多因子胁迫下稻谷干燥过程中的水分迁移行为及其对淀粉、蛋白质和抗氧化酶活性的影响

《Molecules》：Moisture Migration Behavior During Paddy Rice Drying Under Multi-Factor Stress and Its Effects on Starch, Protein, and Antioxidant Enzyme Activities

　　

摘要专业翻译 为探究干燥条件对稻谷水分迁移及品质变化的影响，研究人员以2025年秋季采自中国东北的新鲜稻谷为材料，在30–50 °C、20%–30%相对湿度和3–4 m/s风速条件下开展了30组薄层干燥试验。构建了平均失水速率的三维插值曲面，并分析表观有效水分扩散系数（apparent effective moisture diffusivity, Deff*）以表征水分迁移特性。研究人员拟合了Newton、Page、Henderson–Pabis、Logarithmic、Wang–Singh和Midilli六种干燥模型，以评估其工艺应用潜力，并测定了干燥前后干基蛋白质含量、直链淀粉含量以及过氧化物酶（peroxidase, POD）和超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）活性的变化。结果表明：温度是影响干燥过程的主导因素。当温度从30 °C升至50 °C时，平均干燥时间从125.00 min缩短至48.33 min，平均失水速率从0.204 g/min增至0.662 g/min。失水速率曲面沿温度升高方向上升，相对湿度和风速变化仅引起小幅波动。床层尺度的平均表观有效水分扩散系数（Deff*）从1.572 × 10?8 m2/s增至3.843 × 10?8 m2/s。在六种干燥模型中，Midilli模型的样本内拟合效果最佳，R2为0.9988，均方根误差（root mean square error, RMSE）为0.0082，且总体上具有较低的赤池信息准则（Akaike information criterion, AIC）值，表明该模型在干燥动力学精细表征和工艺应用方面具有潜力。Logarithmic模型排名第二，Page模型因其形式简洁亦具有实用优势。温度对蛋白质含量存在显著主效应（p = 0.011），在50 °C时均值最低（7.900 g/100 g）。风速对直链淀粉含量的主效应显著，但在HC3敏感性分析中未保持显著。三种干燥因素对POD或SOD活性均无显著主效应。蛋白质和直链淀粉与SOD的Pearson相关性显著；经Holm校正后，仅蛋白质与SOD的负相关保持显著。在测试范围内，较高温度提高了干燥效率，而品质指标响应各异。基于干燥效率和品质指标的变化，35–40 °C可视为兼顾脱水效率与品质保持的候选温度区间，为后续工艺优化提供参考。上述发现为薄层稻谷干燥过程中水分迁移与品质的协同评价以及未来智能干燥控制模型的开发提供了生理生化信息支撑。

论文解读文章

一、研究背景与研究意义

稻谷是全球重要的主粮作物之一，在粮食安全和膳食供给中具有不可替代的地位。据联合国粮农组织统计，2024年全球稻谷产量约8.2亿吨，其中亚洲产量约7.34亿吨；中国2025年稻谷播种面积为2901.22万公顷，总产量达2.09041亿吨。鉴于稻谷产量规模庞大，采后干燥是保障品质和安全贮藏的关键环节，具有突出的经济和工业意义。

热风干燥因操作简便、适应性强、处理量大而被广泛用于稻谷干燥。然而，稻谷对热敏感，干燥过程中热量传递、内部水分扩散和表面蒸发同时发生，并伴随籽粒组织变化。干燥温度、相对湿度和风速等参数一方面决定水分迁移速率，另一方面可能改变蛋白质、淀粉等主要营养成分，并通过影响活性氧代谢和抗氧化防御过程进一步改变POD和SOD等抗氧化酶活性。因此，干燥性能需同时从脱水效率和籽粒品质两个维度进行评估。

已有研究在稻谷干燥动力学、经验模型拟合和单一品质响应方面开展了大量工作，但受材料、设备和操作条件差异的影响，跨研究结果难以直接比较。从稻谷采后处理实践出发，关键问题不仅在于提高干燥效率，更在于阐明温度、相对湿度和风速联合作用下水分迁移行为与品质指标的变化规律，并在同一温湿风组合体系内建立动力学参数与品质响应之间的可比较实验证据。因此，本研究在统一的温度–湿度–风速组合系统中同时评价脱水行为与蛋白质、直链淀粉、POD和SOD的变化，旨在阐明多因子协同效应对稻谷水分迁移和品质变化的影响，为干燥工艺优化和品质控制提供数据支撑与理论基础。

