成品大米仓储品质变化及快速缓苏 CFD 模拟研究,毕业范文论文

发布时间：2015-02-02 17:06

第 1 章 文献综述

1.1 课题研究目的与意义
中国是一个人口众多的国家，同时也是一个自然灾害频发的国家，2003 年的“非典”、2008 年汶川地震、2013 年的雅安地震及 H1N1 流感病毒蔓延等事件对人民的正常生活造成了极大影响，同时这些突发事件带来的应急状态下成品粮供应不足，也引发了一系列问题。而目前我国粮油仓储设施建设仍不平衡，应急保障能力薄弱，粮食物流“瓶颈”尚未突破，比如成品粮应急储备库建设的相关技术、粮食现代物流尤其是成品粮（半成品粮）流通等技术问题，仍没有取得实质性的突破。国家对粮油的宏观调控也要求各地特别是主销区和库存薄弱地区，要根据市场需求及粮食应急需要，进一步充实成品粮油地方储备库存，增强市场调控能力。京、津、沪等大中城市及敏感地区，要适当增加小包装成品粮油应急储备数量。李克强总理指出，要做好“广积粮、积好粮、好积粮”三篇文章。因此，做好成品粮的应急储备，显得更为重要。
近年来，随着人们生活水平不断提高，人们对大米的食用品质及食用安全性要求越来越高。如何做好稻米在储藏、加工、市场流通等环节的防控减损工作已显得尤为重要。大米水分控制在 15.5%~16.5%蒸煮米饭保持较高的食味值[1]，能保证整精米率及保持米的质构和酶活力，增加米饭的食味品质，且水分偏高的大米的食味值要高于水分低的大米。马涛等[2]研究表明较高水分的糙米较低水分糙米的食味值偏高，对中高水分的稻谷加水，糙米食味值略有增加但变化不明显。因此保持大米本身的水分对大米的食味值非常重要。大米自身的水分保证米粒自身充足的结合水，使米粒的亲水凝胶颗粒空间结构不被破坏。马涛等[2]的研究表明当米粒本身含水量低于 14%，米粒吸水时腹部急速吸水与背部产生水分差，两部分体积产生偏差瞬间引起表面龟裂，即开花现象，使米粒失去弹性。杨国剑[3]的研究表明，水分 11%的稻谷较 14%的稻谷整精米率下降 5%-6%，同时指出，储存期稻谷水分的丧失，会导致一些对水分有依赖的微量元素、营养成分发生变化，导致稻谷干枯易碎。包金阳等[4]研究表明高水分糙米比低水分糙米有较高的食味值，但储存过程中的品质劣变速度也显著高于低水分糙米。因此合理控制大米的含水量及储存方式以达到既能兼顾大米安全储藏又能保证其加工品质及食味品质，减少大米损失，消除劣变大米对消费者造成的安全隐患，同时提高企业经济效益，具有重要的现实意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 大米储藏保鲜技术研究进展
我国稻米产量居世界第一，是大米的主要消费大国，据 2012 年中国统计年鉴，我国水稻种植面积占总耕地面积的 18.52%，种植范围广，产量达 20 100 万吨，位居世界之首。国家粮油信息中心预测，2012 至 2013 年度，中国稻谷消费量为 20 150万吨，较上年度增加 310 万吨，增幅为 1.5%，首超 2 亿吨，稻米的生产、需求及进口均呈增加之势。2012 年，中国大米进口量同比增长超过 4.5 倍，达到创纪录的 260 万吨，这使中国成为仅次于尼日利亚的全球第二大大米进口国。大米是一种多孔性介质，比表面积大，是成品粮中最难保存的品类之一，由于稻壳和皮层在大米加工时均被去除，胚乳直接接触外界环境，米粒是富含淀粉和蛋白质等营养物质的亲水胶体物，加之稻谷加工时的机械损伤，极易受湿、热、氧、虫、霉等影响而变质，特别在高温高湿条件下，大米陈化，霉变速度加快，酸度增加、黏性下降、品质劣变[5]。因此，大米的储藏保鲜技术一直是国内外学者的研究热点。
大米保鲜是为了防止大米在仓储、流通过程中生虫、长霉以及延缓其陈化及品质劣变速度。大米储藏主要包括以下几种方法：常温储藏、低温储藏(自然低温和机械制冷)、气调(自然缺氧、充 CO2、充 N2、真空)储藏、化学储藏等。目前，对于大包装（25 Kg）大多采用常温储藏，部分采用低温储藏，气调储藏因对包装材料要求较高，主要用于一些家庭装的小包装（如 2.5 Kg、5 Kg、10 Kg）。化学储藏因涉及药物残留问题，现已很少使用。一些新的保鲜技术如辐照技术、喷涂技术、纳米技术和微波技术等已开始应用研究，但应用到大米实际流通过程的还不多见。
（1）常温储藏
常温储藏是目前应用最广泛也是较为普遍的大米储藏方式，也是最不利于保质保鲜的储存方式。稻谷收获后，通过自然干燥或干燥塔将大米干燥至安全水分以下，然后碾磨成大米包装进行常温保存等。常温储藏主要是利用大米的水分含量低，不容易滋生霉菌，延缓大米品质劣变。然而，常温储存与不同地域的气候条件有很大关系，会造成大米失水或吸潮等一系列变化，继而引发品质劣变。采用这种方法大米的量与质的损失都比较严重，且容易滋生微生物和遭到虫害、鼠害等外界因素的危害。
（2）低温储藏
粮食低温储藏是利用自然低温条件或通过机械制冷设备，降低储粮环境温度，确保粮食在储藏期间的粮堆温度维持在低温(15℃)或准低温(20℃)下的一种粮食储藏技术。低温储藏应充分发挥各项储粮技术措施的综合优势，灵活运用自然低温，结合适时通风和机械制冷等技术的协同效应。同时在实施低温储藏过程中，引入远程监控等智能化信息装备，实时检测和自动分析粮堆内外温度、湿度等各参数的变化情况[6]。低温储藏对于大米的储藏保鲜具有明显的优越性：低温减弱大米粮堆的生命活动，可有效解决大米度夏难的问题，并且可作为处理高水分大米的应急手段；总之，低温储藏是目前公认的有效的和符合绿色环保要求的储藏保鲜技术，从长远来看，有很好的经济和社会效益。
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第 2 章 不同储存条件大米品质变化

