劉清化,龍成樹,龔 麗※,劉 軍
(1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所,廣州 510630;2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司,廣州 510630)
稻谷是我國三大主要糧食作物之一,種植歷史悠久,地球上50%以上人口消費(fèi)稻谷用于口糧,我國約65%的人口以大米為主食[1]。近幾年國家大力倡導(dǎo)推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化發(fā)展,我國稻谷的種植面積保增不減,處于世界前茅,2014年全國稻谷播種面積約為3 000 萬hm2,機(jī)耕率達(dá)到95.5%[2]。在農(nóng)業(yè)技術(shù)方面,通過以“雜交水稻之父”袁隆平為首的科學(xué)家對稻谷種子基因的不斷改良,我國稻谷的畝產(chǎn)量及糧食總產(chǎn)量逐年遞增,總產(chǎn)量居世界首位,全年稻谷產(chǎn)量保持在2.0億t以上,占世界稻谷總產(chǎn)量的1/3左右[3]。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì),2014年我國稻谷總供給量約4 219億斤,總需求量約3 929億斤,年度結(jié)余290億斤,市場供需繼續(xù)保持寬松格局。
我國稻谷有著產(chǎn)量高、儲(chǔ)量多和需求大的特點(diǎn),據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國每年因稻谷儲(chǔ)藏過程中陳化變質(zhì)、倉儲(chǔ)害蟲以及霉變影響造成的損失約占總儲(chǔ)存量的3%,達(dá)數(shù)百億斤[1],所以稻谷的烘干、儲(chǔ)藏加工技術(shù)依然是研究的重點(diǎn)。近年來,國家在稻谷貯藏、烘干、產(chǎn)后深加工等方面給予大力支持,一些企業(yè)及科研院所對稻谷品質(zhì)分析、儲(chǔ)藏稻谷理化性質(zhì)變化、稻谷營養(yǎng)成分檢測等方面展開大量研究工作[4,5],得到了一些不菲的科研成果和寶貴的研究經(jīng)驗(yàn)。然而,針對儲(chǔ)藏、烘干中存在的問題,綜合提出建設(shè)性意見的研究比較少見。本文在總結(jié)現(xiàn)有稻谷烘干、儲(chǔ)藏的發(fā)展現(xiàn)狀,以及存在問題的基礎(chǔ)上,探討稻谷烘干、儲(chǔ)藏加工的新思路,以期促進(jìn)我國稻谷烘干儲(chǔ)藏加工技術(shù)的發(fā)展。
1.1.1 儲(chǔ)糧的陳化問題
稻谷陳化外觀表現(xiàn)為色澤變暗、稻谷絨毛不完整、形態(tài)差異等,品質(zhì)上表現(xiàn)為粘度降低、酸度增加、發(fā)芽率降低、非還原糖減少、抗氧化酶活性降低和揮發(fā)性物質(zhì)增加等[5,6]。影響糧食陳化的因素很多,糧食本身的品質(zhì),水分含量的高低,糧食的倉房條件等,特別是儲(chǔ)藏環(huán)境的溫度和濕度,都會(huì)對稻谷的品質(zhì)產(chǎn)生明顯的影響[7]。研究發(fā)現(xiàn),隨著干燥溫度或儲(chǔ)糧溫度的升高,儲(chǔ)藏過程中稻米內(nèi)部脂肪酸含量增大,使稻米的陳化程度加深[8,9]。
采用低溫儲(chǔ)藏等抑制脂肪氧化酶活性的方法能夠有效延緩稻谷的陳化變質(zhì),一些研究人員將降低脂肪酶活性的材料應(yīng)用于稻谷儲(chǔ)藏減緩谷物脂質(zhì)的氧化過程,以提高稻谷的耐儲(chǔ)性。日本林原生物研究所研制的海藻糖可以有效抑制糙米產(chǎn)生米糠臭,日本某企業(yè)研制出的“奇克倫”強(qiáng)密封性包裝塑料袋,能有效隔絕空氣,長久保持色香味不變;國內(nèi)的主要做法是利用甲殼素生產(chǎn)純天然的生物保鮮劑,將其噴涂于大米的表面以隔絕空氣,抑菌保鮮[5]。
