粳稻谷低溫倉儲期間糧堆特性及加工品質的變化

段義三，馬建勇，李興軍 ，丁 進，馮吉東，田 琳，劉俊明，陶利思4

(1.山東省軍糧儲備庫，山東齊河 251100；2.國家糧食和物資儲備局科學研究院昌平基地，北京 102209；3.山東魯糧集團有限公司，山東濟南 250012；4.四川農業大學食品學院，四川雅安 625014)

糧食儲藏是通過控制含水率和溫度來抑制蟲霉生長，保持籽粒(酶)活性，延緩品質劣變及改善加工品質[1-2]。我國稻米消費習慣與日本、韓國一樣，大米越新鮮越好吃[3]。評價稻谷加工效率的指標是整精米率和白度[4]，而稻谷含水率是這兩個指標的重要影響因素，在豎向研磨車間進行的研磨試驗表明最佳含水率是15%[5]。日本以低溫儲藏糙米為主，控溫控濕，糙米水分含量15.5%，而日本國家糧食標準和日本大米協會規定精米的最高允許水分為16%[6-8]，如果換算為稻谷水分應該是15%～15.5%。我國儲糧以儲藏稻谷為主，安全水分一直沿用質量標準水分，秈稻的安全水分13.5%，粳稻的安全水分14.5%，分別低于大米的質量標準水分1%，實際稻谷出倉水分還低于質量標準水分1%～2%[9-10]。這導致我國稻谷標準GB1350-2009規定秈(粳)稻谷研磨的1級大米整精米率≥50%(61%)，指標值偏低。因此，稻谷的儲存水分與加工品質的關系一直受到倉儲和加工企業關注。

我國糧庫具有較成熟的智能化糧情檢測系統，測溫電纜的精度是≤±0.4 ℃，每周兩次的系統巡檢提供的電子表格包含了糧堆各點的溫度，以及各層的最高溫、最低溫及平均溫度，確保精準防治倉儲昆蟲為害干糧食。尤其是近年來我國全面推廣控溫儲糧技術，措施包括冬季機械通風降低基礎糧溫、春季糧面減小熱交換、空調制冷或排積熱通風及時散熱、利用冷心環流通風降低表層糧溫[11-12]。倉儲企業為了提高出倉稻谷加工的大米整精米率和白度，不再采用調質通風技術，而是采用提高入倉稻谷的含水率1.0%～1.5%，通過控溫儲糧技術保持稻谷糧堆安全過夏[13-15]。然而，偏高水分稻谷儲存期間糧堆特性如各層的相對濕度(RH)、含濕量、濕球溫度及露點溫度的變化缺乏研究。本研究在我國稻谷平衡水分等溫線方程[13-14]研發基礎上，分析高大平房倉空調控粳稻谷低溫儲藏期間糧粒間隙空氣特性及稻谷品質的變化，以期為我國正在推廣的優糧優儲技術和智能化糧情檢測系統升級提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

遼寧短粒粳稻 品種是鹽豐47，2018年12月入倉。

空調型號KFR-140W/S-590T2 美的集團；軸流風機型號 T35-11N056 樂清市天永防爆電氣有限公司；谷物水分測定儀LDS-1G 臺州市糧儀廠；SC-E萬深大米外觀品質檢測分析儀 杭州萬深檢測科技有限公司；LTJM 5588精米機 臺州市糧儀廠；磷化鋁藥片，有效含量56% 山東龍口化工廠。

