Investigation of fluidized-bed drying assisted with microwave and compressed-swirling air for preparing instant brown rice

Abstract

Brown rice contains many nutrients and bioactive compounds. However, consumption of brown rice still faces problematic long time cooking. In addition, the cooked brown rice has a sticky texture due to rice bran in unpolished rice. Therefore, instant brown rice is a new alternative product for consumers who need urgency and convenience. The instant brown rice production steps consists of preparation, cooking and drying. Drying is the most important step that affects rehydration time and sensory quality. Up to date, many researchers have attempted to solve this problem using various drying techniques. It was found that the fluidized bed drying method in combination with microwave improved the rehydration quality. However, the problem of cooked rice agglomeration during drying which made it difficult for fluidization is still encountered. Therefore, the objectives of this research were to design a fluidized-bed drying process assisted with microwave and swirling compressed air and to optimize the condition for preparing the instant brown rice..

In this research, a fluidized-bed dryer assisted with microwave and compressed swirling air to solve agglomeration and complicated preparation. Red jasmine rice was used in this research. Introduction of compressed air from the outside entered the drying chamber base in the tangential direction resulted in centrifugal force and collision between the grains and between the grain and the drying chamber wall. This caused the cooked rice grains to separate during drying. The study was divided into 3 parts: 1) the study of the instant red jasmine rice prepared by fluidized-bed drying assisted with swirling compressed air 2) the study of the instant red jasmine rice prepared by a fluidized-bed drying assisted with microwave and swirling compressed air and 3) the study of controlling an expanded-bed height and its stability by image processing method.

For the study of preparing instant red jasmine using a fluidized bed drying assisted with the swirling compressed air, factors tested were the hot air temperature (90-120°C) and pressure of swirling compressed air (4-6 bar) which influenced the parameters of the Page drying model (k and n value), and the effective diffusivity (Deff). It was found that drying conditions with swirling compressed air pressure of 6 bar mostly affected the Page drying model parameters and effective diffusivity (k = 0.15072, n = 0.89014, Deff = 5.94x10-8 m2s-1). Therefore, swirling compressed air pressure of 6 bar was further used to study the influence of hot air temperature (90-120°C) and supply time of swirling compressed air (2-10 minute) on physical properties, rehydration ratio and antioxidant properties of instant red jasmine rice. In addition, the optimization of such factors were determined by the response surface method. The result showed that drying conditions at hot air temperature 98.5°C, swirling compressed air pressure of 6 bar, the supply time of swirling compressed air of 2 minute resulted in the highest desirability value of 0.603. Therefore, this conditions were suitable for the study of preparing instant red jasmine rice using a fluidized-bed drying process assisted with swirling compressed air. However, due to difficulty in practice, the suitable hot air temperature of 98.5°C was set to 98°C for further study.

Preparation of instant red jasmine rice using fluidized-bed drying assisted with swirling compressed air and microwave heating microwave heating (0-450 watts) and its effect on the effective diffusivity were studied. It was found that the drying conditions with hot air temperature of 98°C and the microwave power of 450 watts mostly affected the effective diffusivity coefficient of 8.33x10-8 m2s-1. In addition, compared to constant microwave power mode, stepwise drying using a step-up mode of 300 to 450 W gave the lowest specific energy consumption of 25.49 MJ/kg. When considering the qualities such as color, shrinkage percentage, rehydration ratio and texture properties, it was found that drying conditions at hot air temperature of 98°C combined with stepwise microwave heating from 300 to 450 watts led to minimal color change, lowest shrinkage percentage of 51%, the highest rehydration ratio of 0.5105 and texture properties comparable to conventionally cooked rice. Thus, this condition was suitably used for preparing for the instant red jasmine rice using a fluidized-bed drying process assisted with swirling compressed air and microwave heating.

Finally, the expanded-bed height was analyzed, and bed stability was controlled by image processing method. The time-averaged volume fraction obtained from this method showed the flow behavior of brown rice within the drying chamber. It was found that the expanded-bed height changed with time due to the reduction of moisture content. In addition, the bed stability during drying was controlled with respect to energy efficiency. The result showed that drying conditions at hot air temperature of 98°C, swirling compressed air pressure of 6 bar, the supply time of swirling compressed air of 2 minute, stepwise microwave heating from 300 to 450 watts under the bed stability control gave the lowest of specific energy consumption of 24.79 MJ/kg, which was considered to be the suitable drying condition for preparing instant red jasmine rice in this research.

