专利名称：应用物质属性改善谷物的干燥的制作方法
技术领域：
本发明涉及谷物干燥的领域。
背景技术：
自远古时代开始，农夫们已经使用不同方法来干燥稻谷、小麦以及其它谷物，其目的是为了安全储存粮食，以便在之后使用和防止腐坏。基于谷物当前的水分含量(MC)(与其周围空气的温度和相对湿度相比)，谷物获得或失去水分。根据众所周知的关系，置于恒温和恒湿空气流下的稻谷或其它谷物将最终获得对应于空气中的湿度和温度的平衡MC。不同的谷物的理想MC不相同。例如，通常认为最好是在12.5%至13%的MC(湿基)下储存稻谷。如果将谷物暴露在较高的气流速度、较高的空气温度或较低的相对湿度下时，谷物的干燥会较快。商用的稻谷干燥机构造昂贵，而且需要大量能量来操作，由此可见，提高稻谷干燥时的速度将是可取的。然而，使用传统方法太快地干燥谷物，会造成裂纹而降低出米产量。因此，现有技术的谷物干燥机采用多次干燥操作(multiple drying passes),其典型的每次之间的均化(termpering)持续时间在12至30小时之间。休眠期或“均化”期能够使谷物的谷粒外部和谷粒内部之间的水分含量得到平衡，从而减少谷粒裂纹发展的可能性。商用稻谷干燥方面所要求的均化期和多次操作大大减慢了可完成干燥的速度，从而降低了大型商用稻谷干燥机的生产量。这种多步骤的过程也会大大增加能源消耗，并因此会增加使用商用干燥机的营运成本。然而，这种缓慢且多步骤的过程对保障谷物的质量却是必要的。在现有技术中已知的谷物干燥机的种类繁多。一种通常被称为柱式干燥机的普通型干燥机，能够使谷物在两个筛子之间于重力作用下向下流动。热空气横向流过干燥机，垂直地越过谷物流通路径。在每条柱底部的计量辊控制稻谷移动通过干燥机的速度。一些柱式干燥机利用回流来提高谷物的干燥均匀性。其他类型的干燥机包括有挡板型干燥机和 “LSU”型干燥机。所述挡板型干燥机会导致谷物以之字形图案随热空气流动，所述热空气是从挡板之间的压力通风通孔引入的；所述“LSU”型干燥机采用了一排倒V形槽，稻谷从这些槽流过，每个槽下面具有用于分散加热空气的空隙。一种较新型的干燥机为流化床干燥机， 其中谷物悬浮在高速移动的热空气流中的流化床上。但是，这些现有的商用谷物干燥机没有一个能够以快速的单次干燥方式生产，而这种单次干燥方式不会导致使用传统方法干燥的谷物质量大大降低。在防止谷粒胚乳裂纹方面的一般领域的研究始于90年代中期的阿肯色州大学稻谷加工项目。一个关键的工作是测量谷粒的玻璃态转化温度(Tg)的关系。取决于谷粒(或其它谷物)的温度和MC，它可以表现为柔韧的“橡胶”状态或更加坚实的类似“玻璃状”的状态。Tg的关系包括相反的、使谷粒的Tg与其MC相关的线性线。Tg线将“玻璃状”区域(在Tg线下面)与“橡胶”区域(在Tg线上面)分开。这项工作发表于以下出版物T. J. Siebenmorgen, W.杨和 Ζ·孙的 “Glass Transition Temperature of RiceKernels Determined by Dynamic Mechanical Thermal Analysis Trans, of the ASAE 47(3) :835-839(2004)” ；以及 A. A. Perdon, T. J. Siebenmorgen 和 A. Mauromoustakos 的“Glassy State Transition and Rice Drying-Development of a Brown Rice State Diagram, Cereal Chemistry 77(6) :708-713 (2000) ”。在相关材料方面包括有 D. A. Schluterman 和 T. J. Siebenmorgen 的“Relating Rough Rice Moisture Content Reduction and Tempering Duration to Head Rice Yield Reduction, Trans, of the ASABE, 50 (I) 137-142, (2007)，，；G. Schluterman 和 T. J. Siebenmorgen 的 “Air and Rice Property Profiles within a Commercial Cross-Flow Dryer, Applied Engineering in Agriculture 20(4) :487-494, (2004)，，；A. G. Cnossen, T. J. Siebenmorgen 和 ff.