1.2 倉房條件及管理

山東省軍糧儲備庫位于山東省齊河縣，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區。14號試驗倉是高大平房倉，地上籠一機兩風道，共10風道，通路比K=1.4。2018年12月入倉遼寧短粒粳稻2545.9 t，品種是鹽豐47，含水率14.3%，雜質含量0.7%，出糙率80.9%。倉內散裝糧堆長39.8 m、寬20.4 m、高度4.8 m。2019年1月7日～22日采用兩臺1.1 kW的軸流風機進行吸出式均溫通風。在過夏期間采用空調控制糧面溫度(倉溫)，倉房南北墻各裝有2臺空調，空調位于糧面上1.8 m處，如果倉溫超過23 ℃就沿著對角線開啟空調。5月20日～9月13日期間，117 d中開啟空調74 d，同時開啟2臺空調1029 h，同時開啟4臺 空 調173 h。2019年7月2日～7日、8月6日～16日進行兩次局部熏蒸，采用下探管投藥方式，每次熏蒸投藥量為15片(0.05 kg)；9月23日～10月9日整倉熏蒸，預設磷化氫濃度為150 mL/m3，投藥量10 kg。10月28日，稻谷開始出庫。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 糧堆水分 在糧面布置11個扦樣點。每點再縱深3個扦樣點，共33份樣品。三層扦樣的深度分別是糧面下0.3、2.4、4.5 m。樣品水分測定采用LDS-1G谷物水分測定儀。

1.3.2 糧堆溫度 糧情檢測系統檢測糧堆各點的溫度，每3天巡檢一次。在單倉糧面上分布50根測溫電纜，糧面下10 cm為第一層，再縱深每隔1.5 m各為二、三、四層，4層共計200個點的糧堆溫度數據。本研究中所測定糧堆溫度的時間段是3月25日～9月30日。

1.3.3 糧粒間隙空氣的相對濕度、含濕量及露點溫度測定

1.3.3.1 糧粒間隙空氣相對濕度和含濕量

式中，RH為糧粒間隙空氣的相對濕度(%)，M為糧食水分(%)，T為糧食溫度(℃)，a、b、c是粳稻MCPE方程的系數[16]。

式中，w是糧粒間隙空氣的含濕量(kg/kg)，patm等于101325 Pa，ps是 糧食溫度T時的飽和水汽壓。

1.3.3.2 糧粒間隙空氣濕球溫度 求解空氣濕球溫度的關鍵是認識到飽和空氣含濕量ww是 濕球溫度Tw的 函數，即f (Tw)。

式中，Tw是 糧粒間隙空氣濕球溫度(℃)，ww是濕球溫度Tw下 飽和空氣的含濕量(kg/kg)。以牛頓拉弗遜迭代法解這個非線性代數方程[15-16]。

1.3.3.3 糧粒間隙空氣露點溫度

如果已知露點溫度Tdp對應的含濕量wdp，鑒于飽和蒸汽壓強也是溫度的函數，方程(6)左邊是露點溫度Tdp的函數[17-18]，可表達為：

目標是求解Tdp值，方程(7)滿足f (Tdp)=0。

利用牛頓和拉弗遜迭代方法解方程(7)，代數式可以寫成：

方程(8)的唯一變量是Tdp，其他都是恒值。飽和水汽壓僅是Tdp的函數，f (Tdp)對 Tdp的依賴來自表達式ps(Tdp)。通過微分的鏈式法則可得：

將方程(10)和(11)代入方程(9)，按照牛頓和拉弗遜迭代方法，對于代數式方程(9)編程進行運算。當連續露點溫度Tdp之間的差值絕對值小于一定誤差1 0?6，即，這個迭代過程就被停止。

1.3.4 稻谷加工品質評價

1.3.4.1 出米率 約150 g稻谷在精米機上研磨50 s，按照公式(12)計算出米率。

式中，α是出米率，%；m0是稻谷質量，g; m1是大米質量，g。

1.3.4.2 大米外觀品質 大米籽粒的長度和寬度測定采用SC-E萬深大米外觀品質檢測分析儀。該儀器包括米粒排列器、掃描儀、圖像處理系統。米粒排列器用于快速將粳米排列在掃描儀玻璃板上，接著掃描儀掃過接觸玻璃板的米粒表面，在計算機軟件中40 s內可以顯示米粒的形狀。米粒圖像處理按照GB/T 1354精米標準。采用自定義模式掃描大米全粒長平均值和全粒寬平均值，計算長寬比。每次掃描大米500粒左右，重復3次。

