水稻干燥过程应力裂纹产生的机理研究

摘要：通过水稻干燥和缓苏过程中稻谷爆腰产生的玻璃化转变分析，确定稻谷在玻璃态下干燥时对爆腰增殖无影响。建议采用2种措施：一是使稻谷在玻璃态下干燥，抑制爆腰产生；二是使稻谷在较高温度下干燥一定时间后，给稻谷缓苏足够时间以降低内部水分梯度，使内部水分均匀，有效地降低稻谷裂纹率和提高产米率。

关键词：水稻；干燥过程；应力裂纹；玻璃化转变

中图分类号：S375 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0024-02

稻谷内部裂纹主要有干燥裂纹和吸湿裂纹两种。从谷物颗粒的横截面来看，干燥裂纹是由谷物不均匀收缩导致脱水不均匀造成的。水分梯度是谷物产生爆腰或裂纹的主要原因。但干燥过程中颗粒内部水分梯度比较大，而水稻裂纹真正在加热干燥时产生不多，往往在干燥结束后72 h内持续出现，这是由于稻谷颗粒的材料特性和物理结构发生了变化。因此，稻谷爆腰应是稻谷颗粒内部水分梯度和物质状态变化的综合结果。

1 干燥过程中稻谷爆腰产生的玻璃化转变分析

稻谷干燥一定时间后，颗粒表面已处于玻璃态，水分梯度大，产生的拉应力也大；而稻谷内部进入玻璃化转变区的时间较慢或者尚处于橡胶态，水分梯度较小，因此有较大的塑性，能承受较大的变形。稻谷形成玻璃态层后，在玻璃态层的玻璃化转变开始点处，除承受玻璃态部分收缩引起的拉应力外，同时受到橡胶态层的膨胀力和弯曲力，所以承受拉应力最大，且水分梯度大，此处最容易产生微裂纹，进而引起爆腰。由于爆腰起始点在颗粒玻璃态层的玻璃化转变开始点处，而干燥过程中玻璃化转变起始点处于颗粒表层，颗粒表层强度较大，因此，干燥过程中一般不产生爆腰。

如果干燥过程一直在水稻颗粒玻璃化转变温度以下进行，则颗粒干燥强度低，没有玻璃态的转变，颗粒内部虽有很大水分梯度，但不能起到产生爆腰的作用。在橡胶态下干燥后立即冷却同样要产生裂纹。如果稻谷干燥结束时表面已玻璃化，由于玻璃态的稻谷弹性模量大，急冷时收缩使颗粒内部产生很大且不均匀的应力，其内部由于温度迅速降低而进入玻璃态。稻谷干燥结束时，颗粒内部还存在部分橡胶态区，在稻谷温度急速下降的情况下，其内部不同含水率部分就会在不同水分梯度下分别进入玻璃态，从而引起内部各部分的不均匀收缩和各不相同的应力、应变，所以冷却过程会使颗粒玻璃态层玻璃化转变开始点处承受很大的应力，因而产生爆腰。

水稻颗粒内部部分节点的模拟水分梯度（在风温 58 ℃，初始水分为18%的条件下干燥 30 min后立即冷却）当稻谷干燥结束后，颗粒温度从高于玻璃化转变温度（对应于当时颗粒内部含水率分布）冷却到室温的过程中，颗粒外部先行收缩，内层随后冷却收缩。玻璃态面的弹性模量大，可达到玻璃化转变前的5倍左右，表面小变形即能产生很大的拉应力。此过程中，颗粒表层玻璃态的玻璃化转变开始点逐步往颗粒内部推进。

玻璃化转变开始点处承受三方面的拉应力：首先是因表层玻璃态降温引起的拉应力；其次是内部橡胶态因水分均化引起的膨胀力和弯曲力。当颗粒各点都进入玻璃态后，稻谷内部的水分均化仍需很长时间。进入玻璃态时，由于颗粒内部各部分是在不同水分梯度下分别进入玻璃态，既有水分梯度引起的应变，还有温度变化引起的应变，从而引起内部各部分的不均匀收缩和各不相同的应力、应变，致使颗粒内部产生大面积的银纹。银纹不断扩展，最终产生爆腰。因此，干燥后的爆腰可持续很长时间。