1.1.2 儲(chǔ)糧的降溫問題
儲(chǔ)糧第一年稻谷的生命力很強(qiáng),相關(guān)研究表明當(dāng)大米水分在14.5%以上時(shí),呼吸強(qiáng)度迅速增加,當(dāng)大米含水分達(dá)16.5%時(shí)的呼吸強(qiáng)度比12.6%時(shí)高4~5倍[10,11]。呼吸作用將產(chǎn)生大量的熱量,使糧堆的溫度高于環(huán)境溫度,導(dǎo)致稻谷的陳化速度加快。儲(chǔ)糧溫度較高亦會(huì)影響稻谷的黃變,數(shù)據(jù)表明當(dāng)?shù)竟人趾吭?8%以上,氣溫在26~37℃時(shí),堆放7 d黃粒米的比例可達(dá)到30%[3]。此外,高溫儲(chǔ)糧會(huì)導(dǎo)致稻谷的發(fā)芽率急劇下降,實(shí)驗(yàn)證明溫度為35℃時(shí),即使稻谷為安全水分,其發(fā)芽率在180 d后已經(jīng)降為0[8],嚴(yán)重影響儲(chǔ)藏稻谷的營養(yǎng)品質(zhì)。
現(xiàn)有儲(chǔ)糧倉降低糧溫主要采用機(jī)械通風(fēng)、應(yīng)用冷風(fēng)機(jī)、翻堆、轉(zhuǎn)倉等方式。這些方式均能在一定環(huán)境條件下,解決儲(chǔ)糧的溫降問題,保障儲(chǔ)糧的品質(zhì)。
1.1.3 儲(chǔ)糧的蟲害和霉變問題
在高溫高濕的氣候條件下,糧食儲(chǔ)藏遇到的最大問題是蟲害和霉變問題。據(jù)有關(guān)部門調(diào)查,糧食在儲(chǔ)藏期間的損失率高達(dá)8%,其中儲(chǔ)糧蟲害和霉菌造成的損失占3%~5%。Cenkawa研究低水分稻谷儲(chǔ)藏模型時(shí)發(fā)現(xiàn),稻谷含水量高于14.4%的糙米上有霉菌生長,而低于12.8%的糙米上無霉菌生長[12];唐芳等研究表明水分為14.5%稻谷在15℃以下儲(chǔ)藏半年未見有真菌生長[13]。因此,稻谷入庫儲(chǔ)藏應(yīng)嚴(yán)格控制稻谷的含水量,及時(shí)熏蒸殺蟲,尤其是在春秋兩季蟲蜂期前進(jìn)行熏蒸能有效預(yù)防害蟲繁殖。常用的儲(chǔ)糧化學(xué)藥劑有熏蒸劑、儲(chǔ)糧防護(hù)劑、空倉與器材殺蟲劑、滅鼠劑等,使用化學(xué)藥劑熏蒸殺蟲成本低、效果好,但容易造成環(huán)境污染,且殘毒量高,難以保證儲(chǔ)糧安全衛(wèi)生。在早秋害蟲高繁殖季節(jié),若能夠?qū)?chǔ)藏溫度控制在-4~8℃,倉蟲將停止發(fā)育或者死亡[14],可以有效預(yù)防儲(chǔ)藏稻谷的蟲害和霉變問題。
1.1.4 儲(chǔ)糧的變黃變質(zhì)問題
稻谷經(jīng)清理、礱谷、碾米、成品處理等工序后制成大米,一般大米顏色為白色,若出現(xiàn)淡黃色,稱它為黃變米。黃變米的黏性差、碎米率高、蒸煮食味不好,因?yàn)辄S變后的稻谷淀粉酶活性變差,直鏈淀粉、粗脂肪、維生素、粗蛋白和非還原糖的含量均下降,嚴(yán)重?fù)p害了大米的食用品質(zhì)[15]。國內(nèi)外一些科研學(xué)者研究了稻谷黃變的原因,Phillips探索了稻谷不同水分含量和是否裝袋處理四種組合條件下稻谷的黃變情況,結(jié)果表明潮濕稻谷散裝更易變黃、易受真菌感染;Suharno發(fā)現(xiàn)在CO2條件下儲(chǔ)藏大米也會(huì)發(fā)黃,可以確定儲(chǔ)存氣體組成對黃變有影響;李巖峰、張來林等研究表明氣調(diào)儲(chǔ)藏有利于延緩高溫下稻谷儲(chǔ)藏變質(zhì)[16,17];廣東肇慶地區(qū)糧食處研究了溫度、水分與晚秈稻黃變的關(guān)系,得到糧溫和水分越高,黃變越嚴(yán)重[18];菲律賓的一些農(nóng)場對潮濕稻谷進(jìn)行調(diào)查研究,顯示稻谷黃變與稻谷上生長霉菌有一定關(guān)系;日本學(xué)者飯緣雄對東南亞國家黃粒米進(jìn)行調(diào)查研究,認(rèn)為水分較大和高溫是稻谷變黃的主要原因,且稻谷被桔青霉、黃綠霉和冰島青霉侵染,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生毒素。