杨的“The Glass Transition Concept in Rice Drying and Tempering Effect on Drying Rate, Trans, of the ASAE 45(3) :759-766, (2002)，，；A. G. Cnossen, M. J. Jimenez 和 T.J. Siebenmorgen 的“Rice Fissuring Response to High Drying and Tempering Temperatures, Journal of Food Engineering 59(1) :61-69, (2003);以及 A. G. Cnossen 和 T. J. Siebenmorgen 的“The Glass Transition Temperature Concept in Rice Drying and Tempering Effect on Milling Quality, Trans, of the ASAE 43(6) 1661-1667, (2000)”。这项基本工作已经应用于稻谷干燥的过程。干燥稻谷的一个关键目标(如上所述)是在谷粒胚乳内部不会出现裂痕或裂缝的情况下减少MC。上面提到的在解释干燥过程中裂缝形成和降低由此产生的碾米质量方面，基本Tg研究工作中的应用被称为“Tg假说”(Cnossen 和 Siebenmorgen, 2000 年；Schluterman 和 Siebenmorgen, 2007 年)。此假说陈述了，如果在其Tg上面加热谷粒(按照典型的是在常规干燥期间)，则整个谷粒会从橡胶状态过渡到玻璃态。处于橡胶状态时，水分扩散会在快得多的速度下出现，因此，干燥和均化会进行得比在玻璃态时更为迅速(Cnossen等人，2002年)。由于在低相对湿度(RH)空气中进行干燥，谷粒外围将会干燥而降低MC，造成表面过渡到玻璃态。如果太大范围的谷粒外围过渡到玻璃状区域，而核心仍然处在橡胶状区域的话，物质状态之间巨大的属性差异(Perdon等人，2000年)将产生足够的稻谷内部应力差而造成裂纹。在稻谷内部存在MC 梯度，当谷粒停止干燥后并立即冷却至温度低于Tg时，可假设并已观察到类似的裂变现象 (Schulterman 和 Siebenmorgen, 2007 年)。该Tg假说已在实验室的实验中通过验证(Cnossen和Siebenmorgen, 2000年； Cnossen 等人,2003 年；Schluterman 和 Siebenmorgen, 2007 年)。此外，Schluterman 和 Siebenmorgen (2004年)已经表明，状态的转化可能会发生在目前制造的商用稻谷干燥机内部，而Tg假说可以用来解释在高温干燥期间出米质量的降低。基于Tg假说发展干燥方法来提高谷物的出米质量是非常可取的，因为可以提高干燥机的产量，降低相关的能源用量，从而降低与谷物干燥相关的费用。这种干燥方法对环境也是有益的，因为所需使用的能源用量较低。通过如下文所述的本发明可实现这些理想的优势，并克服现有技术的局限性。
发明内容
本发明涉及一种基于Tg假说的谷物干燥方法，所述Tg假说是控制干燥空气相对湿度(RH)，使得在干燥过程中谷粒外围不会过渡到玻璃态。因此，谷粒外围和核心都保持在橡胶状态，从而防止谷粒内部状态属性的差异以及由此产生的足以造成裂纹的应力发展。 结果是，干燥后的谷物出米率高，即使是采用相对短的一次性干燥方法。
在考虑下文参照附图详细描述的数个优选实施方案及附上的权利要求后，本发明的这些和其它特征、目的以及优点将变得更易理解。图I为在70°C下相对湿度(RH)为53%、73%以及83%的情况下干燥的稻谷样品的干燥曲线的线图。图2为显示谷粒物质状态的位置的状态图，其中谷粒暴露于RH为13%、53%和 73%以及温度为70°C的空气中。图3 为在 70°C下 RH 为 13 %、23 %、33 %、43%、53%、63 %、73 %和 83%至 12. 5% 水份含量的情况下干燥的稻谷样品的整米率的线图。
