稻谷平衡水分的測定及 E MC/ERH等溫線方程的選擇

李興軍 吳子丹

(國家糧食局科學研究院,北京 100037)

稻谷平衡水分的測定及 E MC/ERH等溫線方程的選擇

李興軍 吳子丹

(國家糧食局科學研究院,北京 100037)

采用靜態稱重法測定 7個秈稻和 1個粳稻品種的平衡水分,并利用常用的 6個 EMC/ERH方程(修正BET、修正 Chung-Pfost、修正 Guggenheim-Anderson-deBoer、修正 Henderson、修正Os win及 Strohman-Yoerger)擬合吸附/解吸等溫線。在 ERH 11.3%～96%范圍內,修正 Chung-Pfost(MCPE)和 Strohman-Yoerger (STYE)擬合最佳。采用含有 3個系數、易于轉化為M=f(r.h.,t)或 r.h.=f(M,t)表達形式的MCPE方程,對 8個稻谷品種的吸著等溫線進行擬合。以M =f(r.h.,t)形式表達的MCPE方程系數 C1、C2、C3,在擬合吸附等溫線時分別是 784.894、143.337、0.174,在擬合解吸等溫線時分別是 588.376、59.026、0.180,吸著平均值分別是 638.444、87.074、0.177。稻谷吸附與解吸等溫線之間存在滯后現象,隨著溫度增加,滯后環寬度減少。

平衡水分 稻谷 解吸 吸附 數學模型 通風 干燥

稻谷是世界上重要的谷物,總產量接近小麥和玉米之和。我國稻谷年產量約 1.8億噸[1],居世界首位。新收獲的稻谷含水量高,需干燥后儲存或加工。干燥和儲藏條件均影響稻谷品質。調控這些條件,除了薄層干燥方程(修正BET)外,還需要了解稻谷平衡含水量(EMC)與一定溫度下干燥空氣或通風空氣的平衡相對濕度 (ERH)之間的關系。EMC/ ERH吸著(吸附/解吸)等溫線方程通常用于描述這種關系。國外已經發展了 200多個理論的、半理論的及經驗方程式,用于描述重要糧食種類的吸著等溫線,但是適合稻谷 EMC/ERH的方程報道有限[2]。Agrawal等[3]采用 11個模型分析了 4個稻谷的解吸數據,發現 Strohman等[4]提出的水分解吸等溫線方程最成功。Pfost等[5]對文獻報道的玉米吸著數據分析了 5個方程,發現 Strohman-Yoerger方程 (STYE)標準誤差最小,但是含有 4個系數的方程,認為含有3個系數的修正 Henderson(MHE)和修正 Chung-Pfost(MCPE)方程適合分析包含稻谷在內糧食吸著行為。Kachru等[6]研究表明稻谷的 EMC是相對濕度的多項式函數,也是溫度的線性函數,而 Putranon等[7]的研究表明稻谷的 ERH是水分的多項式函數,也是溫度的線性函數。Zuritz等[8]利用 Day-Nelson方程、修正 Henderson及 4個系數的 Chung-Pfost方程分析稻谷的 EMC/ERH數據,依據均方根誤差、方差檢驗分析,發現這 3個方程沒有差異,均適合描述EMC數據。Chen等[9]比較了 4個 EMC/ERH方程MHE、MCPE、修正 Halsey(MHAE)及修正 Os win (MOE)對 3種來源的稻谷和糙米數據的擬合性,除了MHAE通常對高蛋白的油料種子適合外,其他 3個方程部分或全部地適合稻谷數據。陳加忠等[10]指出,55～60℃風干的臺灣臺農 67號稻谷吸附數據以MHE和MCPE為適合模型。就植物來源的農產品水分吸著關系,ASABE標準D245.5推薦適合的方程是MHE、MCPE、MHAE及 MOE[11]。Guggenheim-An2 derson-deBoer(GAB)方程也被 D245.5推薦,但是它不包含吸附/解吸過程中溫度產生的效果。Sun[12]收集整理了 18種資料來源的 763個稻谷試驗數據,得出 STYE模型最適于描述稻谷的等溫線。胡坤等[13-14]指出,不同品種的秈稻吸附與解吸等溫線之間沒有明顯的差異,而初始含水量、稻谷類型(秈稻、粳稻及糯稻)及加工程度 (原稻、糙米及白米)顯著地影響稻谷的吸附與解吸等溫線,且美國農業工程學會推薦的MCPE及參數并不能與中國稻谷的吸附與解吸等溫線數據很好的擬合。STYE最適合于擬合秈稻、粳稻的吸附與解吸等溫線及糯稻的吸附等溫線,而MOE最適合擬合糯稻的解吸等溫線。

