粳稻谷低温仓储期间粮堆特性及加工品质的变化

段义三，马建勇，李兴军 ，丁 进，冯吉东，田 琳，刘俊明，陶利思4

(1.山东省军粮储备库，山东齐河 251100；2.国家粮食和物资储备局科学研究院昌平基地，北京 102209；3.山东鲁粮集团有限公司，山东济南 250012；4.四川农业大学食品学院，四川雅安 625014)

粮食储藏是通过控制含水率和温度来抑制虫霉生长，保持籽粒(酶)活性，延缓品质劣变及改善加工品质[1-2]。我国稻米消费习惯与日本、韩国一样，大米越新鲜越好吃[3]。评价稻谷加工效率的指标是整精米率和白度[4]，而稻谷含水率是这两个指标的重要影响因素，在竖向研磨车间进行的研磨试验表明最佳含水率是15%[5]。日本以低温储藏糙米为主，控温控湿，糙米水分含量15.5%，而日本国家粮食标准和日本大米协会规定精米的最高允许水分为16%[6-8]，如果换算为稻谷水分应该是15%～15.5%。我国储粮以储藏稻谷为主，安全水分一直沿用质量标准水分，籼稻的安全水分13.5%，粳稻的安全水分14.5%，分别低于大米的质量标准水分1%，实际稻谷出仓水分还低于质量标准水分1%～2%[9-10]。这导致我国稻谷标准GB1350-2009规定籼(粳)稻谷研磨的1级大米整精米率≥50%(61%)，指标值偏低。因此，稻谷的储存水分与加工品质的关系一直受到仓储和加工企业关注。

我国粮库具有较成熟的智能化粮情检测系统，测温电缆的精度是≤±0.4 ℃，每周两次的系统巡检提供的电子表格包含了粮堆各点的温度，以及各层的最高温、最低温及平均温度，确保精准防治仓储昆虫为害干粮食。尤其是近年来我国全面推广控温储粮技术，措施包括冬季机械通风降低基础粮温、春季粮面减小热交换、空调制冷或排积热通风及时散热、利用冷心环流通风降低表层粮温[11-12]。仓储企业为了提高出仓稻谷加工的大米整精米率和白度，不再采用调质通风技术，而是采用提高入仓稻谷的含水率1.0%～1.5%，通过控温储粮技术保持稻谷粮堆安全过夏[13-15]。然而，偏高水分稻谷储存期间粮堆特性如各层的相对湿度(RH)、含湿量、湿球温度及露点温度的变化缺乏研究。本研究在我国稻谷平衡水分等温线方程[13-14]研发基础上，分析高大平房仓空调控粳稻谷低温储藏期间粮粒间隙空气特性及稻谷品质的变化，以期为我国正在推广的优粮优储技术和智能化粮情检测系统升级提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

辽宁短粒粳稻 品种是盐丰47，2018年12月入仓。

空调型号KFR-140W/S-590T2 美的集团；轴流风机型号 T35-11N056 乐清市天永防爆电气有限公司；谷物水分测定仪LDS-1G 台州市粮仪厂；SC-E万深大米外观品质检测分析仪 杭州万深检测科技有限公司；LTJM 5588精米机 台州市粮仪厂；磷化铝药片，有效含量56% 山东龙口化工厂。