具体实施例方式按照本发明的一个优选实施方案，采用干燥机，控制其中的干燥空气相对湿度 (RH)作为防止谷粒裂纹的手段。使用这种装置的结果的一个例子如图I所示，在70°C干燥空气温度下，渐近值将表示均衡的水份含量(MC)。从每个RH的均衡MC数据，暴露于特定空气条件下的谷粒表面的状态点可以绘制到状态(Tg)图上。图2示出相对于70°C时三个相对湿度的Tg的状态点的位置。可以看出，在约70°C，干燥空气的相对湿度将需要超过约 60 %至65 %，以便使谷粒外围保持处于胶状区域。该优选实施方案的有效性的验证由图3所示的数据证明。在这些实验中，使用 70°C干燥空气，在13%至83%的相对湿度范围内，以单一连续操作法将稻谷从收获时的水份含量21%干燥至想要的储存水份含量12. 5%。干燥后，在用21°C空气冷却之前于70V 下均化稻谷，为时0、60或120分钟。然后对样品进行碾磨，以确定整米率(HRY)，这是经碾磨后仍留下稻谷的被称为“整米”的未被加工的完整谷粒的质量百分比。图3示出，在低干燥空气相对湿度下如预期般出现严重的裂纹(表示整米率非常低)。然而，在63%或更高的相对湿度下，整米率稳定在一个较高的水平。注意到，63%的相对湿度水平相当于谷粒表面刚处于胶状区域时大致相同的RH值，如图2所示。对于相应的RH水平，于其它干燥空气温度下发现有类似的结果。Tg假说也解释了均化结果，当稻谷被立即冷却至21°C (均化持续时间为O分钟)时，由于快速冷却的同时谷粒内部存在水份含量梯度而会出现裂纹，从而降低了整米率。如果允许谷粒的胶状区域均化60或120分钟，则在冷却之前允许谷粒内部的水分含量梯度衰减，从而使裂纹最小化，以使整米率上升。因此，该优选实施方案提出了一种提供单次干燥且几乎不降低整米率的方法。此方法能够用于或适用于多种类型的现有干燥系统，包括新的流化床谷物干燥系统。本文所用的“包含(comprising)”与“包括”、”含有”或“特征是”等同义，是包容式或开放式的，并不排除另外的、未记载的元件或方法步骤。本文所用的“由...组成 (consisting of) ”则不包括未在权利要求要素中指定的任何元件、步骤或成分。本文所用的“基本上由...组成(consisting essentially of) ”并不排除对权利要求的基本和新颖的特征不构成重大影响的物质或步骤。本文记载的所有术语“包括”、特别是组成部件的描述或装置的元件的描述，应理解为包含那些主要由所记载的组件或元件组成的成分和方法。本文中适当地说明性描述的本发明可以在没有任何元件的情况下实施，而且本文并未明确公开任何限制。已采用的术语和措词是用作描述但非限制的用语，并没有使用不含任何所显示和描述的特征或其部分的等同物的术语和措词的意图，但应承认的是，在本发明的权利要求范围内作出各种修改是可能的。因此，应了解到，虽然已通过数个优选实施方案特别地公开了本发明，但本文所公开的概念的可选特征、修改和变型可以被本领域的技术人员采用，而这样的修改和变型被视为是在本发明的权利要求限定的保护范围内。因此，另外的实施方案是在本发明的保护范围内以及随后的权利要求范围内。一般来说，本文使用的术语和短语具有其领域公认的含义，可参考标准文本、杂志弓I用以及本领域技术人员熟知的背景。提供前文的定义是为了澄清它们在本文上下文中的具体用途。在本说明书中提及的所有出版物是本领域技术人员对本发明涉及的技能水平的指标。据此纳入本文引用的所有参考物在某程度上作为参考，这与本说明书公开的内容并不矛盾。本发明已经参照某些优选和备选的实施方案作了描述，仅只是作为范例，而非用于限制权利要求中所提出的本发明的详尽保护范围。
权利要求
1.一种干燥谷物的方法，所述方法包括以下步骤(a)将包含谷粒的一些谷物引入谷物干燥机，其中，所述谷粒包含谷粒外围和谷粒核心，以及其中，所述谷粒被加热成橡胶状态；以及(b)通过引入空气至所述干燥机来干燥所述谷物，其中，所述空气包含空气温度和空气相对湿度，使得所述谷粒的外围在整个干燥步骤中保持处于橡胶状态。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，还包括将所述谷物的谷粒均化的步骤，其中，降低所述谷物的谷粒外围和谷粒核心之间的水分含量相对差。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在所述均化步骤后，将所述谷物的谷粒冷却至室温。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤基本上包括在不干涉均化步骤的情况下单一连续地引入空气。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度大于60%。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度约为63%。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的温度约为70°C。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述均化步骤包含的持续时间至少为60分钟。