評價稻谷吸著行為的MCPE、MHE、MOE及STYE擬合方程,需要大量的稻谷 EMC/ERH數據。在小麥平衡水分測定分析基礎上[15],本研究測定分析了我國稻谷主產區8個品種的 EMC/ERH數據,選擇了6個常用 EMC/ERH方程對適合溫度范圍的數據組進行擬合,并選擇了最合適的MCPE描述稻谷吸附/解吸數據組,以期為我國稻谷儲藏和加工提供基礎性數據。

1 材料與方法

1.1 儀器與藥品

AB135-S/FACT分析天平:上海梅特勒 -托利多公司;PRX-350A智能人工氣候箱(溫度偏差 ±0.8℃):寧波海曙賽福實驗儀器廠,經常用標準溫度計(0～50℃范圍)校正;DHG9040A智能干燥箱 (溫度偏差 ±1.0℃):杭州藍天儀器廠,放置樣品的位置用標準溫度計校正;干燥器:內徑 240 mm;鋁盒:直徑 5 cm、厚度 2 cm;250 mL玻璃廣口瓶;9號橡皮塞;由銅絲網制作的小桶:直徑 2.8 cm、高度 4 cm。醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、氯化銅、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀:優級純,天津市光復科技發展有限公司;氯化鋰:優級純,北京國藥集團化學試劑有限公司;五氧化二磷固體:化學純,北京精益化學試劑有限公司。

1.2 樣品與試驗方法

采用 8個稻谷品種(表 1)。對于吸附曲線樣品,選取干凈、飽滿、無破裂的稻谷樣品在40.5℃保溫箱內,將含水率降到 7%～8%,然后在干燥器中用 P2O5固體脫水到 5%干基以下。新收獲的高水分稻谷常德218(含水率 19.5%)、常德 207(含水率 17.9%)直接用于測定解吸曲線樣品,其他稻谷品種由 5.0%干基以下加水調到 22%,在冰箱平衡 2周后用于測定解吸曲線。

表1 試驗用稻谷品種樣品

采用靜態稱重法測定平衡水分,即利用表 2的飽和鹽溶液在 5種恒定溫度(10、20、25、30及 35℃)下產生恒定的蒸汽壓。將 3.000～5.000 g稻谷籽粒倒入銅絲小桶,懸掛在橡膠塞下方掛鉤上,然后置于盛 60 mL過飽和鹽溶液的廣口瓶,塞緊橡膠塞,保持小桶底部距離鹽溶液上部 2～3 cm。進樣后在 25～30 d這一期間每隔 1天稱量1次,兩次連續稱重不超過 2 mg時,此時樣品中含水率就是該溫度、ERH下的平衡水分(EMC)。置于飽和硝酸鉀溶液上空的樣品,一旦觀察到發霉即取出樣品烘干稱重。糧食含水率測定采用整粒烘干法,(103.0±1.0)℃烘干20～28 h。

表 2 九種飽和鹽不同溫度產生的平衡相對濕度(%)[16]