引言
一般水稻加工时水稻整体水分在 13%-15%之间，脱壳碾磨之后，成品米的水分在 15.5%左右。目前的研究表明较高水分的大米制米过程中的整精米率会有较大提高，适度加工等，出米率高，本身口感、新鲜度也比低水分时好，营养价值高，市场价格高，企业效益好。在可能的条件下需要低温、准低温储粮，才能起到较好的保水保质效果。因此本文以较高水分大米为试验材料研究其在低温、准低温及其它条件下的品质变化。考察指标主要有表征大米品质的敏感指标水分、脂肪酸值、直链淀粉及感官指标、色差值，蒸煮米饭质构指标及米粒在不同储藏环境下微观结构的变化，霉菌及毒素几个方面考察大米的品质变化。

2.1 试验材料与方法
2.1.1 试验材料
（1）试验原料
临稻 16：粳型常规水稻，2012 年 10 月中旬采购于济南市历城区华山镇，经齐河县国家军粮储备库加工成试验大米。由北京古船米业提供的 25 Kg 塑料编织袋包装。
龙粳 31：粳型常规水稻。2012 年中旬购于黑龙江建三江农场，委托黑龙江建三江益华米业加工成试验大米。由北京古船米业提供的 25 Kg 塑料编织袋包装。
七星一号：清香型中长粒米。2012 年中旬购于黑龙江建三江农场，委托黑龙江建三江益华米业加工成试验大米。由北京古船米业提供的 25 Kg 塑料编织袋包装。
（2）主要仪器与设备

2.1.2 试验方法
1．化学指标测定水分测定方法：GB/T 21305-2007《谷物及谷物制品水分的测定》及参考 ASAE 标准。
脂肪酸值测定：按照 GB/T20569-2006《稻谷储藏品质判定规则》的附录 A 稻谷脂肪酸值测定方法进行。
蛋白质测定方法：GB 5009.5-2010《食品中蛋白质的测定》第二法：分光光度法及近红外光谱法。
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2.2 试验结果分析
2.2.1 储存条件对大米水分的影响