1.2 仓房条件及管理

山东省军粮储备库位于山东省齐河县，属于暖温带半湿润季风气候区。14号试验仓是高大平房仓，地上笼一机两风道，共10风道，通路比K=1.4。2018年12月入仓辽宁短粒粳稻2545.9 t，品种是盐丰47，含水率14.3%，杂质含量0.7%，出糙率80.9%。仓内散装粮堆长39.8 m、宽20.4 m、高度4.8 m。2019年1月7日～22日采用两台1.1 kW的轴流风机进行吸出式均温通风。在过夏期间采用空调控制粮面温度(仓温)，仓房南北墙各装有2台空调，空调位于粮面上1.8 m处，如果仓温超过23 ℃就沿着对角线开启空调。5月20日～9月13日期间，117 d中开启空调74 d，同时开启2台空调1029 h，同时开启4台 空 调173 h。2019年7月2日～7日、8月6日～16日进行两次局部熏蒸，采用下探管投药方式，每次熏蒸投药量为15片(0.05 kg)；9月23日～10月9日整仓熏蒸，预设磷化氢浓度为150 mL/m3，投药量10 kg。10月28日，稻谷开始出库。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 粮堆水分 在粮面布置11个扦样点。每点再纵深3个扦样点，共33份样品。三层扦样的深度分别是粮面下0.3、2.4、4.5 m。样品水分测定采用LDS-1G谷物水分测定仪。

1.3.2 粮堆温度 粮情检测系统检测粮堆各点的温度，每3天巡检一次。在单仓粮面上分布50根测温电缆，粮面下10 cm为第一层，再纵深每隔1.5 m各为二、三、四层，4层共计200个点的粮堆温度数据。本研究中所测定粮堆温度的时间段是3月25日～9月30日。

1.3.3 粮粒间隙空气的相对湿度、含湿量及露点温度测定

1.3.3.1 粮粒间隙空气相对湿度和含湿量

式中，RH为粮粒间隙空气的相对湿度(%)，M为粮食水分(%)，T为粮食温度(℃)，a、b、c是粳稻MCPE方程的系数[16]。

式中，w是粮粒间隙空气的含湿量(kg/kg)，patm等于101325 Pa，ps是 粮食温度T时的饱和水汽压。

1.3.3.2 粮粒间隙空气湿球温度 求解空气湿球温度的关键是认识到饱和空气含湿量ww是 湿球温度Tw的 函数，即f (Tw)。

式中，Tw是 粮粒间隙空气湿球温度(℃)，ww是湿球温度Tw下 饱和空气的含湿量(kg/kg)。以牛顿拉弗逊迭代法解这个非线性代数方程[15-16]。

1.3.3.3 粮粒间隙空气露点温度

如果已知露点温度Tdp对应的含湿量wdp，鉴于饱和蒸汽压强也是温度的函数，方程(6)左边是露点温度Tdp的函数[17-18]，可表达为：

目标是求解Tdp值，方程(7)满足f (Tdp)=0。

利用牛顿和拉弗逊迭代方法解方程(7)，代数式可以写成：

方程(8)的唯一变量是Tdp，其他都是恒值。饱和水汽压仅是Tdp的函数，f (Tdp)对 Tdp的依赖来自表达式ps(Tdp)。通过微分的链式法则可得：

将方程(10)和(11)代入方程(9)，按照牛顿和拉弗逊迭代方法，对于代数式方程(9)编程进行运算。当连续露点温度Tdp之间的差值绝对值小于一定误差1 0−6，即，这个迭代过程就被停止。

1.3.4 稻谷加工品质评价

1.3.4.1 出米率 约150 g稻谷在精米机上研磨50 s，按照公式(12)计算出米率。

式中，α是出米率，%；m0是稻谷质量，g; m1是大米质量，g。

1.3.4.2 大米外观品质 大米籽粒的长度和宽度测定采用SC-E万深大米外观品质检测分析仪。该仪器包括米粒排列器、扫描仪、图像处理系统。米粒排列器用于快速将粳米排列在扫描仪玻璃板上，接着扫描仪扫过接触玻璃板的米粒表面，在计算机软件中40 s内可以显示米粒的形状。米粒图像处理按照GB/T 1354精米标准。采用自定义模式扫描大米全粒长平均值和全粒宽平均值，计算长宽比。每次扫描大米500粒左右，重复3次。

1.3.4.3 米饭品尝得分 米饭品尝得分参考国标GB/T 15682-2008[19]，包括气味、滋味、色泽及饭粒的外观结构。

1.3.5 数据分析 采用随机区组试验设计，数据以平均值±标准差表示。LSD检验中同一列不相同小写字母表示样品之间差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 大气温度与14号仓温的变化