1.3.4.3 米飯品嘗得分 米飯品嘗得分參考國標GB/T 15682-2008[19]，包括氣味、滋味、色澤及飯粒的外觀結構。

1.3.5 數據分析 采用隨機區組試驗設計，數據以平均值±標準差表示。LSD檢驗中同一列不相同小寫字母表示樣品之間差異顯著(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 大氣溫度與14號倉溫的變化

如圖1所示，在3月25日～9月30日期間，該試驗倉周邊大氣平均溫度在5月22日～8月3日超過31.9 ℃，這期間的大氣平均相對濕度(RH)是42.9%。5月17日～6月27日期間糧面上1 m處的溫濕度傳感器顯示的倉溫均值是25.6 ℃，倉RH均值是43.4%。6月28日～8月6日期間倉溫均值是17.6 ℃，倉RH均值是41.4%。在5月20日～9月13日空調運行期間，倉溫平均21.6 ℃。由于儲糧害蟲在17～22 ℃范圍從卵到成蟲需要100 d，5月5日～9月23日期間138 d中，倉溫平均21.5 ℃，糧面下一層的蟲卵能夠完成生命周期，尤其是倉內西南角和東南角糧面下，所以需要熏蒸作業殺蟲。

圖1 大氣溫度與14號倉倉溫的變化Fig.1 Changes in atmospheric temperature and the headspace temperature of 14# warehouse

2.2 糧堆含水率的變化

從表1看出，2018年12月入倉的4.8 m高的稻谷糧堆，3月25日～9月30日期間四次扦樣，二層較一層含水率分別高0.5%、0.6%、0.8%、0.7%；二層較三層含水率分別高0.3%、0.2%、0.2%、0.2%。說明冬季(2019年1月7～22日)上行吸出式通風和夏秋季空調控糧面低溫均引起糧堆水分由底部向糧面表層遷移，表層糧食由于濕熱交換導致含水率較二層含水率低0.5%～0.9%。值得研究空調控稻谷倉糧面低溫儲糧中水分損失的經濟閾值。

表1 粳稻谷糧堆過夏期間含水率的變化Table 1 Changes in moisture content of paddy bulk through the summer

2.3 糧堆溫度的變化

在3月25日～9月30日期間，糧堆各層最高溫度增加呈現“飽和曲線”形式(圖2A)，7月8日達到拐點。最高溫度超過22 ℃對應各層分別是5月20日、6月10日、6月17日、6月21日。糧堆各層最低溫度對一層有兩個峰值(圖2B)，分別在6月21日和9月2日達到20.0 ℃和23.8 ℃，二層、三層、四層最低溫度呈現近似線性增加，斜率分別是0.60、0.33和0.15。糧堆各層平均溫度增加趨勢類似各層的最低溫度(圖2C)，一層平均溫度分別在6月21日和9月2日達到兩個明顯的峰值22.0 ℃和25.9 ℃，二層、三層、四層平均溫度增加近似線性增加，斜率分別是0.50、0.35和0.15。一層平均糧溫在8月12日～9月30日期間大于22 ℃，但是小于26 ℃。二、三、四層平均糧溫在3月25日～9月30日期間分別小于18、13.5及15 ℃。全倉最高糧溫和極差溫度在8月2日達到最高點，之后呈現降低趨勢(圖2D)。全倉平均糧溫和最低糧溫整個測試期間持續增加。糧堆一層平均溫度在5月17日～9月12日 期 間 變 化 范 圍 是17.6～25.9 ℃，平均溫度是21.4 ℃，導致糧面下附近的害蟲卵緩慢發育，能夠完成生活史。

圖2 糧堆過夏期間溫度的變化Fig.2 Change in temperature of paddy bulk through the summer

2.4 糧堆相對濕度的變化

糧堆層最高溫度對應的RH如圖3A，對一層由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%。糧堆二層RH由3月25日的71%增加到7月8日的75.2%，之后緩慢下降到9月30日的73.9%。糧堆三層和四層的RH變化相似，它們分別由3月25日的69.8%和71.1%，增加到8月5日的73.5%和74.4%，之后緩慢下降到9月30日的72.1%和72.3%。糧堆層最低溫度對應的RH如圖3B，糧堆一層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%。糧堆二層RH由3月25日的67.8%經歷兩個小峰值后持續增加到9月20日的70.9%。三層RH是三段折線式變化，圍繞在66.8%附近。四層RH在67.8%附近波動。

