小麥水分吸附速率研究

李興軍 鄭億青， 張來林 吳子丹 姜 平

（國家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037）（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450001）

小麥水分吸附速率研究

李興軍1鄭億青1，2張來林2吳子丹1姜 平1

（國家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037）（河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450001）

在5種溫度（10～35℃）、3個濕度（RH 65%、RH 86%、RH 100%）環(huán)境中測定了初始低水分（4.97%～6.08%）、正常水分（10.11%～11.04%）、高水分（20.7%～22.72%）小麥樣品含水率隨時間的變化，然后采用提出的擴散方程描述變化規(guī)律。隨著溫度和RH增加，小麥的水分吸附速率均增大。在RH 65%～86%范圍內(nèi)，小麥初始水分越低，20～35℃條件的水分吸附速率越大。在RH 65%，10℃小麥吸附速率隨著初始水分減少而增大；在RH 86%，與低水分樣品比較，正常水分小麥樣品10℃起始吸附速率較大，但是快速降低。在RH 100%條件下，與低水分樣品比較，正常水分小麥樣品10～35℃吸附速率較大。對初始水分低于6.1%的小麥樣品，分別在RH 65%、RH 86%、RH 100%條件下，20～35℃的水分吸附速率在48～72 h內(nèi)急劇減少，而10℃水分吸附速率在108～120 h內(nèi)緩慢減少，之后降低更慢。初始正常水分的小麥樣品在RH 65%、RH 86%或RH 100%條件下，10～35℃水分吸附速率在24～36 h內(nèi)快速減少，之后變化平緩。初始水分高于20%的小麥樣品在RH 65%、RH 86%解吸速率、RH 100%吸附速率對20～35℃在48 h內(nèi)快速減少，之后變化緩慢；對10℃在96 h內(nèi)快速減少，之后變化緩慢。

水分吸附速率 小麥 儲藏 擴散方程 平衡水分 儲糧質(zhì)量損失

世界上二分之一的谷物收獲后進(jìn)入存儲環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)可發(fā)生重大的質(zhì)量減損。近年來，采用計算機模擬糧食儲存，改善了糧食儲存環(huán)節(jié)，減少了儲存損失［1］。由于對小麥存儲期間水分吸附速率預(yù)測的數(shù)據(jù)有限，導(dǎo)致模擬糧食儲存能力還很有限。Aldis等［2］、Duggal等［3］、Versavel等［4］給出了小麥籽粒和穗的水分吸附數(shù)據(jù)，但未給出籽粒水分吸附速率值。Babbitt［5］給出了小麥籽粒水分吸附的定性信息，但只確定了一種條件（25℃、RH 75%）球面擴散方程的參數(shù)，且忽略不計外部擴散阻力。另外，谷物干燥過程中水分解吸速率研究較多。研究谷物及其產(chǎn)品的儲存，主要根據(jù)水分解吸速率數(shù)據(jù)來描述水分遷移，即使儲藏期間水分遷移包括了水分解吸和水分吸附2個過程。在不通風(fēng)或不通氣的糧倉中，任何水分運動必須包括一半解吸，一半吸附，這樣才能保持質(zhì)量守恒。與水分解吸相比，如果糧食籽粒發(fā)生不同速率的水分吸附，那么在糧食儲存模型中只采用解吸速率數(shù)據(jù)，就影響預(yù)測的準(zhǔn)確性。

與理論方程相比，在具體應(yīng)用方面，經(jīng)驗方程擬合精度好，甚至更高，減少了計算量。Lewis提出的指數(shù)干燥方程在某些情況下描述薄層干燥，但是描述干燥過程最初部分欠佳［6］。許多學(xué)者認(rèn)為，指數(shù)干燥方程用于糧食儲存更準(zhǔn)確，由于與干燥相比儲糧具有較多的邊界層阻力，導(dǎo)致儲存情況下空氣運動緩慢甚至停滯。Page開發(fā)了一個經(jīng)驗方程，試驗證明，它比指數(shù)干燥方程更準(zhǔn)確。經(jīng)過多年的廣泛使用，現(xiàn)認(rèn)為，Page方程是干燥的首選方程［7］。Lan等［8］將Page方程的參數(shù)“k”視為初始含水率和溫度的函數(shù)，而參數(shù)“n”被確定是一個常數(shù)，分析了大米的水分吸附速率。本研究的目標(biāo)為提出一個擬合小麥籽粒水分比率隨時間變化的方程，并對在儲糧條件下小麥籽粒水分吸附速率變化規(guī)律進(jìn)行描述。