如图1所示，在3月25日～9月30日期间，该试验仓周边大气平均温度在5月22日～8月3日超过31.9 ℃，这期间的大气平均相对湿度(RH)是42.9%。5月17日～6月27日期间粮面上1 m处的温湿度传感器显示的仓温均值是25.6 ℃，仓RH均值是43.4%。6月28日～8月6日期间仓温均值是17.6 ℃，仓RH均值是41.4%。在5月20日～9月13日空调运行期间，仓温平均21.6 ℃。由于储粮害虫在17～22 ℃范围从卵到成虫需要100 d，5月5日～9月23日期间138 d中，仓温平均21.5 ℃，粮面下一层的虫卵能够完成生命周期，尤其是仓内西南角和东南角粮面下，所以需要熏蒸作业杀虫。

图1 大气温度与14号仓仓温的变化Fig.1 Changes in atmospheric temperature and the headspace temperature of 14# warehouse

2.2 粮堆含水率的变化

从表1看出，2018年12月入仓的4.8 m高的稻谷粮堆，3月25日～9月30日期间四次扦样，二层较一层含水率分别高0.5%、0.6%、0.8%、0.7%；二层较三层含水率分别高0.3%、0.2%、0.2%、0.2%。说明冬季(2019年1月7～22日)上行吸出式通风和夏秋季空调控粮面低温均引起粮堆水分由底部向粮面表层迁移，表层粮食由于湿热交换导致含水率较二层含水率低0.5%～0.9%。值得研究空调控稻谷仓粮面低温储粮中水分损失的经济阈值。

表1 粳稻谷粮堆过夏期间含水率的变化Table 1 Changes in moisture content of paddy bulk through the summer

2.3 粮堆温度的变化

在3月25日～9月30日期间，粮堆各层最高温度增加呈现“饱和曲线”形式(图2A)，7月8日达到拐点。最高温度超过22 ℃对应各层分别是5月20日、6月10日、6月17日、6月21日。粮堆各层最低温度对一层有两个峰值(图2B)，分别在6月21日和9月2日达到20.0 ℃和23.8 ℃，二层、三层、四层最低温度呈现近似线性增加，斜率分别是0.60、0.33和0.15。粮堆各层平均温度增加趋势类似各层的最低温度(图2C)，一层平均温度分别在6月21日和9月2日达到两个明显的峰值22.0 ℃和25.9 ℃，二层、三层、四层平均温度增加近似线性增加，斜率分别是0.50、0.35和0.15。一层平均粮温在8月12日～9月30日期间大于22 ℃，但是小于26 ℃。二、三、四层平均粮温在3月25日～9月30日期间分别小于18、13.5及15 ℃。全仓最高粮温和极差温度在8月2日达到最高点，之后呈现降低趋势(图2D)。全仓平均粮温和最低粮温整个测试期间持续增加。粮堆一层平均温度在5月17日～9月12日 期 间 变 化 范 围 是17.6～25.9 ℃，平均温度是21.4 ℃，导致粮面下附近的害虫卵缓慢发育，能够完成生活史。

图2 粮堆过夏期间温度的变化Fig.2 Change in temperature of paddy bulk through the summer

2.4 粮堆相对湿度的变化

粮堆层最高温度对应的RH如图3A，对一层由3月25日的70%增加到5月27日的73.2%，之后波浪式下降到9月30日的70.3%。粮堆二层RH由3月25日的71%增加到7月8日的75.2%，之后缓慢下降到9月30日的73.9%。粮堆三层和四层的RH变化相似，它们分别由3月25日的69.8%和71.1%，增加到8月5日的73.5%和74.4%，之后缓慢下降到9月30日的72.1%和72.3%。粮堆层最低温度对应的RH如图3B，粮堆一层RH由3月25日的68%增加到5月27日的71.3%，之后波浪式降低到8月5日的66.7%，然后再增加到9月12日的69.5%。粮堆二层RH由3月25日的67.8%经历两个小峰值后持续增加到9月20日的70.9%。三层RH是三段折线式变化，围绕在66.8%附近。四层RH在67.8%附近波动。

