自然冷资源稻谷低温储藏仓设计及其保质规律研究

摘要

稻谷是大宗粮食作物之一，是世界三分之一以上人口的主食，也是碳水化合物的重要来源。但是我国消费者购买到的却是碎米较多的大米，优质大米较少，除去品种和加工因素外，我国现行稻谷干燥和储藏方式较为粗放是造成稻谷碎米率高的主要原因。稻谷在高温干燥过程中极易产生应力裂纹，导致在加工时产生碎米，影响稻谷的食味品质和销售价格。储藏过程中稻谷易生虫，陈化和霉变，降低稻谷的储藏品质。为了使消费者吃到整精米率高、食味品质好的优质大米，本试验拟研究一种储藏高含水率稻谷的方法，减少高温干燥和储藏过程造成的稻谷品质损失，利用环境优势积极发展低能耗、低污染和自动化的现代低温储粮装置，提高稻谷入仓含水率，提高稻谷储藏品质、降低干燥和储藏损失，为人们提供品质佳、味道好的优质大米。本研究在分析、借鉴国内外稻谷干燥和储藏的先进技术基础上，将自然冷资源低温制冷技术应用于稻谷低温储藏，通过为高含水率稻谷提供低温储粮环境，防止高含水率稻谷霉变和陈化、提高稻谷的储藏含水率、减少高温干燥时间或直接减少干燥工序，将稻谷含水率缓慢降低至适宜碾米加工的含水率，从而建立一种适用于保质的稻谷储藏方案。 本文利用自主研发的自然冷资源稻谷低温储藏仓，以高含水率稻谷为研究对象，以保持稻谷优良的食用品质为试验目标，对自然冷资源低温稻谷储藏的关键技术进行深入地研究分析，研究储藏过程中稻谷含水率的变化规律以及储藏品质的变化情况，验证利用自然冷资源低温储藏高含水率稻谷的可行性并确定最佳储藏工艺参数。本论文从以下5个方面开展研究，主要研究内容和结果如下。 (1)不同储藏环境条件下稻谷水分及品质变化规律试验研究 为研究自然冷资源储藏高含水率稻谷的可行性，实现从传统的稻谷经干燥降水和常规储藏的方式转向利用自然冷资源制冷储稻方式的转变，应用静态称重法方法研究了不同环境湿度和温度对稻谷含水率的影响，并进行了不同储藏温度对高含水率稻谷的品质的影响的试验。建立了吸附和解吸条件下贮藏环境温度、环境相对湿度和储藏时间对稻谷含水率影响的回归方程;选择5种描述稻谷吸附和解吸过程稻谷的平衡水分模型对稻谷平衡含水率数据进行拟合，最终确定MCPE方程为最佳模型，作为储藏试验中判断稻谷含水率的理论依据。 高含水率稻谷储藏试验结果表明:储藏温度对高含水率稻谷的储藏品质的影响较大，储藏温度越高，稻谷品质劣变速度越快:储藏于0℃和户外（平均温度-9.6℃）的含水率为20％稻谷经过150天的储藏，霉菌总数分别达到3.9×103 CFU/g和1.0×104CFU/g，最终脂肪酸值分别为10.9 KOH mg/100 g和15.9 KOH mg/100 g，发芽率分别达到92.25％和90.5％，储藏品质优于在其他储藏温度条件下含水率为20％的稻谷。根据储藏结果可知，含水率为20％的稻谷需要极低的储藏温，因此，后续试验中应适当降低稻谷的储藏初始含水率，以保证稻谷的储藏品质和降低储藏制冷能耗。 (2)自然冷资源稻谷储藏仓的研制与试验 根据稻谷的储藏特点设计了自然冷资源稻谷低温储藏仓，包括储藏室、储冰室、换热系统、通风系统和控制系统5部分，对制冷系统的运行参数进行优化试验，得到迎面风速、冷水流量和入水口温度对换热量影响的回归模型，虽终确定自然冷资源换热系统的最佳运行参数为:迎面风速2.5m/s，冷水流量0.8 m3/h，入水口温度4℃。 (3)自然冷资源稻谷储藏仓稻谷储藏优化试验 为确定自然冷资源稻谷储藏的最佳条件并满足低能耗的要求，试验选择稻谷初始含水率为15.0％、16.5％和18.0％，储藏温度为5℃、10℃和15℃，2因素3水平全因子稻谷储藏试验，研究不同储藏条件下稻谷品质变化规律，以稻谷储藏品质和耗冰量为试验指标，用聚类分析法确定最佳的自然冷资源低温储藏稻谷试验条件。根据不同储藏温度和不同稻谷含水率条件下稻谷储藏品质的变化情况，获得了自然冷资源低温储藏仓稻谷的霉菌总数、脂肪酸值、发芽率值、α-淀粉酶活动度和过氧化氢酶活动度的与稻谷初始含水率、储藏温度和储藏时间的回归方程。通过试验结果可知，储藏温度为5℃时，稻谷的储藏品质变化最小，但耗冰量也相应增加，综合考虑稻谷储藏品质和耗冰量等因素，利用聚类分析法确定的自然冷资源稻谷低温储藏仓的最佳储藏条件为:稻谷初始含水率为16.5％，储藏温度为10℃。在此条件下，经过150 d的储藏试验，稻谷霉菌总数为5.9×104 CFU/g，脂肪酸值为19.89 KOH mg/100 g，发芽率为86％，α-淀粉酶活动度0.682 U，过氧化氢酶活动度7.28 U。 (4)自然冷资源稻谷低温储藏仓稻谷储藏验证试验 为验证利用自然冷资源制冷的方法能否有效地保证稻谷的储藏品质和实现稻谷含水率缓慢降低，试验根据前期优化结果，选择含水率为16.5％的稻谷以包装粮形式储存并搭建成错流井式通风垛的形式，设置储藏温度为10℃，进行自然冷资源低温稻谷储藏仓的仓储验证试验。试验结果表明:储藏期内自然冷资源低温储藏仓的平均仓温和稻谷的平均粮温较稳定，均达到9.8℃左右，经过153天的储藏，自然冷资源低温储藏仓中稻谷的含水率从初始的16.5％缓慢下降至最终的15.1％，达到了最佳碾米水分;霉菌总数5.1×104 CFU/g，脂肪酸含量为18.43KOH mg/100 g，发芽率86.75％，α-淀粉酶活动0.533 U，过氧化氢酶活动度6.27 U，储藏品质较好。与常温储藏的稻谷相比，自然冷资源低温储藏仓中稻谷的出糙率和整精米率分别高5.41个百分点和9.57个百分点，裂纹率低13.88个百分点，无黄粒米检出。 (5)自然冷资源稻谷储藏的经济性分析 以平房仓为例，通过仓体外部贴聚氨酯板的方法将平房仓改造成可用自然冷资源制冷的低温平房仓，仓体的导热系数0.239 W/(m2.K)，通过计算得到平房仓改造和设备购置总费用为23.04万元，与谷物冷却机制冷相比，节约5737.7 kW.h的电量，节约电费6600元，节约煤碳2.3 t，减少CO2排放量5.72t。与传统干燥加常规储藏相比，利用试验中提出的自然冷资源储藏稻谷的方法可使稻谷每吨增收170元，并且由于应用此方法储藏的稻谷品质更好，稻谷的售价更高，可提高粮食企业的经济效益。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 影响稻谷安全储藏因素