1.3 數據處理

2 結果分析

2.1 自然高水分樣品與調水樣品解吸行為比較

從圖 1看出,在 30℃、ERH 11.3%～96.0%內,自然高水分(17.9%)的常徳 207稻谷樣品與調制樣品(22%)的解吸行為一致。

表3 水分吸著等溫線數學模型

圖 1 常德 207稻谷自然高水分樣品與調制樣品 30℃解吸等溫線

2.2 稻谷吸附與解吸等溫線實測值分析

表 4和表 5分別是 8個稻谷品種在 5種溫度(10、20、25、30及 35℃)、9種 ERH下的吸附與解吸平衡含水率均值。標準差分析表明,品種之間平衡水分含量變異不明顯。將表 4和表 5中數據作成解吸與吸附等溫線,如圖 2。解吸與吸附等溫線均呈 S型曲線。在一定溫度下,隨著 ERH增大,解吸或吸附數值增大。在恒定的 ERH下,解吸或吸附數值均隨著溫度的增加而減少。在 ERH 11%～85%范圍內,解吸等溫線滯后吸附等溫線 (圖 3),隨著溫度增加,滯后環跨度變小。

圖 2 8個稻谷品種平均解吸與吸附等溫線

圖 3 20℃下的 8個稻谷品種平均解吸與吸附曲線

2.3 稻谷吸附與解吸等溫線數學模型分析

從表 6、表 7的 EMC/ERH關系數學模型 r.h.= f(M,t)的參數估算看出,R2>0.970、MRE<10%,除了MOE方程回歸模型殘差分布對有些數據組是模式以外,MCPE、MHE、STYE及MGAB回歸模型殘差分布均是隨機的,表明所選數學模型MCPE、MHE、STYE及MGAB在 RH 11.3%～96%范圍內均適合稻谷吸附與解吸等溫線擬合。STYE含有 4個系數, MCPE、MHE和MGAB含有 3個系數,可以從這些數學模型中探討最合適的方程。

表 4 8個稻谷品種不同溫度解吸數據均值

表 5 8個稻谷品種不同溫度吸附數據均值

表 6 稻谷品種解吸等溫線模型 r.h.=f(M,t)參數估算

續表

表 7 稻谷品種吸附等溫線模型 r.h.=f(M,t)參數估算

續表

表8 16組稻谷吸著數據適合的數學模型統計參數平均值

表 9 稻谷吸著數據最佳擬合方程的參數及統計參數比較

2.4 稻谷吸附與解吸最佳等溫線數學模型篩選

為了比較了不同表達形式的常用 ERH/EMC模型,對 16組稻谷吸著等溫線的擬合結果,統計分析結果總結如表 8。以 r.h.=f(M,t)形式表達的 5個方程,按照平均統計參數 (R2、RSS、SEE、MRE)對比排序,STYE>MCPE>MHE>MGAB>MOE。以M=f(r.h.,t)形式表達的 5個方程中,BET在 RH 11.3%～50%范圍內是最佳的吸著等溫線擬合方程,MCPE、MHE、MOE及MGAB均在RH 11.3%～96%范圍內適合吸著等溫線。綜合考慮適合吸著數據方程的參數數目、表達形式轉化等因素,研究結果表明MCPE方程是最佳的吸著等溫線的擬合方程。

從表 9可以看出,以 r.h.=f(M,t)形式表達的MCPE和 STYE方程,吸附等溫線與解吸等溫線的擬合方程參數不同,表明稻谷吸附于解吸之間存在滯后現象。以M=f(r.h.,t)形式表達的MCPE方程,吸附等溫線與解吸等溫線的擬合方程參數也不同。

圖4 MCPE方程預測的10、20及30℃稻谷解吸與吸附等溫線

從圖 4看出,不同溫度下,稻谷吸附曲線與解吸曲線之間存在滯后現象。隨著溫度增加,滯后環的寬度和跨度變小。從圖5看出,在20℃下,稻谷品種之間吸附或解吸數據沒有差異。

圖5 MCPE方程預測的20℃稻谷解吸與吸附數值與8個品種實測數值比較

3 討論

Sun[12]分析了包含一系列溫度范圍的 18組稻谷吸附/解吸等溫線的 763個試驗數據,認為 Strohman -Yoerger模型適合描述稻谷的等溫線。胡坤等[14]分析了包括秈稻、粳稻及糯稻在內的 5個品種的吸附與解吸等溫線數據,認為 Strohman-Yoerger模型適合擬合秈稻、粳稻的吸著等溫線,MOE適合擬合糯稻的吸著等溫線。研究表明,Strohman-Yoerger方程以 r.h.=f(M,t)形式、MCPE方程以M =f(r.h., t)形式和 r.h.=f(M,t)形式均適合 7種秈稻和 1種粳稻的吸著等溫線(表 8)。美國農業工程學會也推薦MCPE方程作為稻谷吸著等溫線擬合方程[11]。MCPE方程的優點是含有 3個系數,易于轉化為M =f(r.h.,t)或 r.h.=f(M,t)表達形式,而 Strohman -Yoerger方程是 4個系數,不易轉化為M =f(r.h., t)的表達形式。因此,選擇MCPE方程作為稻谷吸著等溫線擬合方程。