因此,影響儲(chǔ)糧變黃的因素主要有儲(chǔ)糧水分含量、溫度、濕度、儲(chǔ)氣組成、裝袋處理與否、收獲天氣等。綜上,儲(chǔ)糧黃變根據(jù)作用機(jī)理不同可以分為霉菌黃變和非酶褐變,前者因真菌等微生物感染而產(chǎn)生有毒色素引起,對身體具有一定危害性,喪失食用價(jià)值;后者大米發(fā)生了美拉德反應(yīng),造成米粒變黃,大米無毒,但是嚴(yán)重影響稻谷的出米率和營養(yǎng)價(jià)值[15]。
儲(chǔ)糧變黃變質(zhì)的問題,大多數(shù)情況為多種因素綜合作用造成,所以應(yīng)針對各地不同情況采取相應(yīng)的措施。我國國標(biāo)規(guī)定機(jī)械化烘干的稻谷儲(chǔ)藏安全水分為13.5%以下,這是預(yù)防黃變的基礎(chǔ)條件,實(shí)驗(yàn)研究表明水分含量13.1%以下的稻谷,做好密封處理,即使儲(chǔ)糧溫度為35℃,半年亦可避免真菌感染[15]。
低溫儲(chǔ)藏是日本特有的儲(chǔ)藏形態(tài),其儲(chǔ)藏倉庫分為政府倉庫、農(nóng)業(yè)倉庫和營業(yè)倉庫三種。政府倉庫是低溫儲(chǔ)藏倉庫,其設(shè)備可保障糙米實(shí)現(xiàn)長達(dá)數(shù)年以上的長期儲(chǔ)藏。低溫儲(chǔ)糧是指能將糧溫控制在15℃以下的儲(chǔ)藏技術(shù),準(zhǔn)低溫儲(chǔ)糧是指能將糧溫控制在20℃以下的儲(chǔ)藏技術(shù)。日本每年生產(chǎn)稻米約860萬t(按糙米計(jì)算),75%采用低溫儲(chǔ)藏,14%采用準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。佐佐木等研究發(fā)現(xiàn)溫度為15℃,濕度約65%為稻米儲(chǔ)藏的合適條件,溫度低于15℃儲(chǔ)糧性能更好,但是低溫倉庫設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用更高[19]。
國內(nèi)采用低溫儲(chǔ)糧方式有:自然通風(fēng)冷卻低溫儲(chǔ)糧、機(jī)械通風(fēng)低溫儲(chǔ)糧、機(jī)械制冷低溫儲(chǔ)糧和糧堆隔熱保冷低溫儲(chǔ)糧等。低溫儲(chǔ)糧可借助自然低溫空氣或機(jī)械制冷的冷卻空氣來實(shí)現(xiàn),低溫低濕的空氣經(jīng)過風(fēng)機(jī)與糧食進(jìn)行熱交換,使糧食保持在較低的溫度條件下。施燦璨利用自然冷資源設(shè)計(jì)了稻谷低溫儲(chǔ)藏倉,并通過實(shí)驗(yàn)證明了低溫儲(chǔ)藏倉內(nèi)稻谷較常溫儲(chǔ)藏的稻谷品質(zhì)好[20]。低溫儲(chǔ)糧技術(shù)具有如下優(yōu)勢:
1)低溫儲(chǔ)糧可以改善糧堆內(nèi)的生態(tài)環(huán)境,抑制霉菌的產(chǎn)生和發(fā)展;使害蟲的呼吸、進(jìn)食、行動(dòng)減弱,減緩了其生長發(fā)育速度;減少了結(jié)露、發(fā)熱、霉變的發(fā)生機(jī)率;避免了熏蒸防護(hù)所引發(fā)的化學(xué)藥劑殘留等污染給身體健康帶來的潛在危害和對環(huán)境的污染;
2)低溫儲(chǔ)糧可降低糧食的呼吸強(qiáng)度,抑制糧食的新陳代謝,延長儲(chǔ)藏時(shí)間;
3)低溫儲(chǔ)糧能有效延緩糧食品質(zhì)劣變,確保糧食的食用品質(zhì)和營養(yǎng)價(jià)值,這是其它儲(chǔ)藏技術(shù)所無法比擬的;