1．2．2 稻谷储藏的主要方式

1．2．3 自然冷资源稻谷储藏应用现状

1．2．4 季节性冰雪低温制冷应用

1．3 研究内容

1．4 技术路线

2 检测材料与方法

2．1 试验试剂与试验设备

2．2 试验指标检测方法

2．2．1 稻谷平衡含水率检测方法

2．2．2 稻谷含水率测定方法

2．2．3 霉菌菌落总数检验方法

2．2．4 稻谷脂肪酸值测定

2．2．5 稻谷发芽率测定方法

2．2．6 α-淀粉酶活力测定方法

2．2．7 过氧化氢酶活力测定方法

2．2．8 稻谷RVA特性测定方法

2．2．9 质构品质测定方法

2．2．10 蒸煮品质测定方法

3 高含水率稻谷不同储藏条件下的品质变化规律研究

3．1 试验材料与试验方法

3．1．1 稻谷平衡水分测定方法

3．1．2 稻谷储藏试验方法

3．2 数据处理

3．3 综合评价分析

3．4 稻谷储藏过程含水率变化规律

3．4．1 稻谷吸附过程中的水分传递规律

3．4．2 稻谷解吸过程中的水分传递规律

3．4．3 稻谷吸附与解吸平衡含水率

3．4．4 稻谷平衡含水率模型

3．5 稻谷储藏结果与分析

3．5．1 稻谷霉菌总数值变化

3．5．2 稻谷脂肪酸值变化

3．5．3 稻谷发芽率变化

3．5．4 稻谷的酶活性变化

3．5．5 稻谷RVA特性变化

3．5．6 稻谷蒸煮品质变化

3．5．7 稻谷质构品质变化

3．6 稻谷储藏品质指标的综合评价分析

3．7 稻谷储藏品质指标的相关性分析

3．8 讨论

3．9 本章小结

4 自然冷资源稻谷低温储藏仓设计

4．1 自然冷资源稻谷储藏仓的储藏仓体结构设计

4．1．1 自然冷资源稻谷低温储藏室

4．1．2 储冰室设计

4．2 换热系统的设计

4．2．1 换热量计算

4．2．2 风机风量计算

4．2．3 换热器设计

4．3 换热器运行参数优化试验

4．3．1 试验方案

4．3．2 试验结果与分析

4．3．3 响应面优化最佳参数及验证试验

4．4 通风系统设计

4．4．1 通风风量计算

4．4．2 风机风压计算

4．5 自然冷资源稻谷低温储藏仓控制系统

4．6 本章小结

5 自然冷资源稻谷低温储藏仓稻谷储藏条件优化试验

5．1 试验材料与储藏装置

5．2 稻谷储藏试验设计

5．3 数据处理

5．4 结果与分析

5．4．1 自然冷资源低温储藏仓仓温、环境湿度和稻谷含水率的变化

5．4．2 稻谷霉菌总数的变化

5．4．3 稻谷脂肪酸值的变化

5．4．4 稻谷发芽率的变化

5．4．5 稻谷α-淀粉酶活动度的变化

5．4．6 稻谷过氧化氢酶活动度的变化

5．3．7 用冰量分析

5．4 稻谷储藏条件聚类分析

5．5 本章小节

6 自然冷资源稻谷低温储藏仓稻谷储藏验证试验

6．1 稻谷储藏试验设计

6．2 材料与品质检测方法

6．3 数据处理

6．4 储冰量计算

6．5．1 自然冷资源低温储藏仓温度变化

6．5．2 储藏仓的环境相对湿度和稻谷含水率变化

6．5．3 稻谷储藏品质分析

6．5．4 稻谷加工品质分析

6．5．5 稻谷储藏耗电量分析

6．6 本章小节

7 自然冷资源低温储稻技术方案及经济性分析

7．1 自然冷资源低温储稻方案

7．2 自然冷源低温储藏稻谷的经济性分析

7．2．1 建设成本和运行成本计算

7．2．2 利润分析

7．3 与谷物冷却机制冷对比的经济性分析

7．4 本章小节

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文