小麦水分吸附速率研究

李兴军 郑亿青， 张来林 吴子丹 姜 平

（国家粮食局科学研究院1，北京 100037）（河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450001）

小麦水分吸附速率研究

李兴军1郑亿青1，2张来林2吴子丹1姜 平1

（国家粮食局科学研究院1，北京 100037）（河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450001）

在5种温度（10～35℃）、3个湿度（RH 65%、RH 86%、RH 100%）环境中测定了初始低水分（4.97%～6.08%）、正常水分（10.11%～11.04%）、高水分（20.7%～22.72%）小麦样品含水率随时间的变化，然后采用提出的扩散方程描述变化规律。随着温度和RH增加，小麦的水分吸附速率均增大。在RH 65%～86%范围内，小麦初始水分越低，20～35℃条件的水分吸附速率越大。在RH 65%，10℃小麦吸附速率随着初始水分减少而增大；在RH 86%，与低水分样品比较，正常水分小麦样品10℃起始吸附速率较大，但是快速降低。在RH 100%条件下，与低水分样品比较，正常水分小麦样品10～35℃吸附速率较大。对初始水分低于6.1%的小麦样品，分别在RH 65%、RH 86%、RH 100%条件下，20～35℃的水分吸附速率在48～72 h内急剧减少，而10℃水分吸附速率在108～120 h内缓慢减少，之后降低更慢。初始正常水分的小麦样品在RH 65%、RH 86%或RH 100%条件下，10～35℃水分吸附速率在24～36 h内快速减少，之后变化平缓。初始水分高于20%的小麦样品在RH 65%、RH 86%解吸速率、RH 100%吸附速率对20～35℃在48 h内快速减少，之后变化缓慢；对10℃在96 h内快速减少，之后变化缓慢。

水分吸附速率 小麦 储藏 扩散方程 平衡水分 储粮质量损失

世界上二分之一的谷物收获后进入存储环节，这一环节可发生重大的质量减损。近年来，采用计算机模拟粮食储存，改善了粮食储存环节，减少了储存损失［1］。由于对小麦存储期间水分吸附速率预测的数据有限，导致模拟粮食储存能力还很有限。Aldis等［2］、Duggal等［3］、Versavel等［4］给出了小麦籽粒和穗的水分吸附数据，但未给出籽粒水分吸附速率值。Babbitt［5］给出了小麦籽粒水分吸附的定性信息，但只确定了一种条件（25℃、RH 75%）球面扩散方程的参数，且忽略不计外部扩散阻力。另外，谷物干燥过程中水分解吸速率研究较多。研究谷物及其产品的储存，主要根据水分解吸速率数据来描述水分迁移，即使储藏期间水分迁移包括了水分解吸和水分吸附2个过程。在不通风或不通气的粮仓中，任何水分运动必须包括一半解吸，一半吸附，这样才能保持质量守恒。与水分解吸相比，如果粮食籽粒发生不同速率的水分吸附，那么在粮食储存模型中只采用解吸速率数据，就影响预测的准确性。

与理论方程相比，在具体应用方面，经验方程拟合精度好，甚至更高，减少了计算量。Lewis提出的指数干燥方程在某些情况下描述薄层干燥，但是描述干燥过程最初部分欠佳［6］。许多学者认为，指数干燥方程用于粮食储存更准确，由于与干燥相比储粮具有较多的边界层阻力，导致储存情况下空气运动缓慢甚至停滞。Page开发了一个经验方程，试验证明，它比指数干燥方程更准确。经过多年的广泛使用，现认为，Page方程是干燥的首选方程［7］。Lan等［8］将Page方程的参数“k”视为初始含水率和温度的函数，而参数“n”被确定是一个常数，分析了大米的水分吸附速率。本研究的目标为提出一个拟合小麦籽粒水分比率随时间变化的方程，并对在储粮条件下小麦籽粒水分吸附速率变化规律进行描述。