4)低溫儲(chǔ)糧可減少或避免糧食儲(chǔ)藏過程中的倒倉,節(jié)省人力和物力。
日本對稻谷干燥后品質(zhì)要求苛刻,稻谷機(jī)械化烘干是有效提高干燥品質(zhì)和效率的方式。1995年末,日本谷物干燥烘干機(jī)的使用量達(dá)到112萬多臺(tái),平均每公頃擁有稻谷干燥烘干機(jī)0.5臺(tái),稻谷機(jī)械化烘干率高達(dá)95%以上[21]。日本雖然人多地少,但卻有如金子、靜岡、山本、左竹等多家專業(yè)生產(chǎn)谷物烘干機(jī)的品牌公司。1996年,日本烘干機(jī)的年產(chǎn)量為6.4萬臺(tái),日本內(nèi)部市場銷售5.9萬臺(tái),其中90%以上為循環(huán)式干燥烘干機(jī),購買和使用干燥烘干機(jī)的對象主要是農(nóng)戶和農(nóng)協(xié),農(nóng)戶購買的干燥烘干機(jī)多為中小型,容量一般為800~6 000 kg,農(nóng)協(xié)、政府和其他合作組織購買干燥烘干機(jī)主要是建立谷物干燥調(diào)制中心,其對干燥烘干機(jī)的自動(dòng)化程度要求較高,容量較大,且無論是農(nóng)戶或者農(nóng)協(xié)購買干燥烘干機(jī)或其他農(nóng)機(jī)產(chǎn)品,都可以得到國家給予的50%左右的資金補(bǔ)貼。綜上可知,日本稻谷機(jī)械化烘干率長期處于世界領(lǐng)先水平,得益于品牌企業(yè)對市場的準(zhǔn)確把握、高素質(zhì)的種植農(nóng)戶和優(yōu)越的政府政策。
國內(nèi)谷物烘干機(jī)械化始于20世紀(jì)50年代,主要引進(jìn)應(yīng)用前蘇聯(lián)的設(shè)備,為后期的干燥設(shè)備研究奠定了基礎(chǔ)。目前,全國谷物干燥烘干機(jī)生產(chǎn)廠家達(dá)50多家,國內(nèi)暢銷的稻谷烘干機(jī)品牌主要有臺(tái)灣的三久、中聯(lián)重科的谷王干燥機(jī)、廣東廣聯(lián)牌稻谷熱泵烘干機(jī)等。
2014年我國糧食耕種收機(jī)械化水平達(dá)到74%,其中水稻機(jī)收水平達(dá)到81%,水稻種植機(jī)械化水平超過38%[22],但是在水稻機(jī)械化烘干環(huán)節(jié)仍處于較低的水平,全國水稻機(jī)械化烘干不足10%。2017年廣東省機(jī)械化烘干水平僅為7%,低于國家機(jī)械化烘干的整體水平,全省擁有稻谷烘干機(jī)約300臺(tái),廣東水稻種植面積為188.86萬hm2,平均每萬公頃0.0158臺(tái)稻谷烘干機(jī)。因此,國內(nèi)稻谷機(jī)械化烘干率低、烘干設(shè)備嚴(yán)重不足,已成為制約水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸因素。
據(jù)統(tǒng)計(jì),2014年國家共投入中央財(cái)政資金3.2億元,補(bǔ)貼烘干設(shè)備8 404臺(tái)套,較上年增加了20%[2],有效推進(jìn)了水稻機(jī)械化烘干的發(fā)展。但是我國機(jī)械化烘干的發(fā)展依然存在以下問題:
1)各省的稻谷機(jī)械化烘干發(fā)展不均衡,主要受限于水稻種植區(qū)域的地形地理、經(jīng)濟(jì)水平等因素;
2)水稻生產(chǎn)經(jīng)營分散,農(nóng)機(jī)專業(yè)合作社發(fā)育程度不高;
3)農(nóng)戶和糧食加工企業(yè)對于市場上現(xiàn)有的烘干設(shè)備缺乏鑒別能力,不知如何選用先進(jìn)實(shí)用的烘干機(jī);
4)政府農(nóng)機(jī)購機(jī)補(bǔ)貼政策不斷變化,水稻種植大戶、合作社及龍頭企業(yè)對政策的認(rèn)識(shí)能力不夠;
5)相對于天然晾曬,烘干設(shè)備價(jià)格高昂,且使用率不高,購置烘干設(shè)備的同時(shí)還需投資清選、除雜、倉儲(chǔ)等配套設(shè)備。