二、研究内容概述

研究人员以辽宁省营口市种植的越光（Koshihikari）稻谷品种为材料，样品于2025年10月采收，初始湿基含水率为17.4%。采用全因子设计，设置5个干燥温度（30、35、40、45、50 °C）、3个相对湿度水平（20%、25%、30%）和2个风速水平（3、4 m/s），共30个处理组合。每个处理取700 g稻谷样品，均匀铺成20 mm厚料床，使用吉林大学的JK-KB1700薄层热风干燥模拟器进行干燥，目标终点为湿基含水率14.0%，每10 min记录一次样品质量。共进行33次干燥运行，其中3次因称量或计时错误判定无效并重新补做，最终每个处理保留一次有效干燥运行。未干燥样品作为品质指标归一化参照。干燥后样品于4 °C暂存待测，每个处理保留50 g用于POD和SOD测定，300 g用于淀粉、蛋白质和脂肪分析，各品质指标进行3次技术重复取均值。

三、主要研究结果

3.1 薄层干燥过程中的水分迁移

质量比（M_r）和表观水分比（MR^*）的总体曲线表明，干燥并非恒速过程：初始阶段质量下降较快，后期逐渐减缓，符合降速干燥特征。温度升高显著加速M_r和MR^*的下降，50 °C下样品在更短时间内完成质量损失；较低相对湿度（20% RH）下M_r下降最快，但MR^*差异较小，说明相对湿度主要改变干燥速率而不显著改变水分迁移曲线形态；风速从3 m/s增至4 m/s仅带来有限的干燥改善。

3.2 温度、相对湿度和风速对失水速率的联合效应

基于30组实验数据构建的平均失水速率三维插值曲面显示，在3和4 m/s两种风速下，曲面主要沿温度轴上升；20–30%相对湿度范围内变化较小，20% RH下失水速率总体高于30% RH；4 m/s曲面较3 m/s更平滑。温度应作为薄层热风干燥控制的首要因素，相对湿度可作为调节干燥条件和潜在品质风险的辅助手段。

3.3 温度对干燥时间和平均失水速率的影响

平均干燥时间从30 °C时的125.00 min降至35 °C的101.67 min、40 °C的73.33 min，再降至45 °C的51.67 min和50 °C的48.33 min，30–45 °C范围内缩短尤为显著。平均失水速率从30 °C的0.204 g/min增至50 °C的0.662 g/min，约增加3.25倍。

3.4 表观有效水分扩散系数与活化能

30个处理的D_eff^*介于1.366 × 10^?8至4.438 × 10^?8 m²/s之间，线性回归R²为0.9001–0.9969。D_eff^*随温度升高而增大，从30 °C的1.572 × 10^?8 m²/s增至40 °C的2.565 × 10^?8 m²/s和50 °C的3.843 × 10^?8 m²/s。三因子方差分析表明，温度主效应占ln(D_eff^*)校正总变异的91.50%，风速和相对湿度分别占3.06%和0.32%，各二因子交互项均未达显著水平。在每一温度下，4 m/s的D_eff^*均值均高于3 m/s，50 °C时差异最大。基于各温度平均扩散系数拟合Arrhenius方程，R² = 0.9815，表观活化能（E_a）为38.96 kJ/mol。研究指出，D_eff^*以20 mm料床厚度的一半为特征长度计算，属床层构型的表观参数，不应直接等同于籽粒固有传质特性。

3.5 薄层干燥模型的拟合性能

六种模型分别对30组数据进行拟合。Midilli模型表现最佳，平均R²为0.9988，平均RMSE为0.0082，且在30个处理中有27个取得最低AIC值；Logarithmic模型排名第二（平均R² = 0.9861，RMSE = 0.0348）；Page、Henderson–Pabis和Newton模型平均R²均不低于0.9803；Wang–Singh模型在本研究归一化程序下拟合精度较低。Midilli模型因指数项与线性项的组合可同时表征初始快速下降和后期缓慢变化，适合精细描述干燥曲线；Page模型参数少、形式简单，利于实际应用。

3.6 干燥条件对品质指标的主效应

温度对干基蛋白质含量的主效应显著（p = 0.011），风速对干基直链淀粉含量的主效应显著（p = 0.041），但后者在HC3敏感性分析中未保持显著。温度、相对湿度和风速对POD（p = 0.230、0.393、0.579）和SOD（p = 0.622、0.523、0.799）均无显著主效应。含全部二因子交互项的模型中，蛋白质、直链淀粉、POD和SOD的交互项联合检验均不显著。SOD模型残差偏离正态性。