1 材料与方法

1.1 主要仪器

AL204－IC型万分之一天平：Mettler Toledo仪器（上海）有限公司；PRX－350A智能人工气候箱：宁波海署赛福实验仪器厂；铜网制小桶。

1.2 样品制备

2013年6月收获的众麦1号（软红冬麦）和周麦16（硬白冬麦），初始水分各是 10.11%和11.04%。2个春麦品种单2763和江苏春于2011年收获。对于吸附样品，采用P2O5固体脱水到6.0%以下。本研究水分均以湿基表示。对于解吸样品，将正常含水率的样品，加水调到20%以上，在4℃平衡2周，每天混匀1次。

1.3 测定方法

粮食水分随时间的变化采用静态称重方法收集［9］。称取约5 g（精确至0.000 1 g）样品于由铜网制成的小桶内，将样品分别悬挂于盛放NaNO2饱和盐溶液（RH 65%）、K2CrO4饱和盐溶液（RH 86%）和纯水溶液（RH 100%）、具有橡胶塞的玻璃广口瓶中，密封后分别置于10、20、25、30及35℃的人工气候箱内。每隔一定时间称重，记录数据，直至达到平衡水分（前后2次称重之差小于0.002 g）。每个水平重复3次。

1.4 小麦水分吸附速率方程提出及数据处理

干燥过程水分从谷物籽粒解吸，几乎总是发生在没有游离水的速率降低干燥期间。水分吸附是解吸过程的逆过程，与解吸比较，籽粒细胞吸附之间具有差异，导致吸附以不同速率发生。由于干燥过程中传热与传质速率不同，于是发展了速率降低的解吸理论，分开了描述热和水分扩散的2个偶联偏微分方程［10］，提出了薄层干燥方程，即扩散方程。扩散方程通常假定粮食籽粒是均质的。方程（2）是修正Page方程后提出的水分扩散方程。方程（3）用于计算小麦水分吸附／解吸速率。

式中：MR为水分比率，小数表示；Mt为样品t小时的含水率／%湿基；M0为样品初始水分／%湿基；Me为平衡含水率／%湿基；T为温度／℃；a、b、k、n为方程系数。

方程（2）系数的拟合采用SPSS 11.5 for Windows软件的非线性回归方法，在一系列迭代步骤中，将测定值和理论值之间的残差平方和最小化，并给出了方程系数。通过决定系数、残差平方和、标准差来分析模型的拟合情况。式中mi为测定值，mpi为预测值，mmi为平均测定值，n为测定数据点数。R2为基本的判定标准，RSS和SE决定拟合的好坏。

2 结果分析

2.1 修正Page方程（2）的系数

不同初始含水率小麦样品水分比率（MR）随时间变化曲线，采用方程（2）拟合，结果如表1。系数已知的方程（3）用于模拟小麦吸附／解吸速率随时间的变化。

表1 方程（2）对不同含水率小麦MR随时间变化曲线的拟合系数及生物统计参数

2.2 低水分样品吸附速率

从图1看出，在RH 65%条件下，初始水分4.97%的单2763春麦在20～35℃吸附速率均在48 h内快速减少，在48～96 h之间缓慢减少；10℃吸附速率在120 h内缓慢减少，之后减少更慢。在 RH 86%和RH 100%条件，低水分的单2763春麦不同温度下的水分吸附速率与RH 65%条件类似。随着相对湿度增加，低水分的单2763春麦初始吸附速率越大。

图1 低水分单2763春麦在不同湿度的吸附速率

从图2看出，在RH 65%条件下，初始水分6.4%的江苏春麦20～35℃吸附速率均在48 h内快速减少，在48～96 h之间缓慢减少；10℃吸附速率在96 h内缓慢减少，之后减少更慢。在RH 86%和RH 100%条件，低水分的江苏春麦不同温度下的水分吸附速率与RH 65%条件类似。随着相对湿度增加，低水分的江苏春麦初始吸附速率越大。即在相同RH下，2个春麦在不同温度的吸附速率变化趋势是一样的。