ข้าวกล้องประกอบด้วยสารอาหารและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพมากมาย อย่างไรก็ตามการบริโภคข้าวกล้องยังประสบปัญหาเรื่องเวลาในการหุงสุกค่อนข้างนาน อีกทั้งข้าวกล้องหุงสุกที่ได้ยังมีเนื้อสัมผัสเหนียวเนื่องจากรำที่ยังไม่ผ่านการสี ดังนั้นข้าวกล้องกึ่งสำเร็จรูปจึงเป็นผลิตภัณฑ์ทางเลือกใหม่สำหรับผู้บริโภคที่ต้องการความเร่งด่วนและความสะดวกสบาย ขั้นตอนการผลิตข้าวกล้องกึ่งสำเร็จรูปประกอบด้วย การเตรียมตัวอย่าง การหุงสุก และการอบแห้ง การอบแห้งเป็นขั้นตอนสำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อเวลาในการคืนรูปและคุณภาพทางประสาทสัมผัส ที่ผ่านมามีนักวิจัยมากมายพยายามแก้ปัญหาดังกล่าวโดยการใช้เทคนิคนิคการอบแห้งมากมาย โดยพบว่าวิธีการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับไมโครเวฟช่วยปรับปรุงคุณภาพของข้าวด้านการคืนรูป แต่ยังพบปัญหาการเกาะติดกันของข้าวสุกในระหว่างการอบแห้ง ซึ่งทำให้ยากต่อการเกิดฟลูอิดไดซ์เซชัน ดังนั้นจุดมุ่งหมายของงานวิจัจัยนี้ คือ การออกแบบกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับไมโครเวฟและลมหมุนอัดตัว และหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเตรียมข้าวกล้องกึ่งสำเร็จรูป

งานวิจัยนี้ได้ออกแบบเครื่องอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับไมโครเวฟโดยมีลมหมุนอัดตัวเพื่อแก้ปัญหาการเกาะติดกันและการเตรียมตัวอย่างก่อนอบแห้งที่ยุ่งยากซับซ้อน ข้าวกล้องที่ใช้ในงานวิจัยนี้ คือ ข้าวหอมมะลิแดง การอัดอากาศจากภายนอกเข้าไปยังฐานห้องอบแห้งในลักษณะทิศทางสัมผัสกับเส้นรอบรูปของท่ออบแห้ง ส่งผลให้เกิดแรงเหวี่ยงหนีศูนย์และการกระทบกันระหว่างเมล็ดข้าว และระหว่างเมล็ดข้าวกับผนังห้องอบแห้ง ทำให้เมล็ดข้าวหุงสุกแยกออกจากกันในระหว่างการอบแห้ง การศึกษาแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ได้แก่ 1) การศึกษาการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงกึ่งสำเร็จรูปด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัว 2) การศึกษาการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงกึ่งสำเร็จรูปด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัวและการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ และ 3) การศึกษาความสูงเบดลอยตัวและการควบคุมความคงตัวของเบดด้วยวิธีการประมวลผลภาพ

สำหรับการศึกษาการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัว ปัจจัยที่ศึกษาประกอบด้วยอุณหภูมิลมร้อน (90-120 องศาเซลเซียส) และความดันลมหมุนวนอัดตัว (4-6 บาร์) ที่มีผลต่อพารามิเตอร์ของสมการการอบแห้งของ Page (k และ n) และค่าสัมประสิทธิ์แพร่ความชื้นประสิทธิผล (Deff) พบว่า สภาวะการอบแห้งที่มีความดันลมหมุนอัดตัว 6 บาร์ ส่งผลต่อพารามิเตอร์ของสมการการอบแห้งของ Page และค่าสัมประสิทธิ์แพร่ความชื้นประสิทธิผลที่มีแนวโน้มสูงที่สุด (k = 0.15072 n = 0.89014 และ Deff = 5.94x10-8 ตารางเมตรต่อวินาที) ดังนั้น จึงใช้ความดันลมหมุนอัดตัว 6 บาร์ สำหรับการศึกษาอิทธิพลของอุณหภูมิลมร้อน (90-120 องศาเซลเซียส) และเวลาในการใช้ลมหมุนอัดตัว (2-10 นาที) ต่อคุณสมบัติทางกายภาพ อัตราส่วนการคืนรูป และคุณสมบัติสารต้านอนุมูลอิสระของข้าวหอมมะลิแดงกึ่งสำเร็จรูป อีกทั้งหาสภาวะที่เหมาะสมของปัจจัยดังกล่าวด้วยวิธีพื้นผิวตอบสนอง พบว่า สภาวะการอบแห้งที่อุณหภูมิลมร้อน 98.5 องศาเซลเซียส ความดันกระแสลมหมุนวนอัดตัว 6 บาร์ และเวลาในการใช้ลมหมุนอัดตัว 2 นาที ส่งผลต่อค่า Desirability สูงสุด คือ 0.603 ดังนั้นจึงเป็นสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัว อย่างไรก็ตามการตั้งค่าอุณหภูมิลมร้อน 98.5 องศาเซลเซียส อาจยากต่อศึกษาในทางปฏิบัติ ดังนั้นจึงเลือกใช้อุณหภูมิลมร้อน 98 องศาเซลเซียส สำหรับการศึกษาต่อไป

ศึกษาการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงกึ่งสำเร็จรูปด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัวและการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ (0-450 วัตต์) ที่มีผลต่อค่าสัมประสิทธิ์แพร่ความชื้นประสิทธิผล พบว่า สภาวะการอบแห้งด้วยอุณหภูมิลมร้อน 98 องศาเซลเซียส และการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ 450 วัตต์ ส่งผลต่อค่าสัมประสิทธิ์แพร่ความชื้นประสิทธิผลสูงสุด คือ 8.33x10-8 ตารางเมตรต่อวินาที นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้กำลังวัตต์ไมโครเวฟคงที่ การอบแห้งแบบขั้นตอนแบบเพิ่มขั้นจาก 300 เป็น 450 วัตต์ ให้ค่าการสิ้นเปลืองพลังงานจำเพาะต่ำที่สุด คือ 25.49 เมกะจูลต่อกิโลกรัม เมื่อพิจารณาคุณภาพต่างๆ ได้แก่ ค่าสี ร้อยละการหดตัว คุณสมบัติการคืนรูป และคุณสมบัติเนื้อสัมผัส พบว่า สภาวะการอบแห้งที่อุณหภูมิลมร้อน 98 องศาเซลเซียส ร่วมกับการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟแบบขั้นตอนจาก 300 เป็น 450 วัตต์ มีผลต่อค่าการเปลี่ยนแปลงสีน้อยที่สุด ร้อยละการหดตัวที่มีแนวโน้มต่ำที่สุด คือ ร้อยละ 51 คุณสมบัติการคืนรูปที่มีแนวโน้มสูงที่สุด คือ 0.5105 และคุณสมบัติเนื้อสัมผัสที่มีแนวโน้มใกล้เคียงกับข้าวหุงสุกที่สุด ดังนั้นจึงเป็นสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเตรียมข้าวกล้องกึ่งสำเร็จรูปด้วยกระบวนการอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบดร่วมกับลมหมุนอัดตัวและการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ

สุดท้ายความสูงเบดลอยตัวถูกวิเคราะห์และความคงตัวของเบดถูกควบคุมโดยวิธีการประมวลผลภาพ การเฉลี่ยเศษส่วนปริมาตรในช่วงเวลาที่กำหนดที่ได้จากวิธีนี้แสดงพฤติกรรมการไหลของข้าวกล้องภายในห้องอบแห้ง พบว่า ความสูงเบดลอยตัวเปลี่ยนแปลงตามเวลาเนื่องจากการลดลงของความชื้น นอกจากนี้ความคงตัวของเบดระหว่างการอบแห้งยังถูกควบคุมโดยคำนึงถึงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน พบว่า สภาวะการอบแห้งที่อุณหภูมิลมร้อน 98 องศาเซลเซียส ความดันกระแสลมหมุนวนอัดตัว 6 บาร์ เวลาในการใช้ลมหมุนอัดตัว 2 นาที ร่วมกับการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟแบบขั้นตอนจาก 300 เป็น 450 วัตต์ ภายใต้การควบคุมความคงตัวของระดับความสูงเบด เป็นสภาวะที่ค่าการสิ้นเปลืองพลังงานจำเพาะมีแนวโน้มต่ำที่สุด คือ 24.79 เมกะจูลต่อกิโลกรัม ซึ่งถือว่าเป็นสภาวะการอบแห้งที่เหมาะสมสำหรับการเตรียมข้าวหอมมะลิแดงกึ่งสำเร็จรูปในงานวิจัยนี้