糧堆層平均溫度對應的RH如圖3C。一層糧堆均溫對應的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%。二層RH由3月25日的68.7%持續增加到9月16日的72.8%。三層RH由3月25日的68.7%增加到7月25日的70%，之后在69%左右變化。四層RH在70%左右變化。

全倉最高溫、最低溫、平均溫度對應的RH在3月25日～9月30日的變化范圍分別是71.2%～74.3%、65.8%～68%、68.4%～70.4%(圖3D)。糧堆一、二、三、四層的平均RH分別是69.9%、71.1%、68.9%、70.0%，大約對應的稻谷絕對安全水分值14%。

圖3 糧堆過夏期間相對濕度的變化Fig.3 Change in RH of paddy bulk through the summer

2.5 糧堆含濕量的變化

在3月25日～9月30日期間，糧堆各層最高溫度對應的含濕量增加呈現“飽和曲線”形式(圖4A)，一層、二層、三層、四層最高含濕量分別是0.0190、0.0184、0.0155、0.020 kg/kg，對應的日期分別是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。糧堆一層最低溫度對應的含濕量有兩個峰值(圖4B)，分別在6月21日和9月2日達到0.0102和0.0128 kg/kg，二層、三層、四層最低溫度對應的含濕量隨時間呈現近似線性增加，斜率分別是0.40、0.18和0.08。

糧堆各層均溫對應的含濕量增加趨勢類似各層最低溫度對應的含濕量(圖4C)，一層含濕量分別在6月21日和9月2日達到兩個明顯的峰值0.0117和0.0147 kg/kg，二層、三層、四層平均溫度對應的含濕量隨時間呈現近似線性增加，斜率分別是0.50、0.28和0.18。全倉最高糧溫對應的含濕量在8月5日達到最高點0.0198 kg/kg，之后呈現降低趨勢(圖4D)。全倉平均糧溫和最低糧溫對應的含濕量整個測試期間持續增加，斜率分別是0.28和0.10。

圖4 糧堆過夏期間含濕量的變化Fig.4 Change in the humidity ratio of paddy bulk through the summer

2.6 糧堆濕球溫度的變化

在3月25日～9月30日期間，糧堆各層最高溫度對應的濕球溫度增加呈現“飽和曲線”形式(圖5A)，一層、二層、三層、四層的最高濕球溫度分別是25.6、24.8、22.3、26.2 ℃，對應的日期分別是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。糧堆一層最低溫度對應的濕球溫度有兩個峰值(圖5B)，分別在6月21日和9月2日達到16.4 ℃和19.8 ℃，二層、三層、四層最低溫度呈現近似線性增加，斜率分別是0.60、0.40和0.20。

糧堆各層均溫對應的濕球溫度增加趨勢類似各層最低溫度對應的濕球溫度(圖5C)，一層濕球溫度分別在6月21日和9月2日達到兩個明顯的峰值18.3和21.8 ℃，二層、三層、四層平均溫度呈現近似線性增加，斜率分別是0.60、0.40和0.23。全倉最高糧溫對應的濕球溫度在8月5日達到最高點26.1 ℃，之后呈現降低趨勢(圖5D)。全倉平均糧溫和最低糧溫對應的濕球溫度整個測試期間持續增加，斜率分別是0.33和0.20。

圖5 糧堆過夏期間濕球溫度的變化Fig.5 Change in wet-bulb temperature of paddy bulk through the summer

5月17日～9月12日期間糧堆一層、二層、三層、四層的平均濕球溫度分別是17.7、10.7、7.2、10.5 ℃。谷蠹和米象生長的起始濕球溫度分別是12和9 ℃[20]，所以在糧面下附近谷蠹和米象可以完成其生活史。從抑制谷蠹和米象蟲卵發育角度，該庫在5月中下旬開啟空調，可把糧堆一層的平均濕球溫度控制在17 ℃內，害蟲發育速率緩慢。