3.7 蛋白质和直链淀粉含量及相对保留率

参照样品蛋白质含量为8.03 g/100 g，30个处理干基蛋白质含量介于7.83–8.26 g/100 g，总体均值为7.999 g/100 g。各温度均值分别为：30 °C为8.013、35 °C为8.055、40 °C为7.965、45 °C为8.063、50 °C为7.900 g/100 g，50 °C时最低，相对保留率为98.38%。经Holm校正后，常规估计下35 °C和45 °C的蛋白质含量均显著高于50 °C；HC3估计下仅45 °C与50 °C差异保持显著。参照直链淀粉含量为13.80%，处理值介于10.50%–16.90%，均值为13.69%。35 °C时直链淀粉均值最高（14.98%，相对保留率108.57%），50 °C时最低（13.18%，相对保留率95.53%）。按风速分组，3和4 m/s下直链淀粉均值分别为14.31 ± 0.98%和13.08 ± 2.04%，4 m/s均值低1.23个百分点，相对降低8.57%。

3.8 POD和SOD活性的变化

未干燥稻谷的POD和SOD活性分别为0.258 mU/g和45.554 U/g。POD活性呈非单调变化，40 °C时均值最高（0.266 ± 0.020 mU/g），为未干燥样品的103.23%；45和50 °C时分别维持在99.10%和98.90%。各温度下SOD活性均值均低于未干燥样品：50 °C时为43.132 ± 3.190 U/g（相对活性94.68%），40 °C时为42.339 ± 2.738 U/g（92.94%）。35 °C时SOD离散度最大，标准差达12.551 U/g。但各温度组间均无统计学显著差异。

3.9 品质指标间的相关性

对30个处理的蛋白质、直链淀粉、POD和SOD进行两两Pearson相关分析。蛋白质与SOD呈显著负相关（p < 0.001），直链淀粉与SOD亦呈负相关（p = 0.041）。经Holm校正后，仅蛋白质与SOD的负相关保持显著（校正p = 0.003），直链淀粉与SOD的相关未达显著水平（校正p = 0.207）。蛋白质与直链淀粉呈正相关但未达显著。POD与SOD相关性不显著（r = 0.116，p = 0.540）。研究强调相关分析仅为探索性关联，不能作为因果证据。

四、讨论与结论

讨论部分指出，温度升高在薄层条件下显著提高脱水效率，但D_eff^*的数值和活化能表征的是本实验床层构型，不能直接等同于籽粒固有传质特性。Midilli模型拟合精度最高但参数较多，高温度短时间干燥导致称量点较少，模型灵活性可能对高拟合优度有贡献；Page模型因形式简单和拟合良好值得实际应用考虑，但各模型的独立预测性能尚待验证。蛋白质含量总体接近未干燥样品，50 °C均值最低，但温度主效应显著并不等于所有温度组间均存在显著差异，蛋白质变性程度因未检测结构和消化率而无法确定。直链淀粉含量在不同操作条件下波动较大，风速主效应在HC3分析中不稳定。POD和SOD活性均未呈现随温度升高的一致单调变化，三种干燥因素均无显著主效应，但研究强调这不能作为酶活性不受干燥条件影响的证据，未来需补充活性氧、膜损伤及相关代谢指标测定。蛋白质与SOD的显著负相关为探索干燥过程中蛋白质含量与抗氧化酶活性的不同响应提供了基础，但机制需更大样本研究验证。研究局限性包括：每个处理仅保留一次独立干燥运行、采样间隔较长、未进行籽粒尺度测量和独立预测验证。基于干燥效率和品质变化，35–40 °C可视为平衡脱水效率与品质保持的候选温度区间。

研究结论可概括为：温度升高在测试范围内提高了稻谷薄层干燥效率，30–50 °C下平均干燥时间从125.00 min降至48.33 min，平均失水速率从0.204增至0.662 g/min，平均D_eff^*从1.572 × 10^?8增至3.843 × 10^?8 m²/s。Midilli模型拟合性能最优（平均R² = 0.9988，RMSE = 0.0082），Logarithmic模型次之，Page模型兼具良好拟合和简洁结构。温度对蛋白质含量主效应显著（p = 0.011），50 °C均值最低（7.900 g/100 g）；风速对直链淀粉的主效应在HC3分析中未保持显著；三种因素对POD和SOD均无显著主效应，表明蛋白质和直链淀粉对干燥条件变化比抗氧化酶活性更敏感。蛋白质与SOD的Pearson相关系数为?0.595（p < 0.001），直链淀粉与SOD为?0.375（p = 0.041），Holm校正后仅蛋白质–SOD负相关保持显著。综合干燥效率和品质表现，35–40 °C可作为兼顾脱水效率与营养成分和抗氧化酶活性保持的候选温度区间，为稻谷干燥多目标优化和智能干燥控制策略开发提供了实验依据和理论支撑。