同一时间段下，经方差分析，低温库内变低温储存大米的水分与常温对照储存大米的水分存在极显著差异（P<0.01）。常温对照大米冬春季节因受外界低温低湿条件影响严重失水，每一储存阶段降水都呈极显著差异，较高水分大米临稻 16和七星一号在储存的第一个月水分已经降至 15.5%以下，高水分大米龙粳 31（初始水分 17.54%），在储存的第三个月水分降至 15.5%以下。同一储藏条件下，三品种大米不同时间段内试验组低温储存大米总体降水缓慢，水分越高的大米，同一储存条件降水幅度越大，储存过程中，大米处于解吸状态，不断失水。低温库内大米水分缓慢降低，在冬季的几个月份每一阶段降水不明显，四月份以后当低温库内温度上升到 15℃以后，每一阶段降水差异极显著（P<0.01），但总体降水量很低，经过 10 个月的储存三品种大米水分基本仍维持在 15.5%以上，达到很好的保水储藏效果。因此，北方冬季储粮主要是要合理控制储存环境的湿度，以达到保水的储藏效果，大米一旦出现大幅度降水，待环境温湿度升高时，为达到与环境的湿度平衡，大米就会大幅度吸水，大米吸水程度与大米水分含量呈负相关。如图 2-1 所示，常温对照大米在 5 月份到 8 月份之间，随外界环境温湿度的升高，出现明显的吸水过程，大米水分不断增加，同时夏季高温高湿环境造成霉菌滋生，霉菌的代谢活动产生大量水分也附着在米粒表面，导致大米品质严重劣变，丧失食用价值及商品价值。因此，冬季常温储粮主要做好保水工作，而夏季控温控湿是防止大米霉变的关键条件，较高水分大米过夏储存环境必须采取控温控湿的措施，或辅助其它的保鲜技术手段。
三品种大米不同储存条件下的水分如图 2-2、2-3、2-4 所示。

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第 3 章 不同储存条件大米微观结构观察 ...........................................44
3.1 试验材料与方法 .................................... 44
3.1.1 试验材料 .......................................... 44
3.1.2 试验方法 ...................................... 44
3.2 试验结果分析 ............................................. 44
3.2.1 储藏条件对米粒表面微观结构的影响 ................................................. 44
3.2.2 储藏条件对米粒去胚部位微观结构的影响 ......................................... 45
3.2.3 储藏条件对胚乳横切面细胞表面微观结构的影响 ............................ 46
3.2.4 储藏条件对胚乳横切面淀粉粒微观结构的影响 ................................ 47
3.3 本章小结 ......................................... 49 

第 4 章 低温储存大米出库缓苏试验及 CFD 模拟研究

引言
粮温与环境温差较大的情况下，极易引起粮食结露或米粒出现裂纹，米粒裂纹会使碎米增多，商品价值降低，食用品质下降。米粒迅速吸湿或迅速散湿都能造成大量爆腰，据试验，水分 15.64%的粳米在相对湿度 50%的条件下平摊 8 h，降水 2.48%，爆腰率由 2%增加到 100%，水分 11%的糙米，在相对湿度 100%的条件下，经 2 h 也全部爆腰[66]。刘木华等[67]从玻璃化转变的角度解释了米粒裂纹的产生机理：谷物在储存等过程中，温度的变化及水的增塑作用使谷物表面过渡到橡胶态。而未过渡到橡胶态的内部则产生拉应力，因此表面的很小变形足够引起内部很大拉应力，裂纹很容易在物料内部产生。如果裂纹从内部生长到表面则引起颗粒破碎。
粮食作为一种热不良导体，堆粮的导热系数较低，不利于散热或升温。在温、湿度差较大的成品粮进出仓过程中，采取“缓苏”操作可有效避免结露或米粒裂纹的发生，即对粮食进行一段时间的缓慢升温或降温的温度缓冲，同时伴随微弱的湿热传递。缓苏过程要避免粮食的大幅度降水，不但要考虑温度的影响，也应考虑湿度的影响作用。对于低温存储的成品粮夏季出仓来说，由于库内较长时间储存的粮食本身不存在温差，粮食本身内部不存在湿热交换，粮食需要吸收周围环境的暖气流完成缓苏，因此暖气流的温度很大程度上决定了缓苏的效率。
将 CFD 技术用于缓苏过程还未见报道。本文试图用 CFD 模拟缓苏过程，并通过试验进行验证。