粮堆层平均温度对应的RH如图3C。一层粮堆均温对应的RH由3月25日的68.7%增加到5月27日的72%，之后波浪式降低到8月5日的68.2%，然后再增加到9月2日的70.1%。二层RH由3月25日的68.7%持续增加到9月16日的72.8%。三层RH由3月25日的68.7%增加到7月25日的70%，之后在69%左右变化。四层RH在70%左右变化。

全仓最高温、最低温、平均温度对应的RH在3月25日～9月30日的变化范围分别是71.2%～74.3%、65.8%～68%、68.4%～70.4%(图3D)。粮堆一、二、三、四层的平均RH分别是69.9%、71.1%、68.9%、70.0%，大约对应的稻谷绝对安全水分值14%。

图3 粮堆过夏期间相对湿度的变化Fig.3 Change in RH of paddy bulk through the summer

2.5 粮堆含湿量的变化

在3月25日～9月30日期间，粮堆各层最高温度对应的含湿量增加呈现“饱和曲线”形式(图4A)，一层、二层、三层、四层最高含湿量分别是0.0190、0.0184、0.0155、0.020 kg/kg，对应的日期分别是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。粮堆一层最低温度对应的含湿量有两个峰值(图4B)，分别在6月21日和9月2日达到0.0102和0.0128 kg/kg，二层、三层、四层最低温度对应的含湿量随时间呈现近似线性增加，斜率分别是0.40、0.18和0.08。

粮堆各层均温对应的含湿量增加趋势类似各层最低温度对应的含湿量(图4C)，一层含湿量分别在6月21日和9月2日达到两个明显的峰值0.0117和0.0147 kg/kg，二层、三层、四层平均温度对应的含湿量随时间呈现近似线性增加，斜率分别是0.50、0.28和0.18。全仓最高粮温对应的含湿量在8月5日达到最高点0.0198 kg/kg，之后呈现降低趋势(图4D)。全仓平均粮温和最低粮温对应的含湿量整个测试期间持续增加，斜率分别是0.28和0.10。

图4 粮堆过夏期间含湿量的变化Fig.4 Change in the humidity ratio of paddy bulk through the summer

2.6 粮堆湿球温度的变化

在3月25日～9月30日期间，粮堆各层最高温度对应的湿球温度增加呈现“饱和曲线”形式(图5A)，一层、二层、三层、四层的最高湿球温度分别是25.6、24.8、22.3、26.2 ℃，对应的日期分别是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。粮堆一层最低温度对应的湿球温度有两个峰值(图5B)，分别在6月21日和9月2日达到16.4 ℃和19.8 ℃，二层、三层、四层最低温度呈现近似线性增加，斜率分别是0.60、0.40和0.20。

粮堆各层均温对应的湿球温度增加趋势类似各层最低温度对应的湿球温度(图5C)，一层湿球温度分别在6月21日和9月2日达到两个明显的峰值18.3和21.8 ℃，二层、三层、四层平均温度呈现近似线性增加，斜率分别是0.60、0.40和0.23。全仓最高粮温对应的湿球温度在8月5日达到最高点26.1 ℃，之后呈现降低趋势(图5D)。全仓平均粮温和最低粮温对应的湿球温度整个测试期间持续增加，斜率分别是0.33和0.20。

图5 粮堆过夏期间湿球温度的变化Fig.5 Change in wet-bulb temperature of paddy bulk through the summer

5月17日～9月12日期间粮堆一层、二层、三层、四层的平均湿球温度分别是17.7、10.7、7.2、10.5 ℃。谷蠹和米象生长的起始湿球温度分别是12和9 ℃[20]，所以在粮面下附近谷蠹和米象可以完成其生活史。从抑制谷蠹和米象虫卵发育角度，该库在5月中下旬开启空调，可把粮堆一层的平均湿球温度控制在17 ℃内，害虫发育速率缓慢。

