玉米平衡水分測定及等溫線方程確定

王雙林郭道林李興軍陳 蘭欒 霞

(國家糧食儲備局成都糧食儲藏研究所1，成都 610031)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

玉米平衡水分測定及等溫線方程確定

王雙林1郭道林1李興軍2陳 蘭1欒 霞2

(國家糧食儲備局成都糧食儲藏研究所1，成都 610031)

(國家糧食局科學(xué)研究院2，北京 100037)

采用靜態(tài)稱重法對6個玉米品種的吸附/解吸等溫線進(jìn)行測定，并用6個非線性回歸方程描述吸附/解吸等溫線，修正Chung－Pfost方程(MCPE)、修正Henderson方程(MHE)、修正Oswin方程(MOE)及Strohman－Yoerger方程(STYE)均在ERH 11.3%～96%范圍內(nèi)適合描述玉米等溫線，其中最佳數(shù)學(xué)模型是MCPE，以M=f(ERH，t)形式表達(dá)的M=－1/C3×ln［－1/C1×(t+C2)ln(ERH)］，C1、C2及C3參數(shù)對吸附數(shù)據(jù)分別是863.159、108.443及0.216，對解吸數(shù)據(jù)分別是581.393、35.840、0.235，平均數(shù)據(jù)是655.792、59.035、0.225。分析MCPE方程預(yù)測的6個玉米品種解吸或吸附等溫線之間的差異，6個品種解吸等溫線之間有差異，但是6個品種吸附等溫線之間沒有差異。解吸與吸附等溫線之間存在滯后現(xiàn)象。

平衡水分 玉米 吸附 解吸 等溫線

玉米是世界上重要的谷物之一，我國玉米年產(chǎn)量約1.5億噸。玉米儲藏中，通過控制水分含量和溫度來保持品質(zhì)。研究平衡水分含量(EMC)和平衡相對濕度(ERH)之間的關(guān)系對于玉米干燥、通風(fēng)、確定儲藏安全水分及改進(jìn)儲藏物理調(diào)控措施很重要。玉米籽粒較大，平衡水分測定需要時間較長，獲得數(shù)據(jù)有限。Pfost等［1］用修正Henderson、修正Chung－Pfost、Day－Nelson、Chen－Clayton及 Strohman－Yoerger 5個方程分析黃色馬齒玉米的吸附與解吸等溫線，發(fā)現(xiàn)含有4個常數(shù)的方程殘差平方和，不是顯著地小于含有3個常數(shù)的方程殘差平方和。他們認(rèn)為，修正Henderson和修正Chung－Pfost方程不僅適用于玉米等溫線數(shù)據(jù)，還有其他谷物的數(shù)據(jù)。Chen等［2］報道，對不同程度低初始含水量的玉米，采用加蒸餾水加濕的方法測得的吸附等溫線沒有差別，采用暴露于高相對濕度環(huán)境加濕的方法也得到相似的結(jié)果。這兩種加濕方法制得的25℃和45℃吸附等溫線也沒有顯著的差別，而5℃的吸附等溫線之間平衡水分含量差別小于0.5%。我國曾開展過玉米平衡水分的測定，但是對獲得的有限數(shù)據(jù)未進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析。研究采用靜態(tài)稱重法，對全國玉米主產(chǎn)區(qū)6個品種的吸附/解吸平衡水分進(jìn)行測定，并對吸附與解吸等溫線進(jìn)行擬合分析，以期為我國糧食儲藏與加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

ZRX－1000ESW智能人工氣候培養(yǎng)箱:杭州錢江儀器設(shè)備有限公司;JSFM糧食水分測試磨:國家糧食儲備局成都糧食儲藏科學(xué)研究所。

氯化鋰、醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、氯化銅、氯化鈉、氯化鉀、硝酸鉀:均為優(yōu)級純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;五氧化二磷:天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

采用的6個玉米品種收獲時間及籽粒特性見表1。

表1 試驗樣品參數(shù)

1.2 試驗方法

玉米樣品加水到濕基21%，在冰箱平衡2周，用于測定解吸曲線。對于吸附曲線測定，6種樣品在40.5℃保溫箱降到濕基7%～8%，然后在干燥器中用P2O5固體脫水到干基5%以下。

