同時對粉狀、塊狀等大部分物料具有一定的殺菌、滅酶作用。由遠紅外輻射原理可知，其傳輸無需借助中間介質，因此可以減少熱量損失、提高熱能利用率。

　　3糧食遠紅外干燥技術研究進展

　　剛收割的糧食含水率較高，直接貯藏易發生霉變，農戶一般采用道路或稻谷場太陽晾曬，不僅易受天氣影響，且處理量有限，降低了糧食干燥品質。為了尋求更佳的干燥方式，自從上世紀五六十年代開始，國內外學者便已在糧食遠紅外干燥工藝、干燥技術等方面開展了相關研究工作。遠紅外輻射干燥工藝對糧食干燥效果和品質有重要影響，但是不同種類糧食在內部組織和性狀上都存在很大差別，導致干燥工藝也相去甚遠，并且糧食干燥過程中會揮發出大量水汽，若不及時除去，對糧食的干燥進程和品質都將產生嚴重影響。相關研究目前主要集中在干燥過程影響因素、干燥理論模型方面。

　　AfzalTM等人[12]試驗研究了輻射強度(0.167~0.500W/cm2)、進氣速度(0.3~0.7m/s)、初始含水率(25%~40%d.b)、空氣濕度(36%~60%)對大麥干燥的影響，發現輻射強度對干燥速率影響最大。羅劍毅[13]對稻谷做了遠紅外和熱風干燥單因素試驗，得出干燥特性，并對聯合干燥進行多因子正交回歸試驗，優化后得出最佳工藝組合。NaretM等人[14]建立的稻谷遠紅外干燥熱量和質量傳遞理論模型，能夠合理預測干燥過程中稻谷內部的溫度和水分分布。孫永林等人[15]對麥冬進行薄層干燥特性及模型研究發現，干燥速率與麥冬切片和溫度呈正相關，且Page模型預測值與實測值比較吻合。紅外輻射器常以電作為能源，而催化式紅外技術作為一種新型的節能技術，利用天然氣與氧氣在催化劑作用下發生氧化反應，為輻射層提供能量。電紅外輻射、天然氣紅外輻射和熱風對流3種干燥方式的熱效率和成本，其中天然氣紅外輻射熱效率最高、成本最低。

　　潘忠禮等人[16]使用催化式遠紅外技術對稻谷進行干燥試驗，研究表明無論大米的含水率高或低，采用紅外加熱只需60s就可升溫至60℃，且稻谷品質明顯提高。RagabKhir等人[17-18]使用催化式遠紅外加熱技術，對含水率20.6%~25.0%的稻谷的干燥品質、碾米品質等進行了試驗研究，結果表明使用催化紅外發射器可以提高升溫速率和水分去除率，且加熱稻谷至60℃后再回火的方法可以明顯改善稻米的干燥品質和碾米品質。DeliephanA[19]使用臺式無焰催化紅外發射器對硬質冬小麥進行干燥，發現紅外照射的小麥含水率、細菌量、霉菌量較未經紅外照射的小麥分別下降1.5%~2.0%，98.7%，97.8%。姚豪杰[20]研究了催化式遠紅外技術對糙米品質的影響，發現紅外加工后的糙米可采用緩蘇處理提高整米率，且遠紅外技術可有效抑制霉菌生成。

　　因此，催化式紅外技術在糧食干燥方面有廣闊的應用前景。聯合干燥是根據物料的干燥特性，結合2種或2種以上干燥技術的優勢，達到低能耗、高品質和高效的干燥效果。在國外，TuncelNB等人[21]試驗研究了玉米單獨紅外、熱風干燥及遠紅外熱風聯合干燥，結果表明遠紅外干燥和遠紅外熱風聯合干燥方法可大大縮短干燥時間，且當玉米初始含水率在16%以上時，遠紅外熱風聯合干燥更有效、更經濟。NachaisinM等人[22]研究了遠紅外熱風聯合干燥糙米，發現提高遠紅外強度，可以降低糙米的硬度、咀嚼度和膠質含量，但增強了糙米的復水性。

　　在國內，汪喜波等人[23]通過數值模擬和試驗研究了不同操作條件對遠紅外輻射與對流聯合干燥稻谷過程的影響，結果顯示數值模擬結果與試驗數據吻合良好。董鵬飛，張靜等人[24-25]研究了遠紅外加熱溫度、真空度和干燥時間對玉米水分變化規律、干燥速率和干燥后玉米品質的影響，及干燥過程中的高耗能問題，結果表明遠紅外低溫真空干燥可以大大改善干燥產品的品質且節能優勢突出。焦士龍等人[26]試驗研究了稻谷遠紅外輻射聯合熱風振動流化床干燥，結果表明此方法稻谷脫水率大、爆腰率低。

　　單一遠紅外干燥有時無法達到所要的干燥效果，且為了響應國家節能環保的要求，在遠紅外干燥工藝的研究中，若能夠將沖擊干燥、脈動真空干燥、熱泵干燥等新型干燥技術與遠紅外加熱技術有機結合，開發新型聯合干燥工藝，將可以減少單一干燥方式在糧食干燥過程中的問題，提高糧食干燥品質。同時，研發高效率紅外輻射材料及涂層材料、建立糧食遠紅外干燥質熱傳遞動力學模型、降低干燥過程能耗等，將是未來的主要發展趨勢。