1 材料與方法

1.1 主要儀器

AL204－IC型萬分之一天平：Mettler Toledo儀器（上海）有限公司；PRX－350A智能人工氣候箱：寧波海署賽福實驗儀器廠；銅網(wǎng)制小桶。

1.2 樣品制備

2013年6月收獲的眾麥1號（軟紅冬麥）和周麥16（硬白冬麥），初始水分各是 10.11%和11.04%。2個春麥品種單2763和江蘇春于2011年收獲。對于吸附樣品，采用P2O5固體脫水到6.0%以下。本研究水分均以濕基表示。對于解吸樣品，將正常含水率的樣品，加水調(diào)到20%以上，在4℃平衡2周，每天混勻1次。

1.3 測定方法

糧食水分隨時間的變化采用靜態(tài)稱重方法收集［9］。稱取約5 g（精確至0.000 1 g）樣品于由銅網(wǎng)制成的小桶內(nèi)，將樣品分別懸掛于盛放NaNO2飽和鹽溶液（RH 65%）、K2CrO4飽和鹽溶液（RH 86%）和純水溶液（RH 100%）、具有橡膠塞的玻璃廣口瓶中，密封后分別置于10、20、25、30及35℃的人工氣候箱內(nèi)。每隔一定時間稱重，記錄數(shù)據(jù)，直至達(dá)到平衡水分（前后2次稱重之差小于0.002 g）。每個水平重復(fù)3次。

1.4 小麥水分吸附速率方程提出及數(shù)據(jù)處理

干燥過程水分從谷物籽粒解吸，幾乎總是發(fā)生在沒有游離水的速率降低干燥期間。水分吸附是解吸過程的逆過程，與解吸比較，籽粒細(xì)胞吸附之間具有差異，導(dǎo)致吸附以不同速率發(fā)生。由于干燥過程中傳熱與傳質(zhì)速率不同，于是發(fā)展了速率降低的解吸理論，分開了描述熱和水分?jǐn)U散的2個偶聯(lián)偏微分方程［10］，提出了薄層干燥方程，即擴散方程。擴散方程通常假定糧食籽粒是均質(zhì)的。方程（2）是修正Page方程后提出的水分?jǐn)U散方程。方程（3）用于計算小麥水分吸附／解吸速率。

式中：MR為水分比率，小數(shù)表示；Mt為樣品t小時的含水率／%濕基；M0為樣品初始水分／%濕基；Me為平衡含水率／%濕基；T為溫度／℃；a、b、k、n為方程系數(shù)。

方程（2）系數(shù)的擬合采用SPSS 11.5 for Windows軟件的非線性回歸方法，在一系列迭代步驟中，將測定值和理論值之間的殘差平方和最小化，并給出了方程系數(shù)。通過決定系數(shù)、殘差平方和、標(biāo)準(zhǔn)差來分析模型的擬合情況。式中mi為測定值，mpi為預(yù)測值，mmi為平均測定值，n為測定數(shù)據(jù)點數(shù)。R2為基本的判定標(biāo)準(zhǔn)，RSS和SE決定擬合的好壞。

2 結(jié)果分析

2.1 修正Page方程（2）的系數(shù)

不同初始含水率小麥樣品水分比率（MR）隨時間變化曲線，采用方程（2）擬合，結(jié)果如表1。系數(shù)已知的方程（3）用于模擬小麥吸附／解吸速率隨時間的變化。

表1 方程（2）對不同含水率小麥MR隨時間變化曲線的擬合系數(shù)及生物統(tǒng)計參數(shù)

2.2 低水分樣品吸附速率

從圖1看出，在RH 65%條件下，初始水分4.97%的單2763春麥在20～35℃吸附速率均在48 h內(nèi)快速減少，在48～96 h之間緩慢減少；10℃吸附速率在120 h內(nèi)緩慢減少，之后減少更慢。在 RH 86%和RH 100%條件，低水分的單2763春麥不同溫度下的水分吸附速率與RH 65%條件類似。隨著相對濕度增加，低水分的單2763春麥初始吸附速率越大。

圖1 低水分單2763春麥在不同濕度的吸附速率

從圖2看出，在RH 65%條件下，初始水分6.4%的江蘇春麥20～35℃吸附速率均在48 h內(nèi)快速減少，在48～96 h之間緩慢減少；10℃吸附速率在96 h內(nèi)緩慢減少，之后減少更慢。在RH 86%和RH 100%條件，低水分的江蘇春麥不同溫度下的水分吸附速率與RH 65%條件類似。隨著相對濕度增加，低水分的江蘇春麥初始吸附速率越大。即在相同RH下，2個春麥在不同溫度的吸附速率變化趨勢是一樣的。