通過對比分析 8個稻谷品種吸附/解吸實測值與MCPE方程擬合值,實測值分散地分布在擬合值周圍,品種之間差異不明顯 (圖 5)。因此,測定或收集較多品種的 ERH-EMC數據,能夠將品種、測量技術及測量準確性的影響最小化,使隨機誤差和系統誤差平均化,擬合的數學模型參數更加準確。

解吸等溫線用于稻谷干燥過程。新收獲的稻谷含水量是 16%～28%濕基,干燥是收獲后的必要處理,在濕熱地區非常重要。干燥處理推遲 1天,目的是讓稻谷籽粒內部的水分梯度、單個籽粒之間的水分梯度能夠達到平衡。然后在特定條件下緩慢地干燥,將水分降低到 13.5%濕基,以到達最好的品質保持效果。吸附等溫線用于描述加濕過程[17-18]。在現代倉儲管理中,儲藏期間通風可能發生加濕過程。為了降低倉內糧食的溫度,在夜間溫度很低時連續通風。但是夜間相對濕度較高,引起通風入口區域糧食嚴重吸濕,這種吸濕需要小心地檢測,它是糧食安全儲藏的威脅。因此需要選擇最合適的吸附方程。MCPE方程以M =f(r.h.,t)形式和 r.h.=f(M,t)形式預測稻谷的吸附和解吸曲線。

7種秈稻和 1種粳稻的吸著等溫線的擬合方程MCPE,以M =f(r.h.,t)形式表達的方程參數 C1、C2及 C3,在擬合吸附等溫線時分別是 784.894、143.337、0.174,在擬合解吸等溫線時分別是 588. 376、59.026、0.180,吸著平均值分別是638.444、87. 074、0.177。

志謝:感謝任錫洪先生對糧食平衡水分測定的指導。

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Fiting Parameters of E MC/ERH Model for Chinese Rough Rice

Li Xingjun Wu Zidan
(Academy of the State Administration of Grains,Beijing 100037)

Equilibrium moisture content(EMC)data for rice grain of eight cultivarswere obtained by the gravi2 metric method at 11%to 96%relative humidity(RH)and 10,20,25,30,and 35℃above nine saturated salt so2 lutions.Six commonly used mathematic models,BET,Guggenhei m– Anderson-deBoer(GAB),Modified-Chung-Pfost(MCPE),Modified-Henerson(MHE),Modified-Os win(MOE),and Strohman-Yoerger (STYE),were fitted to the data with evaluating the coefficientof determination,residue sum-of-squares,standard error of estimate,mean relative percent error,and residual plots.Results:The best-fitted equations to the EMC/ ERH data areMCPE and STYE,butMCPE is three-parameter,readily transfor med equation and adopted in this study.The three parameters,C1,C2,and C3of theMCPE in a for m ofM.=f(r.h.,t)are 784.894,143.337,and 0.174 for adsorption isother m of rough rice grain,and 588.376,59.026,and 0.180 for desorption isother m of rough rice grain,respectively.The three parameters,C1,C2,and C3for average values of desorption and adsorption data are 638.444,87.074,and 0.177,respectively.At a constant RH,EMC decreases with increasing temperature. There are hysteresis loops between desorption isotherms and adsorption isother ms.

equilibrium moisture content,rice,adsorption,desorption,mathematicmodel,ventilation,drying

TS210.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)06-0001-08

國家教育部留學歸國科研啟動基金(Z1006)

2009-07-20

李興軍,男,1971年出生,副研究員,糧食生理生化