表2 9種飽和鹽產(chǎn)生的平衡相對濕度/%

采用靜態(tài)稱重法測定平衡水分含量，即利用表2的飽和鹽溶液在一定溫度(10、15 20、25、30及35℃)下產(chǎn)生恒定的蒸汽壓。稱取5.0 g的玉米籽粒倒入不銹鋼網(wǎng)桶，懸掛在橡膠塞下方掛鉤上，然后置于盛100 mL過飽和鹽溶液的廣口瓶，塞緊橡膠塞，并保持不銹鋼網(wǎng)桶底部距離鹽溶液上部2～3 cm。進(jìn)樣14 d開始稱量，每隔1 d稱量1次(低濕度下進(jìn)樣21 d開始，每隔1 d稱量1次，高濕度下進(jìn)樣3 d開始，每天稱量1次)，兩次連續(xù)稱重偏差不超過5 mg時，此時樣品中含水量就是該溫度和ERH下的平衡水分(EMC)。玉米含水量采用水分磨粉碎樣品按GB 5497—1985 105℃恒重法和兩次烘干法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

表3 研究采用的水分吸附等溫線數(shù)學(xué)模型

2 結(jié)果分析與討論

2.1 玉米平衡水分測定

采用靜態(tài)稱重法測定6個玉米品種的吸附與解吸等溫線。圖1是“川玉68”玉米品種的實測平衡水分等溫線。平衡水分等溫線呈現(xiàn)“S”型曲線。平衡水分在一定相對濕度下隨溫度的增加而減少。相同溫度的解吸與吸附等溫線之間存在滯后現(xiàn)象。

圖1 采用靜態(tài)稱重法實測的“川玉68”玉米不同溫度下平衡水分解吸與吸附等溫線

2.2 玉米平衡水分等溫線數(shù)學(xué)模型分析

為了最小化玉米品種、測定技術(shù)及準(zhǔn)確性的影響，有必要尋找測定數(shù)據(jù)的最佳擬合方程，以便在糧食通風(fēng)、干燥和儲藏中使用。采用國際上常見的Chen－Clayton方程、修正 Chung－Pfost方程(MCPE)、修正 Halsey方程、修正 Henderson方程(MHE)、修正Oswin方程(MOE)及Strohman－Yoerger方程(STYE)，對6個玉米品種測定的平衡水分等溫線進(jìn)行擬合分析，擬合方程的好壞采用決定系數(shù)(R2)、平均相對百分率誤差(MRE)、殘差平方和(RSS)、標(biāo)準(zhǔn)差(SE)及殘差分布進(jìn)行評價。首先排除了Chen－Clayton方程和修正Halsey方程，理由是對Chen－Clayton方程不能計算殘差平方和(RSS)與標(biāo)準(zhǔn)差(SE);采用修正Halsey方程時，平均相對百分率誤差(MRE)大于10%。MCPE、MHE、MOE及STYE這四個方程均適合測定的玉米平衡水分等溫線，表4、表5分別是6個玉米品種解吸與吸附MCPE、MHE、MOE及STYE方程的參數(shù)，根據(jù)這些方程的參數(shù)可以推算一定溫度、濕度下的玉米籽粒平衡水分?jǐn)?shù)值。

表4 玉米品種EMC－ERH關(guān)系解吸等溫線模型ERH=f(M，t)參數(shù)估算

表5 玉米品種EMC－ERH關(guān)系吸附等溫線模型ERH=f(M，t)參數(shù)估算

2.3 玉米吸附等溫線最佳擬合方程的確定

為了從4個適合的數(shù)學(xué)方程中確定最佳的方程，比較表4、表5中各個方程的R2、RSS、SEE及MRE的均值(表6)。方程的優(yōu)劣次序是STYE＞MCPE＞MOE＞MHE。考慮到STYE是4個參數(shù)、不易逆轉(zhuǎn)到M=f(ERH，t)形式，而MCPE是3個參數(shù)、易于轉(zhuǎn)化的方程。因此本項研究確定MCPE是玉米平衡水分等溫線的最佳擬合方程。

表6 6組玉米吸附數(shù)據(jù)適合的數(shù)學(xué)模型統(tǒng)計參數(shù)平均值

表7是玉米吸附數(shù)據(jù)最佳擬合方程的參數(shù)及統(tǒng)計參數(shù)，MCPE方程分別以ERH=f(M，t)和M= f(ERH，t)形式表達(dá)。由于6個玉米品種來自全國主產(chǎn)區(qū)，因此MCPE方程參數(shù)可以被廣泛地使用。