2.7 粮堆露点温度的变化

粮堆含湿量和露点温度可以用于判断不同目的通风(降温、调质及降水)。在3月25日～9月30日期间，粮堆各层最高温度对应的露点温度增加呈现“饱和曲线”形式(图6A)，一层、二层、三层、四层最高露点温度分别是24.1、23.6、20.9、25.0 ℃，对应的日期分别是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。粮堆一层最低温度对应的露点温度有两个峰值(图6B)，分别在6月21日和9月2日达到14.4 和17.9 ℃，二层、三层、四层最低温度对应的露点温度近似线性增加，斜率分别是0.40、0.20和0.08。

粮堆各层均温对应的露点温度增加趋势类似各层最低温度对应的露点温度(图6C)，一层露点温度分别在6月21日和9月2日达到两个明显的峰值16.5 和20.0 ℃，二层、三层、四层平均温度对应的露点温度呈现近似线性增加，斜率分别是0.50、0.33和0.18。全仓最高粮温对应的湿球温度在8月5日达到最高点24.8 ℃，之后呈现降低趋势(图6D)。全仓平均粮温和最低粮温对应的湿球温度整个测试期间持续增加，斜率分别是0.40和0.25。在3月25日～9月30日期间，粮堆各层的平均温度高于对应的露点温度，不会发生结露现象。

图6 粮堆过夏期间露点温度的变化Fig.6 Change in dew-point temperature of paddy bulk through the summer

2.8 空调控制稻谷低温储藏库的评价

2.8.1 空调运转与熏蒸作业成本 本研究中，从2019年5月20日～9月13日开启空调，其中2台空调同时运行1029 h，4台空调同时运行173 h，累计电费13439.3元(表2)。熏蒸成本计算，两次局部熏蒸共投药片30片，费用4元，每次人工费120元，两次合计244元。最后一次整仓熏蒸用药10公斤费用400元，人工熏蒸费460元，合计880元。熏蒸作业总计1124元。每吨稻谷准低温储存期间的投入是5.72元。

表2 空调运转时数及电费Table 2 The running hours of air-conditionings and cost

2.8.2 稻谷的加工品质 从表3、表4、表5看出，3月26日～9月30日期间，扦样测定的稻谷含水率呈现减少趋势，出米率和出糙率差异不显著，而且加工的大米长度、宽度、长宽比、整精米率、千粒重、碎米率、裂纹率、垩白粒率、垩白度、精度没有明显差异。

表3 粳稻谷过夏期间含水率与出米率的变化Table 3 Change in moisture content and milled rice yield of paddy bulk through the summer

表4 粳稻谷过夏期间大米长宽比与整精米率的变化Table 4 Change in the ratio of kernel length to width and head rice yield of paddy bulk through the summer

表5 粳稻谷过夏期间裂纹率与垩白度的变化Table 5 Change in the kernel fissure percentage and chalkiness degree of paddy bulk through the summer

2.8.3 米饭品质 表6比较了3月25日与9月30日样品的米饭品尝得分，气味和滋味指标差异不显著，米饭品尝得分在89分以上。说明该仓稻谷过夏期间仍然保持了新鲜度。