2 缓苏过程中稻谷爆腰产生的玻璃化转变状态分析

在稻谷干燥过程中，常采用间歇干燥工艺，在两个干燥过程之间使用缓苏操作工艺。缓苏是在不加热的情况下，使稻谷在仓内保温一定时间，这是降低颗粒内部水分梯度的主要方法。缓苏时，水稻颗粒内部水分主要沿短轴扩散。缓苏后，颗粒内部的水分分布趋于均匀。由于在缓苏过程中稻谷内部也有水分梯度和玻璃化转变存在，所以缓苏也会影响稻谷裂纹的形成。

研究表明，稻谷在风温为50.0 ℃，47.5 ℃，45.0 ℃条件下干燥后立即用30.0 ℃的密闭环境保存48 h，其爆腰率分别为87.2%，70.0%和41.6%，这说明缓苏温度对稻谷温度有很大影响。稻谷温度决定了是否有玻璃化转变的存在，所以缓苏温度对稻谷的爆腰有影响。

稻谷的缓苏温度选择对爆腰的影响非常大。通过对玻璃态稻谷颗粒的银纹分析可知，稻谷干燥过程中颗粒进入玻璃态时，如果其内部应力和温湿度条件达到银纹引发临界条件，则会产生银纹。此时，若继续存在足够大的应力作用，银纹就会破裂，稻谷发生爆腰。如果在稻谷出现爆腰前采用高于玻璃化转变温度的缓苏温度，一方面可快速降低稻谷内部的水分梯度，从而更快降低稻谷内部应力，使稻谷在水分均匀的情况下进入玻璃态，避免应力损伤，防止稻谷进入玻璃态时产生银纹或亚裂纹并诱发爆腰；另一方面高缓苏温度能使已产生银纹或微裂纹的颗粒得以退火而消除银纹或微裂纹。所以，用较高风温干燥稻谷时，稻谷干燥一定时间后，采用高于玻璃化转变温度的缓苏温度进行缓苏操作，能有效地降低稻谷裂纹率和提高产米率。

虽然缓苏可有效防止稻谷爆腰，但由于对其机理不了解，所以很难把握和确定缓苏温度。根据玻璃化转变的观点，应该先使稻谷在橡胶态下的颗粒内部温度和含水率均匀一致，即使有玻璃化转变发生，也可防止稻谷爆腰产生。

3 结论

1） 水稻干燥结束后，立即进行爆腰率的数据测量发现，此时爆腰率并不高。在干燥结束72 h后，进行爆腰率的数据测量，结果表明：当水稻的干燥介质温度低于玻璃化转变温度时，其爆腰率很低，而高于玻璃化转变温度时，其爆腰率非常高。爆腰率测试是在室温11 ℃条件下进行的，这说明颗粒的温度从高于玻璃化转变温度变化到室温时，玻璃化转变对水稻爆腰起了重要作用。试验结果还说明，稻谷在玻璃态下干燥时对爆腰增值无影响。

2） 干燥后稻谷为玻璃态时的银纹观察试验表明：干燥后玻璃态的稻谷内部出现了银纹凹槽，即存在微裂纹；稻谷爆腰产生在玻璃态部分，且为脆性断裂，这是由于玻璃态中先形成了银纹，在应力进一步作用下，银纹产生破裂从而形成爆腰。

3） 为避免稻谷爆腰的产生，可采用以下2种措施：第一，通过玻璃化转变温度曲线可看出，干燥过程中稻谷的玻璃化转变温度越来越高，因此可采用干燥介质温度逐渐升高的干燥工艺（即变温干燥工艺）来干燥稻谷，能保证稻谷在玻璃态下干燥，从而抑制爆腰产生；第二，稻谷在较高温度下（即稻谷处于橡胶态）干燥一定时间，使稻谷缓苏足够时间以降低内部水分梯度，也能有效降低稻谷裂纹率，提高产米率。

参考文献

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