表7 玉米吸附數(shù)據(jù)最佳擬合方程的參數(shù)及統(tǒng)計參數(shù)比較

2.4 玉米品種之間吸附行為的比較

圖2是利用修正MCPE方程預(yù)測的6個玉米品種20℃解吸與吸附等溫線。6個品種解吸等溫線之間略有差異，相同濕度下平衡水分值由大到小是，遼單565＞東單4243＞鄭單958＞澄海11＞東單8＞川玉68，但是6個品種吸附等溫線之間沒有差異。圖3顯示了玉米20℃解吸與吸附等溫線之間存在滯后現(xiàn)象，隨著相對濕度增大，解吸值與吸附值之間變小。對谷物吸附滯后現(xiàn)象，目前國際上還沒有科學(xué)合理的理論解釋［4－5］。表1分析的6個玉米品種的千粒重、粗蛋白、粗脂肪及粗淀粉含量，并不能解釋它們的解吸曲線的差異。

圖2 利用MCPE方程預(yù)測的6個玉米品種20℃解吸與吸附等溫線

圖3 采用MCPE方程預(yù)測的玉米20℃的吸附、解吸及平均等溫線

3 結(jié)論

采用靜態(tài)稱重法對來自全國主產(chǎn)區(qū)具有較強(qiáng)代表性的6個玉米品種的吸附/解吸平衡水分進(jìn)行測定，對測試數(shù)據(jù)的擬合分析表明MHE、MCPE及MOE方程均在ERH 11.3%～96%范圍內(nèi)適合描述玉米等溫線，其中最佳數(shù)學(xué)模型是MCPE，以M=f(ERH，t)形式表達(dá)為M=－1/C3×ln［－1/C1×(t+C2)ln(ERH)］，C1、C2及C3參數(shù)對吸附數(shù)據(jù)分別是863.159、108.443及0.216，對解吸數(shù)據(jù)分別是581.393、35.840、0.235，平均數(shù)據(jù)是655.792、59.035、0.225。

志謝:本項研究工作在國家糧食局科學(xué)研究院的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下進(jìn)行，國家糧食儲備局成都糧食儲藏科學(xué)研究所提供了必要的資金、人力及精神支持。

［1］Pfost HB，Maurer SG，Chung DS，et al.Summarizing and reporting equilibrium moisture data for grains［R］.USA:American Society of Agricultural Engineers，1976

［2］Chen CC，Morey RV.Equilibrium relativity(ERH)relationships for yellow－dent corn［J］.Transactions of ASAE，1989，32:999－1006

［3］Jayas DS，Mazza G.Equilibrium moisture characteristics of sunflower seeds，hulls and kernels［J］.ASAE，1991，34:534－538

［4］李興軍，王雙林，王金水.谷物平衡水分研究概況［J］.中國糧油學(xué)報，2009，24(11):137－145

［5］李興軍，王雙林，王金水，等.小麥的平衡水分與吸附熱研究［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，30(3)1－7.

Fitted Parameters of EMC/ERH Model for Chinese Shelled Corn

Wang Shuanglin1Guo Daolin1Li Xingjun2Chen Lan1Luan Xia2
(Institute of Grain Storage，The State Administration of grains1，Chendu 610031)
(Academy of the State Administration of Grains2，Beijing 100037)

Equilibrium moisture content(EMC)data for the shelled corn of six cultivars were obtained by the gravimetric method at 11%to 96%relative humidity(ERH)and 10，15，20，25，30，and 35℃ above nine saturated salt solutions.Six non－linearity regression equations were used to describe desorption/adsorption isotherms.Results:Four commonly used mathematic models，modified－Chung－Pfost(MCPE)，modified－Henerson (MHE)，modified－Oswin(MOE)，and Strohman－Yoerger(STYE)，are fitted to the data with evaluating the coefficient of determination，residue sum－of－squares，standard error of estimate，mean relative percent error，and residual plots.The best－fitted equations to the EMC/ERH data are STYE and MCPE;as MCPE is three－parameter and readily transformed equation，so is adopted in this study.The three parameters，C1，C2，and C3 of MCPE in a form of M=f(ERH，t)are 863.159，108.443，and 0.216 for adsorption isotherm of shelled corn，and 581.393，35.840，and 0.235 for desorption isotherm of shelled corn，respectively.The three parameters，C1，C2，and C3 for average values of desorption and adsorption data are 655.792，59.035，and 0.225，respectively.At a constant relative humidity，equilibrium moisture content decreases with increasing temperature.There is hysteresis between desorption isotherms and adsorption isotherms.

equilibrium moisture content，adsorption，desorption，isotherms，shelled corn，ventilation

S11+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003－0174(2010)11－0033－05

國家糧食局科學(xué)研究院科研業(yè)務(wù)費專項(ZX0708－1)

2009－10－27

王雙林，男，1969年出生，副研究員，農(nóng)產(chǎn)品儲藏