4.1 试验材料与方法
4.1.1 试验材料
临稻 16： 2012 年 10 月中旬采购于济南市历城区华山镇，经齐河县国家军粮储备库加工成试验大米。
龙粳 31： 2012 年 10 月中旬购于黑龙江建三江农场，委托黑龙江建三江益华米业加工成试验大米。
七星一号： 2012 年中旬购于黑龙江建三江农场，委托黑龙江建三江益华米业加工成试验大米。
以上试验大米统一由北京古船米业提供的 25 Kg 塑料编织袋包装。从 11 月份开始储存于低温库（15℃以下，60%-70%）中，2013 年 7 月中旬部分用于缓苏试验。
4.1.2 试验方法
（1）霉菌菌落总数测定同 2.1.2
（2）水分测定方法同 2.1.2
（3）细菌总数测定：GB/T 4789. 2-2003，食品卫生的微生物学检验菌落总数的测定。
为探索最佳的缓苏条件，即在最短的时间内实现粮食内外升温，并且达到保水不结露的效果。首先以夏季单袋 25 Kg 包装大米低温储存出库展开试验：传感器分布如下：

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第 5 章 结论与展望

5.1 结论
（1）三品种大米经过 10 个月的储存后，一定湿度条件下，低温存储大米（15℃以下）水分呈现缓慢的失水趋势，仍维持在 15.5%以上。较高水分大米在低温(15℃以下)、维持一定湿度条件下（60%-70%之间），储存 10 个月可以达到保水保质的储存效果；在储存 5 个月后，脂肪酸值急剧增加，品质仍宜存。较高水分大米冬季储存可以达到保质的目的，但失水较为严重。较高水分大米夏季解除低温后，一个月后发生霉变，因此，其市场流通需在一定温湿度条件下才可以达到保水保质的效果；一定湿度条件下，较短期的准低温（20℃）储存，不会造成较高水分大米发生严重品质劣变；25℃，55%储存，可以达到保质的效果，但不能保水。因此通过有效地利用自然低温，适当控制湿度，在高温季节通过机械制冷控制在低温、准低温的储存环境，可以达到保水保质的储存效果。
（2）储藏期间大米蛋白质和直链淀粉的含量几乎不发生变化，以近红外米粒食味计测定的食味值，可以区分不同单一品种大米的食味品质，低温储存的三品种大米，食味值在不同的储存段，差异不显著（P>0.01），，而常温对照组大米，7月份之后由于大米发生霉变，食味值下降，差异极显著（P<0.01），但测得食味值仍较高，可能是经红外光谱测定食味值时，定标模型并未考虑霉变的大米所致。因此，单纯依靠食味值不能准确判定大米的品质，应结合感官评定。储存过程中大米 L 值降低，b 值升高，a 值变化不显著，无明显规律。蒸煮米饭的硬度增大，黏性、弹性下降，内聚性略有增加。
（3）通过对米粒不同部位微观结构扫描，得出以下结论：储藏过程中米粒表面及去胚部位裂纹空隙增大，淀粉粒裸露，易造成霉菌滋生，加工程度影响大米的储藏特性，大米自身的水分变化影响大米表面的微观结构。胚乳横切面蛋白质膜包裹的复合淀粉体周围分布众多小孔，随着储藏时间的延长，小孔增多变大，并且细胞表面被包裹的复合淀粉体之间的界限变得模糊，蛋白质膜明显翘起。15℃储藏，胚乳细胞表面及淀粉粒的排布变化不明显，20℃以上储存及自然储存大米微观结构发生了明显的变化。由此推断，米粒表面、去胚部及胚乳横切面的变化可能与储藏过程中发生的氧化和过氧化作用有关。
（4）低温储存大米出库缓苏过程，梯度升温过程与米袋内温湿度变化呈现一定规律，可以用 Peel-Reed 模型拟合。通过 CFD 软件模拟缓苏过程的温度变化，模拟值和试验值出现相似的变化规律，但在三个不同的位置，模拟值均高于试验值。可能与选定的算法及测定的大米的物性参数有关，另外传感器的精度也会影响试验的精确性。由对比结果可知，选用 CFD 可以预测大米缓苏过程的升温过程，直观显示升温过程米袋内部的温度变化情况，可节约温湿度传感器的布点数量。
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参考文献（略）

本文编号：11961