图2 低水分江苏春麦在不同湿度的吸附速率

从图3～图4看出，在相同RH下，含水率6.08%众麦1和含水率6.02%周麦16在不同温度的吸附速率变化趋势非常类似2个低水分春麦。低水分的众麦1号和周麦16初始水分吸附速率相似，且略低于2个低水分春麦。

图3 低水分众麦1在不同湿度的吸附速率

图4 低水分周麦16在不同湿度的吸附速率

2.3 正常水分小麦在不同湿度的吸附速率

图5 正常水分众麦1在不同湿度的吸附速率

从图5看出，在 RH 65%条件下，初始水分10.11%的众麦1在5种温度下吸附速率均在24 h内快速减少，之后缓慢减少；10℃吸附速率较其他4种温度变化较滞后。在RH 86%和RH 100%条件，5种温度下水分吸附速率变化趋势均一致。随着RH增加，正常水分的众麦1初始水分吸附速率均增加。

从图6看出，在相同RH下，初始水分11.04%周麦16在不同温度的吸附速率变化与初始水分10.11%众麦1号趋势非常类似。在RH 65%下正常初始水分的周麦16和众麦1水分吸附速率均低于初始低水分的周麦16和众麦1。在RH 86%条件下，正常初始水分的周麦16和众麦1在20～35℃水分吸附速率均低于初始低水分的周麦16和众麦1，但是10℃水分吸附速率较高。在RH 100%条件下，正常初始水分的周麦16和众麦1在10～35℃的水分吸附速率均高于初始低水分的周麦16和众麦1。

图6 正常水分周麦16在不同湿度的吸附速率

2.4 高水分样品在不同湿度的解吸／吸附速率

从图7看出，在RH 65%下，初始水分22.7%众麦1在10～35℃的解吸速率在48 h内显著减少，之后减少缓慢。尤其是温度越高，初始解吸速率越大。RH 86%条件下，初始高水分的众麦1水分解吸速率类似RH 65%。在RH 100%条件下初始水分22.7%众麦1在10～35℃的吸附速率在48 h内显著减少，之后减少缓慢；尤其是温度越高，初始吸附速率越大。

图7 高水分众麦1号在不同湿度的解吸／吸附速率

从图8看出，在相同相对湿度下，初始水分20.7%周麦16水分解吸／吸附速率变化趋势类似初始高水分的众麦1。在RH 100%条件下，初始水分20.7%周麦16在不同温度起始水分吸附速率稍高于初始水分22.7%的众麦1，但是变化趋势一致。

图8 高水分周麦16在不同湿度的解吸／吸附速率

3 讨论

Banaszek等［11］研究了长粒“Newbonnet”稻谷在不同温度（12.5、20、30℃）、湿度（RH 70%、RH 90%）和初始含水率（9%～15%湿基）下的水分吸附速率，发现水分吸附速率随着温度和相对湿度的增加而增大，随着初始含水率增加和从接触气流开始时间延长而下降。对所有的初始含水率样品，在最初的24 h内，大多数吸附（至少70%）的发生。在所有条件下，随着初始含水率（IMC）相应增加，吸附速率降低。此外，12.5℃／90%的温度／RH组合在控制单元给定的环境条件中无法获得。本研究则表明，随着温度和RH增加，小麦的吸附速率均增大。同样的初始含水率条件，暴露的相对湿度越高，小麦的水分吸附速率越大。在RH 65%～86%范围内，小麦初始含水率越低，20～35℃条件的水分吸附速率越大。在RH 65%，10℃小麦吸附速率随着初始含水率降低而增大；在RH 86%，与低水分小麦样品比较，正常水分小麦样品10℃吸附速率较大。在RH 100%条件下，与初始低水分小麦样品比较，正常水分小麦样品10～35℃吸附速率较大，这可能在于初始低水分样品与正常水分样品籽粒表面结构不同。