2.7 糧堆露點溫度的變化

糧堆含濕量和露點溫度可以用于判斷不同目的通風(降溫、調質及降水)。在3月25日～9月30日期間，糧堆各層最高溫度對應的露點溫度增加呈現“飽和曲線”形式(圖6A)，一層、二層、三層、四層最高露點溫度分別是24.1、23.6、20.9、25.0 ℃，對應的日期分別是8月12日、8月2日、8月5日、8月5日。糧堆一層最低溫度對應的露點溫度有兩個峰值(圖6B)，分別在6月21日和9月2日達到14.4 和17.9 ℃，二層、三層、四層最低溫度對應的露點溫度近似線性增加，斜率分別是0.40、0.20和0.08。

糧堆各層均溫對應的露點溫度增加趨勢類似各層最低溫度對應的露點溫度(圖6C)，一層露點溫度分別在6月21日和9月2日達到兩個明顯的峰值16.5 和20.0 ℃，二層、三層、四層平均溫度對應的露點溫度呈現近似線性增加，斜率分別是0.50、0.33和0.18。全倉最高糧溫對應的濕球溫度在8月5日達到最高點24.8 ℃，之后呈現降低趨勢(圖6D)。全倉平均糧溫和最低糧溫對應的濕球溫度整個測試期間持續增加，斜率分別是0.40和0.25。在3月25日～9月30日期間，糧堆各層的平均溫度高于對應的露點溫度，不會發生結露現象。

圖6 糧堆過夏期間露點溫度的變化Fig.6 Change in dew-point temperature of paddy bulk through the summer

2.8 空調控制稻谷低溫儲藏庫的評價

2.8.1 空調運轉與熏蒸作業成本 本研究中，從2019年5月20日～9月13日開啟空調，其中2臺空調同時運行1029 h，4臺空調同時運行173 h，累計電費13439.3元(表2)。熏蒸成本計算，兩次局部熏蒸共投藥片30片，費用4元，每次人工費120元，兩次合計244元。最后一次整倉熏蒸用藥10公斤費用400元，人工熏蒸費460元，合計880元。熏蒸作業總計1124元。每噸稻谷準低溫儲存期間的投入是5.72元。

表2 空調運轉時數及電費Table 2 The running hours of air-conditionings and cost

2.8.2 稻谷的加工品質 從表3、表4、表5看出，3月26日～9月30日期間，扦樣測定的稻谷含水率呈現減少趨勢，出米率和出糙率差異不顯著，而且加工的大米長度、寬度、長寬比、整精米率、千粒重、碎米率、裂紋率、堊白粒率、堊白度、精度沒有明顯差異。

表3 粳稻谷過夏期間含水率與出米率的變化Table 3 Change in moisture content and milled rice yield of paddy bulk through the summer

表4 粳稻谷過夏期間大米長寬比與整精米率的變化Table 4 Change in the ratio of kernel length to width and head rice yield of paddy bulk through the summer

表5 粳稻谷過夏期間裂紋率與堊白度的變化Table 5 Change in the kernel fissure percentage and chalkiness degree of paddy bulk through the summer

2.8.3 米飯品質 表6比較了3月25日與9月30日樣品的米飯品嘗得分，氣味和滋味指標差異不顯著，米飯品嘗得分在89分以上。說明該倉稻谷過夏期間仍然保持了新鮮度。