圖2 低水分江蘇春麥在不同濕度的吸附速率

從圖3～圖4看出，在相同RH下，含水率6.08%眾麥1和含水率6.02%周麥16在不同溫度的吸附速率變化趨勢非常類似2個低水分春麥。低水分的眾麥1號和周麥16初始水分吸附速率相似，且略低于2個低水分春麥。

圖3 低水分眾麥1在不同濕度的吸附速率

圖4 低水分周麥16在不同濕度的吸附速率

2.3 正常水分小麥在不同濕度的吸附速率

圖5 正常水分眾麥1在不同濕度的吸附速率

從圖5看出，在 RH 65%條件下，初始水分10.11%的眾麥1在5種溫度下吸附速率均在24 h內(nèi)快速減少，之后緩慢減少；10℃吸附速率較其他4種溫度變化較滯后。在RH 86%和RH 100%條件，5種溫度下水分吸附速率變化趨勢均一致。隨著RH增加，正常水分的眾麥1初始水分吸附速率均增加。

從圖6看出，在相同RH下，初始水分11.04%周麥16在不同溫度的吸附速率變化與初始水分10.11%眾麥1號趨勢非常類似。在RH 65%下正常初始水分的周麥16和眾麥1水分吸附速率均低于初始低水分的周麥16和眾麥1。在RH 86%條件下，正常初始水分的周麥16和眾麥1在20～35℃水分吸附速率均低于初始低水分的周麥16和眾麥1，但是10℃水分吸附速率較高。在RH 100%條件下，正常初始水分的周麥16和眾麥1在10～35℃的水分吸附速率均高于初始低水分的周麥16和眾麥1。

圖6 正常水分周麥16在不同濕度的吸附速率

2.4 高水分樣品在不同濕度的解吸／吸附速率

從圖7看出，在RH 65%下，初始水分22.7%眾麥1在10～35℃的解吸速率在48 h內(nèi)顯著減少，之后減少緩慢。尤其是溫度越高，初始解吸速率越大。RH 86%條件下，初始高水分的眾麥1水分解吸速率類似RH 65%。在RH 100%條件下初始水分22.7%眾麥1在10～35℃的吸附速率在48 h內(nèi)顯著減少，之后減少緩慢；尤其是溫度越高，初始吸附速率越大。

圖7 高水分眾麥1號在不同濕度的解吸／吸附速率

從圖8看出，在相同相對濕度下，初始水分20.7%周麥16水分解吸／吸附速率變化趨勢類似初始高水分的眾麥1。在RH 100%條件下，初始水分20.7%周麥16在不同溫度起始水分吸附速率稍高于初始水分22.7%的眾麥1，但是變化趨勢一致。

圖8 高水分周麥16在不同濕度的解吸／吸附速率

3 討論

Banaszek等［11］研究了長?！癗ewbonnet”稻谷在不同溫度（12.5、20、30℃）、濕度（RH 70%、RH 90%）和初始含水率（9%～15%濕基）下的水分吸附速率，發(fā)現(xiàn)水分吸附速率隨著溫度和相對濕度的增加而增大，隨著初始含水率增加和從接觸氣流開始時間延長而下降。對所有的初始含水率樣品，在最初的24 h內(nèi)，大多數(shù)吸附（至少70%）的發(fā)生。在所有條件下，隨著初始含水率（IMC）相應(yīng)增加，吸附速率降低。此外，12.5℃／90%的溫度／RH組合在控制單元給定的環(huán)境條件中無法獲得。本研究則表明，隨著溫度和RH增加，小麥的吸附速率均增大。同樣的初始含水率條件，暴露的相對濕度越高，小麥的水分吸附速率越大。在RH 65%～86%范圍內(nèi)，小麥初始含水率越低，20～35℃條件的水分吸附速率越大。在RH 65%，10℃小麥吸附速率隨著初始含水率降低而增大；在RH 86%，與低水分小麥樣品比較，正常水分小麥樣品10℃吸附速率較大。在RH 100%條件下，與初始低水分小麥樣品比較，正常水分小麥樣品10～35℃吸附速率較大，這可能在于初始低水分樣品與正常水分樣品籽粒表面結(jié)構(gòu)不同。