9.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述谷物在所述引入步骤期间包含的水分含量约为21%。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述谷物在所述均化步骤结束时包含的水分含量约为12.5% (湿基)。
11.一种谷物干燥方法，所述方法基本上由以下方法步骤组成(a)将许多谷粒引入谷物干燥机，其中，所述谷粒包含谷粒外围和谷粒核心，以及其中， 所述谷粒最初处于玻璃态，但其中，当引入高温空气后，所述谷粒转化为橡胶状态；(b)通过引入空气至所述干燥机来干燥所述谷粒，其中，所述空气被保持在防止大部分所述许多谷粒在所述谷粒外围进入玻璃态的温度和相对湿度下；(c)将所述谷物的谷粒均化，其中，使所述谷物的谷粒外围和谷粒核心之间的水分含量相对差更均匀；以及(d)在所述均化步骤后，冷却所述谷粒。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括在不干涉均化步骤的情况下单一连续地弓I入空气。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度至少为60%。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度约为63%。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的温度约为70°C。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述均化步骤包含的持续时间至少为60 分钟。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述谷物在所述引入步骤期间包含的水分含量约为21%。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述谷物在所述均化步骤结束时包含的水分含量约为12.5% (湿基)。
19.一种用于干燥许多谷粒的方法，每个所述谷粒包含处于玻璃态转化线上面或下面的状态，所述方法包括以下步骤(a)将所述谷粒与高温空气引入谷物干燥机，使得所述谷粒达到其处于所述玻璃态转化线上面的状态时的温度和水分含量；(b)通过引入空气至所述干燥机来干燥所述谷粒，其中，大部分谷粒不会变成在所述玻璃态转化线下面的状态；以及(c)将所述谷粒均化。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述干燥步骤包括在不干涉均化步骤的情况下单一连续地弓I入空气。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度至少为60%。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在所述干燥步骤期间引入的所述空气包含的相对湿度约为63%以及温度约为70°C。
全文摘要
一种用单一干燥步骤干燥谷物的方法是基于玻璃态转化温度(Tg)假说。用于干燥谷物的空气被保持在足够的温度和相对湿度(RH)下，使得谷物得以在干燥过程中保持完全处于橡胶状态，防止形成裂纹而造成谷物的谷粒外围转化成玻璃态。此过程的结果是，提高了整米率(HRY)，不仅比得上时间较长的多步骤干燥方法，而且可以实现用时少和降低能源需求。
文档编号F26B3/02GK102597673SQ201080043272
公开日2012年7月18日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者G·翁迪亚, T·J·西本莫根 申请人:阿肯色州立大学托管会