表6 米饭品质指标Table 6 The eating quality evaluation of paddy

3 讨论

在温带地区通过冬季降温通风将粮堆温度降下来，由于粮食是热的不良导体[1]，随着春夏季到来，仅粮面和粮堆周边温度逐渐升高[18]。本研究中采用空调试图保持粮面温度(仓温)在过夏期间≤23 ℃。5月20日～9月13日期间，这117 d中开启空调74 d，其中同时运行2台空调1029 h，同时运行4台空调173 h，仓温平均21.6 ℃。5月20日～6月26日，仓温平均25.9 ℃；6月27日～8月6日，仓温平均17.7 ℃。在17～22 ℃，主要储粮昆虫从卵发育到成虫需要100 d[1,18]，本研究中5月20日～9月13日期间这117 d中，粮堆一层(粮面下10 cm)平均21.5 ℃，二层(粮面下1.6 m)平均13.7 ℃，三层(粮面下3.1 m)平均10.0 ℃，四层(粮面下4.6 m)平均13.4 ℃，粮堆平均14.7 ℃。所以在粮面下的昆虫卵完成了生活史。6月底根据粮堆西南角2个测温点粮食温度每天升高0.7～1 ℃，扦样查看昆虫头数，并在7月2～7日插入探管投药局部熏蒸，此期间没有关闭空调。8月初粮堆西南角和东南角同时发现了昆虫，于是在8月6～16日插入探管投药再次局部熏蒸，此期间关掉了空调。9月23日～10月9日整仓熏蒸期间关闭了空调。长时间磷化氢熏蒸期间关掉了空调，并对空调内机进行了密封处理，以避免磷化氢气体对空调管道及线路板的腐蚀。

空调控准低温(20～21 ℃)储粮技术导致本研究中稻谷粮堆平均水分由14.0%不显著降低到13.6%，这是由于粮粒间隙的空气温度降低，必然导致其含湿量(绝对湿度)降低。采用空调技术保持粮堆低温必然引起粮堆水分损失，因此在粮食储藏技术研发上值得探索其他冷源技术。在我国南方稻谷空调控低温储藏技术中，在过夏期间通常将空调温度设定在24 ℃，不能够再过低设定，原因是冷凝管温度必须≥16 ℃。本研究中空调控稻谷粮面准低温技术保持了全仓粮食的加工品质。该库13号仓曾经进行了稻谷调质通风试验[14]，通风时间段2017年4月13日～6月16日。4月13日平均粮温15.3 ℃，含水率13.5%，到6月16日平均粮温17.6 ℃，平均粮堆水分增加了0.5%，风机运转333 h，用电566.1 kW·h，单位能耗是0.455 kW·h(1%·t)-1，整精米率提高了3%，成本为0.15元/吨粮食。在本研究中，14仓于2019年5月20日～10月28日期间空调运行费用和熏蒸作业合计成本是5.72元/吨粮食。

国内缺乏研究粮堆湿球温度与储粮害虫繁殖率之间的关系[18,20-21]。本研究中粮堆各层均温对应的湿球温度变化趋势是，一层湿球温度分别在6月21日和9月2日达到两个明显的峰值18.3 和21.4 ℃，二层、三层、四层平均温度增加近似线性增加，斜率分别是0.60、0.40和0.23，它们分别低于15、10、11 ℃。值得从粮堆各层湿球温度预测粳稻谷主要害虫的发育进程。

4 结论

在高大平房仓2546 t粳稻谷粮堆中，5月20日～9月13日这117 d中，空调开启74 d，空调控粮面准低温储藏技术导致粮堆过夏期间水分发生了不显著的减少。5月17日～9月12日期间粮堆一层、二层、三层、四层的平均湿球温度分别是17.7、10.7、7.2、10.5 ℃，粮面下附近的谷蠹和米象可以完成其生活史。本研究从粮堆湿球温度角度首次解释了粮面的昆虫卵完成了生活史，导致7月2日～7日、8月6～16日两次局部熏蒸，9月23日～10月9日整仓熏蒸作业。值得深入根据粮堆湿球温度研究昆虫生长速率及昆虫头数的预测数学模型，减少熏蒸作业对粮食品质的污染。

在3月25日～9月30日期间随着高大平房仓全仓稻谷平均温度由6.3 ℃增加到17.8 ℃，平均含水率由14.0%不显著减少到13.6%，稻谷粮堆平均RH变化范围是68.4%～70.4%，储藏真菌不生长，稻谷加工的大米出米率、整精米率及其他外观品质指标保持不变，米饭品尝得分保持在89分以上,在经济上是可行的。