吸附速率与温度直接相关［12］，温度较高，吸附速率则较大。对初始含水率低于6.1%的小麦样品，分别在RH 65%、RH 86%、RH 100%条件下，20～35℃的水分吸附速率在48～72 h内急剧减少，而10℃水分吸附速率在108～120 h内减少缓慢，之后降低更慢。正常水分的小麦样品在RH 65%、RH 86%或RH 100%条件下，10～35℃水分吸附速率均在24～36 h内快速减少，之后变化平缓。初始水分高于20%的小麦样品在RH 65%、RH 86%解吸速率、RH 100%吸附速率对20～35℃在48 h内快速减少，之后变化缓慢；对10℃在96 h内快速减少，之后变化缓慢。

粮食平衡水分测定方法包括静态称重的直接法、动态平衡相对湿度（ERH）测定的间接法。在静态方法中，样品在静止空气中达到它的平衡。对动态方法，围绕样品的空气是机械循环的。动态方法最能代表粮食干燥条件，而静态方法更适合模拟粮食储藏情况。静态方法的优点是环境空气条件更容易保持，动态方法允许样品快速达到平衡。动态方法的优点是缩短了暴露时间，但是人工方法难以获得低温、高RH的空气条件［11］。本研究首次分析了静止空气中小麦在10℃、RH 65%～100%的吸附速率随时间的变化规律，深入工作是研究在饱和盐溶液维持的RH环境中分析空气流速（粮仓中典型的气流速度为0.16 m／s）对小麦吸附／解吸速率的影响。

4 结论

4.1 在不同温度（10～35℃）、相对湿度（RH 65%、RH 86%、RH 100%）条件下，小麦水分吸附速率随着温度和RH增加，小麦的吸附速率均增大。同样的初始水分条件，暴露的相对湿度越高，小麦的水分吸附速率越大。

4.2 正常水分的小麦样品在RH 65%、RH 86%或RH 100%条件下，10～35℃水分吸附速率均在24～36 h内快速减少，之后变化平缓。

［1］Jayas D S.Mathematicalmodeling of heat，moisture，and gas transfer in stored grain ecosystems［C］.Jayas D S，White N D，Muir W E，eds.Stored Grain Ecosystems.New York NY：Marcel Dekker，1995：527－567

［2］Aldis D F，Foster G H.Moisture changes in grain from exposure to ambient air［J］.Trans of the ASAE，1980，23（3）：753－760

［3］Duggal A K，MuirW E，Brooker D B.Sorption equilibrium moisture contents of wheat kernels and chaff［J］.Trans of the ASAE，1982，25（4）：1086－1090

［4］Versavel P A，Muir W E.Moisture absorption by wheat spikes［J］.Trans of the ASAE，1988，32（4）1255－1259

［5］Babbitt JD.Observations on the adsorption of water vapor by wheat［J］.Canadian JResearch，1949，27：55－72

［6］HukillW V，Schmidt JL.Drying rate of fully exposed grain kernels［C］.Trans of the ASAE，1960，3（2）：71－77

［7］ASAE standards.S448 DEC93.Thin－layer drying of grains and crops［S］.St.Joseph，Mich：ASAE，1994：482－484

［8］Lan Y，Kunze O R.Moisture adsorption rates by different forms of rice［J］.Trans of the ASAE，1996，39（3）：1035－1038

［9］Li X J，Cao Z Y，Feng Q Y，et al.Equilibrium moisture content and sorption isosteric heats of five wheat varieties in China［J］.Journal of Stored Products Research，2011，47：39－47

［10］PartiM.Selection ofmathematicalmodels for drying grain in thin layers［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1993，54（4）：339－352

［11］Banaszek M M，Siebenrnorgen T J.Mositure adsorption rates of rough rice［J］.Trans of the ASAE，1990，33（4）：1257－1262

［12］Casada M E.Mositure adsorption characteristic of wheat and barley［J］.Trans of the ASABE，2002，45（2）：361－368.

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

粮食公益性行业科技专项（201313001－03）

2014－05－05

李兴军，男，1971年出生，副研究员，粮食生理生化与多糖营养