吸附速率與溫度直接相關(guān)［12］，溫度較高，吸附速率則較大。對初始含水率低于6.1%的小麥樣品，分別在RH 65%、RH 86%、RH 100%條件下，20～35℃的水分吸附速率在48～72 h內(nèi)急劇減少，而10℃水分吸附速率在108～120 h內(nèi)減少緩慢，之后降低更慢。正常水分的小麥樣品在RH 65%、RH 86%或RH 100%條件下，10～35℃水分吸附速率均在24～36 h內(nèi)快速減少，之后變化平緩。初始水分高于20%的小麥樣品在RH 65%、RH 86%解吸速率、RH 100%吸附速率對20～35℃在48 h內(nèi)快速減少，之后變化緩慢；對10℃在96 h內(nèi)快速減少，之后變化緩慢。

糧食平衡水分測定方法包括靜態(tài)稱重的直接法、動態(tài)平衡相對濕度（ERH）測定的間接法。在靜態(tài)方法中，樣品在靜止空氣中達(dá)到它的平衡。對動態(tài)方法，圍繞樣品的空氣是機械循環(huán)的。動態(tài)方法最能代表糧食干燥條件，而靜態(tài)方法更適合模擬糧食儲藏情況。靜態(tài)方法的優(yōu)點是環(huán)境空氣條件更容易保持，動態(tài)方法允許樣品快速達(dá)到平衡。動態(tài)方法的優(yōu)點是縮短了暴露時間，但是人工方法難以獲得低溫、高RH的空氣條件［11］。本研究首次分析了靜止空氣中小麥在10℃、RH 65%～100%的吸附速率隨時間的變化規(guī)律，深入工作是研究在飽和鹽溶液維持的RH環(huán)境中分析空氣流速（糧倉中典型的氣流速度為0.16 m／s）對小麥吸附／解吸速率的影響。

4 結(jié)論

4.1 在不同溫度（10～35℃）、相對濕度（RH 65%、RH 86%、RH 100%）條件下，小麥水分吸附速率隨著溫度和RH增加，小麥的吸附速率均增大。同樣的初始水分條件，暴露的相對濕度越高，小麥的水分吸附速率越大。

4.2 正常水分的小麥樣品在RH 65%、RH 86%或RH 100%條件下，10～35℃水分吸附速率均在24～36 h內(nèi)快速減少，之后變化平緩。

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The Rate of Moisture Adsorption in Wheat Grains

Li Xingjun1Zheng Yiqing1，2Zhang Lailin2Wu Zidan1Jiang Ping1
（Academy of the State Administration of Grains1，Beijing 100037）（College of Grain，Oil and Food，Henan University of Technology2，Zhengzhou 450001）

Three types of wheat samples with different levels of initial moisture content（IMC）as low（4.97%～6.08%），normal（10.11%～11.04%），and high（20.7%～22.72%）have been used to determine the rate ofmoisture adsorption at10，20，25，30 and 35℃ under RH 65%，RH 86%，and RH 100%respectively in the paper.A moisture diffusion equation was produced and carried out to fit for the relationship between moisture ratio and time.The adsorption rate ofwheat increased in linewith the raise of temperature and RH.In the range of RH 65%to 86%，the initialmoisture content（IMC）and moisture adsorption rate showed a reflexive association at20 to 35℃.Under 10℃／RH 65%，thewheatmoisture adsorption rate increased with decrease in IMC.Under 10℃／RH 86%，wheat grains with normal IMC had a higher adsorption rate than those with low IMC.Under 10～35℃／RH 100%，wheat grainswith normal IMC had a higher adsorption rate than those with low IMC.Under RH 65%，RH 86%，or RH 100%，themoisture adsorption rate ofwheat sampleswith IMC below 6.1%at20 to 35℃sharply decreased within 48 to 72 h；the same samples at10℃ tardily decreased within 108 to 120 h with gentle alteration.The moisture adsorption rate ofwheat sampleswith normal IMC at10 to 35℃quickly deceased within 24 to 36 h thereafter changed mildly.Under RH 65%and RH 86%，the moisture desorption rates of wheat samples with high IMC above 20%at20 to 35℃ sharply decreased within 48 h and then changed slowly，while sharply decreased within 96 h at10℃，and then changed mildly.The moisture adsorption rates of wheat samples with high IMC above 20%under RH 100%showed similar trend to themoisture desorption rates of the same samples under RH 65%and RH 86%.

rate ofmoisture adsorption，wheat，storage，diffusion equation，equilibrium moisture content，quality

S11＋4

A

1003－0174（2015）11－0019－07

糧食公益性行業(yè)科技專項（201313001－03）

2014－05－05

李興軍，男，1971年出生，副研究員，糧食生理生化與多糖營養(yǎng)