表6 米飯品質指標Table 6 The eating quality evaluation of paddy

3 討論

在溫帶地區通過冬季降溫通風將糧堆溫度降下來，由于糧食是熱的不良導體[1]，隨著春夏季到來，僅糧面和糧堆周邊溫度逐漸升高[18]。本研究中采用空調試圖保持糧面溫度(倉溫)在過夏期間≤23 ℃。5月20日～9月13日期間，這117 d中開啟空調74 d，其中同時運行2臺空調1029 h，同時運行4臺空調173 h，倉溫平均21.6 ℃。5月20日～6月26日，倉溫平均25.9 ℃；6月27日～8月6日，倉溫平均17.7 ℃。在17～22 ℃，主要儲糧昆蟲從卵發育到成蟲需要100 d[1,18]，本研究中5月20日～9月13日期間這117 d中，糧堆一層(糧面下10 cm)平均21.5 ℃，二層(糧面下1.6 m)平均13.7 ℃，三層(糧面下3.1 m)平均10.0 ℃，四層(糧面下4.6 m)平均13.4 ℃，糧堆平均14.7 ℃。所以在糧面下的昆蟲卵完成了生活史。6月底根據糧堆西南角2個測溫點糧食溫度每天升高0.7～1 ℃，扦樣查看昆蟲頭數，并在7月2～7日插入探管投藥局部熏蒸，此期間沒有關閉空調。8月初糧堆西南角和東南角同時發現了昆蟲，于是在8月6～16日插入探管投藥再次局部熏蒸，此期間關掉了空調。9月23日～10月9日整倉熏蒸期間關閉了空調。長時間磷化氫熏蒸期間關掉了空調，并對空調內機進行了密封處理，以避免磷化氫氣體對空調管道及線路板的腐蝕。

空調控準低溫(20～21 ℃)儲糧技術導致本研究中稻谷糧堆平均水分由14.0%不顯著降低到13.6%，這是由于糧粒間隙的空氣溫度降低，必然導致其含濕量(絕對濕度)降低。采用空調技術保持糧堆低溫必然引起糧堆水分損失，因此在糧食儲藏技術研發上值得探索其他冷源技術。在我國南方稻谷空調控低溫儲藏技術中，在過夏期間通常將空調溫度設定在24 ℃，不能夠再過低設定，原因是冷凝管溫度必須≥16 ℃。本研究中空調控稻谷糧面準低溫技術保持了全倉糧食的加工品質。該庫13號倉曾經進行了稻谷調質通風試驗[14]，通風時間段2017年4月13日～6月16日。4月13日平均糧溫15.3 ℃，含水率13.5%，到6月16日平均糧溫17.6 ℃，平均糧堆水分增加了0.5%，風機運轉333 h，用電566.1 kW·h，單位能耗是0.455 kW·h(1%·t)-1，整精米率提高了3%，成本為0.15元/噸糧食。在本研究中，14倉于2019年5月20日～10月28日期間空調運行費用和熏蒸作業合計成本是5.72元/噸糧食。

國內缺乏研究糧堆濕球溫度與儲糧害蟲繁殖率之間的關系[18,20-21]。本研究中糧堆各層均溫對應的濕球溫度變化趨勢是，一層濕球溫度分別在6月21日和9月2日達到兩個明顯的峰值18.3 和21.4 ℃，二層、三層、四層平均溫度增加近似線性增加，斜率分別是0.60、0.40和0.23，它們分別低于15、10、11 ℃。值得從糧堆各層濕球溫度預測粳稻谷主要害蟲的發育進程。

4 結論

在高大平房倉2546 t粳稻谷糧堆中，5月20日～9月13日這117 d中，空調開啟74 d，空調控糧面準低溫儲藏技術導致糧堆過夏期間水分發生了不顯著的減少。5月17日～9月12日期間糧堆一層、二層、三層、四層的平均濕球溫度分別是17.7、10.7、7.2、10.5 ℃，糧面下附近的谷蠹和米象可以完成其生活史。本研究從糧堆濕球溫度角度首次解釋了糧面的昆蟲卵完成了生活史，導致7月2日～7日、8月6～16日兩次局部熏蒸，9月23日～10月9日整倉熏蒸作業。值得深入根據糧堆濕球溫度研究昆蟲生長速率及昆蟲頭數的預測數學模型，減少熏蒸作業對糧食品質的污染。

在3月25日～9月30日期間隨著高大平房倉全倉稻谷平均溫度由6.3 ℃增加到17.8 ℃，平均含水率由14.0%不顯著減少到13.6%，稻谷糧堆平均RH變化范圍是68.4%～70.4%，儲藏真菌不生長，稻谷加工的大米出米率、整精米率及其他外觀品質指標保持不變，米飯品嘗得分保持在89分以上,在經濟上是可行的。