針對上述問題,政府相關(guān)部門也出臺(tái)了一些扶持政策,讓各地區(qū)農(nóng)業(yè)工作人員積極落實(shí)農(nóng)機(jī)購機(jī)補(bǔ)貼政策,上山下鄉(xiāng)為種植大戶、龍頭企業(yè)宣傳農(nóng)業(yè)優(yōu)惠政策;農(nóng)業(yè)科研院所的高級(jí)技術(shù)人員深入基層調(diào)查,為農(nóng)民解答問題,培訓(xùn)如何使用先進(jìn)烘干設(shè)備;對于烘干設(shè)備價(jià)格高昂問題,國家通過引導(dǎo)烘干設(shè)備企業(yè)申請進(jìn)入國家農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼網(wǎng),鼓勵(lì)各區(qū)縣建立稻谷烘干中心,集中處理收割后的稻谷,但是稻谷烘干設(shè)備使用率低的問題尚未解決。
稻谷烘干儲(chǔ)藏一體化即稻谷熱泵干燥機(jī)配裝一個(gè)儲(chǔ)藏保鮮庫體,即可實(shí)現(xiàn)稻谷干燥和多種農(nóng)產(chǎn)品的儲(chǔ)藏保鮮,做到一機(jī)二用。
由圖1可知,左邊為保鮮庫體,右邊為稻谷循環(huán)干燥箱,中間為熱泵除濕、制冷雙效機(jī)組,干燥功能和儲(chǔ)藏保鮮功能分別通過2個(gè)蒸發(fā)器(即用于烘干的除濕蒸發(fā)器和用于儲(chǔ)藏的保鮮蒸發(fā)器)實(shí)現(xiàn)。烘干與保鮮可同時(shí)作業(yè),也可單獨(dú)作業(yè)。烘干儲(chǔ)藏一體化設(shè)備一年四季作業(yè),解決了烘干機(jī)設(shè)備一年閑置時(shí)間過長、使用率低的問題。2012年,廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所率先提出了稻谷烘干儲(chǔ)藏一體化建設(shè)思路,并在同年7月底在廣州從化某稻谷烘干中心建立示范中心。目前,10 t型稻谷熱泵干燥機(jī)可分別配套建設(shè)300~600 m3的保鮮庫。保鮮溫度范圍0~18℃。在稻谷干燥季節(jié),干燥過程中有大量除濕富余的冷量供給冷庫使用,實(shí)現(xiàn)免費(fèi)的儲(chǔ)藏保鮮,有效實(shí)現(xiàn)冷、熱量最大化利用。
圖1 熱泵干燥機(jī)和保鮮雙效應(yīng)用示意圖
稻谷烘干儲(chǔ)藏加工一體化建設(shè),保鮮庫與稻谷熱泵干燥機(jī)共同使用一套可雙效應(yīng)用的主機(jī)系統(tǒng),從而大幅降低設(shè)備的投資成本。一般修建一個(gè)600 m3保鮮庫報(bào)價(jià)為32.4萬元,而由稻谷熱泵干燥雙效主機(jī)提供600 m3保鮮庫報(bào)價(jià)僅為21.0萬元,可節(jié)省11.4萬元。
通過探討稻谷儲(chǔ)藏、烘干過程中存在的技術(shù)問題,得出低溫儲(chǔ)糧技術(shù)能夠有效緩解稻谷儲(chǔ)藏過程中出現(xiàn)陳化、儲(chǔ)糧降溫、蟲害霉變、變黃四大問題;一機(jī)二用的烘干儲(chǔ)藏一體化建設(shè)設(shè)備不僅可以提升稻谷機(jī)械化烘干率,而且可用于稻谷的低溫儲(chǔ)藏、農(nóng)產(chǎn)品的保鮮加工,減少了種植大戶、農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)的設(shè)備初期投入資金。因此,稻谷烘干儲(chǔ)藏一體化建設(shè)對推進(jìn)稻谷烘干的機(jī)械化、現(xiàn)代化具有重要意義,也有利于加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程。
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