　　4糧食遠紅外干燥設備研究進展

　　糧食遠紅外干燥設備是遠紅外干燥工藝的具體實現，國外在糧食遠紅外干燥設備方面開展的研究較早，設計開發出一系列遠紅外干燥設備，并得到廣泛應用，且占據了大部分糧食干燥設備市場。國內則起步較晚，尚處于研發階段。在國外，SoojinJ等人[27]設計了一種用于大豆蛋白和葡萄糖2種組分選擇性加熱的遠紅外加熱系統，當濾波器在5min內升溫超過6℃時，蛋白質的最佳吸收光譜在6~11μm，且組分的不同光譜吸收率數值分析結果與試驗結果誤差在8.3%以內，證明了該加熱系統的可行性。

　　2001年，美國CDT公司使用研制的觸媒遠紅外中試設備對水稻進行分組干燥對比試驗。結果表明，水稻籽粒爆腰率低、品質好，能耗僅為熱風干燥的30%左右。HidenagaS[28]設計開發了新型循環型遠紅外谷物干燥機(PCE-43，53，63型)，并應用于大豆干燥。HidakaY等人[29-31]在循環批式干燥機基礎上開發出一種商用遠紅外干燥機，并使用稻谷和小麥進行試驗。結果表明，與相同干燥能力的循環批式干燥機相比，耗油量和耗電量大幅下降，稻谷爆腰率下降2%，且不會影響稻谷的發芽率。無錫金子農機有限公司(日資)開發的RVF系列遠紅外干燥機，該設備可以使遠紅外線照射到每粒谷物，保證干燥品質的同時，與熱風干燥相比省油15%，省電40%。

　　在國內，20世紀70年代中期，中國科學院上海技術物理研究所[32]研發了一臺FIR-D型遠紅外谷物干燥機，但是其生產能力偏低且成本高。同年，江西國營云山綜合墾殖場[33]研發出一臺5H-12型立軸疊盤離心式遠紅外谷物干燥機，相比其他機型，該機體積小、能耗小，且被干燥谷物爆腰率大幅減小，僅為0.2%~0.6%。魏忠彩，孫傳祝等人[34-36]研制了一種紅外玉米穗干燥機，并利用其對玉米進行等溫干燥和變溫干燥試驗，研究了不同參數下玉米穗的干燥特性，并優化了玉米穗紅外干燥工藝參數。張仲欣等人[37]設計了一種豎箱式遠紅外谷物烘干機，該烘干機內谷物在紅外加熱管兩側，并配以氣流，簡化了烘干機的結構。張秦權等人[38]綜合低溫真空干燥和遠紅外干燥2種技術的優勢，設計出一套真空低溫(蒸汽加熱)與遠紅外聯合干燥設備，該設備目前只能對果蔬進行干燥，其他物料的干燥還有待于進一步研究和設計。

　　劉春山[39]設計建造了一套遠紅外對流組合干燥機，稻谷干燥試驗表明，干燥能耗和爆腰率較單獨熱風干燥分別降低28.9%和2.5%。匡鵬[40]對內燃機廢氣利用和快速干燥技術進行了研究，開發出一種利用聯合收割機排氣余熱輔助遠紅外輻射的多級干燥系統，并試制了部分樣機，數值模擬結果表明方案的可行性。王潤發[41]設計了一種遠紅外與逆混流引風組合的干燥工藝系統，樣機試驗驗證表明，樣機總體運行可靠性高，稻谷自身溫度較傳統的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍，提高了稻谷的干燥品質，降低了干燥能耗。遠紅外干燥設備的開發基于干燥工藝的研究，且單一干燥方式有明顯劣勢，目前干燥設備的開發多為組合型，但是依然存在一些不足，如干燥過程的全自動控制、糧食含水率在線監測、熱能的回收利用等，且大型設備相對較少，難以滿足工業化大生產的要求。同時，設備從開發到定型過程中缺乏理論依據指導，若能夠在設備的研發過程中引入有限元分析(FEA)設計和計算流體動力學(CFD)的方法，不僅可以降低研發的成本、減少原料的浪費，還能夠縮減研發周期，提高生產效率。

　　5結語

　　在能源日益緊缺和環境污染日益嚴峻的情況下，大力發展高效節能的遠紅外輻射干燥技術具有重要意義。但是由于我國遠紅外輻射干燥技術研究起步晚，技術尚不成熟，因此還未大面積推廣。近年來，我國出臺一系列政策，鼓勵企業發展智能化高效農機設備，并給予設備購置補貼，目前已有上海三久(臺資)、上海艾迪迦等企業在糧食遠紅外干燥技術和設備上攻關克難，開發出系列烘干設備，正改變著糧食烘干行業的產業結構，對我國糧食機械化烘干的實現有著積極的促進作用。

　　參考文獻：

　　國家統計局關于2017年糧食產量的公告[EB/OL].國家統計局，2017-12-8[2018-05-14]

　　謝敏，胡偉.我國糧食烘干設備現狀及發展建議[J].農機市場，2001(12)：13-15.

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