大豆結(jié)露過程中濕熱傳遞規(guī)律研究

張瑞迪 王若蘭 黃亞偉 胡志薈 耿憲洲 李浩杰 盛 強(qiáng) 曹志帥

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1，鄭州 450001)(中儲(chǔ)糧成都儲(chǔ)藏研究院有限公司2，成都 610031)

大豆是我國(guó)糧食儲(chǔ)備的四大品種之一和重要的糧油兼用經(jīng)濟(jì)作物，含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪，具有水分活性高、吸濕性強(qiáng)、耐溫性差等儲(chǔ)藏特性[1-4]。溫度和濕度是影響大豆儲(chǔ)存安全穩(wěn)定性的重要因素，大豆糧堆在儲(chǔ)藏過程中，受溫度、濕度的影響，易發(fā)生結(jié)露現(xiàn)象，導(dǎo)致品質(zhì)下降，甚至失去食用價(jià)值[5,6]。

糧堆結(jié)露大多發(fā)生在季節(jié)交替時(shí)期，環(huán)境溫度驟冷驟熱，糧堆內(nèi)外溫差較大[7]。糧堆結(jié)露主要原因是糧堆內(nèi)外存在溫度差，溫差越大，結(jié)露的可能性越大[8]。每年在儲(chǔ)藏過程中因糧堆結(jié)露而沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理引發(fā)大面積的濕熱擴(kuò)散，致使糧食發(fā)熱霉變?cè)斐傻膿p失尤為嚴(yán)重[9]。通過研究糧堆在環(huán)境溫度驟冷驟熱等不良狀態(tài)下的溫度水分變化規(guī)律，有利于控制和預(yù)防糧堆不良狀態(tài)的發(fā)生。Gaston等[10]采用二維耦合傳熱傳質(zhì)模型來預(yù)測(cè)由于季節(jié)氣候變化存儲(chǔ)在密封塑料袋中的大豆溫度分布和水分遷移規(guī)律。Jian等[11]觀測(cè)小麥糧堆溫濕度及水分變化后，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)建立小麥糧堆的溫濕度及水分遷移規(guī)律模型。王小萌等[12]研究發(fā)現(xiàn)玉米糧堆在霉變發(fā)熱狀態(tài)下，糧堆內(nèi)部發(fā)熱會(huì)產(chǎn)生微氣流從而引起糧堆內(nèi)部水分遷移。張前等[13]分析了在氣溫和倉溫變化的影響下，糧堆“熱皮”和“冷心”溫度的變化規(guī)律 ，組建了氣溫、倉溫、“熱皮”和“冷心”糧溫變化的數(shù)學(xué)模型。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大豆糧堆結(jié)露過程中，溫濕度及水分遷移的變化規(guī)律研究甚少。

本研究將12%含水量的大豆放入溫差15 ℃(冷熱源分別為15、30 ℃)的模擬倉中儲(chǔ)藏，模擬季節(jié)交替時(shí)大豆糧堆所處環(huán)境，通過監(jiān)測(cè)糧堆溫度、相對(duì)濕度及含水量，研究大豆結(jié)露過程中溫濕度變化及分布規(guī)律、水分遷移特點(diǎn)，以期為大豆儲(chǔ)藏過程中的糧情調(diào)控、預(yù)防結(jié)露進(jìn)行理論指導(dǎo)，減少大豆在儲(chǔ)藏期間的損失，保證大豆的安全儲(chǔ)藏。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

東生2號(hào)大豆，產(chǎn)地黑龍江，原始含水量10%左右，雜質(zhì)含量低于1.0%。

1.2 主要儀器與設(shè)備

模擬倉，制冷機(jī)組和熱泵，溫濕度檢測(cè)傳感器，ML 204電子天平，101A-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，F(xiàn)Z102微型植物試樣粉碎機(jī)。

1.3 模擬倉及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

模擬倉內(nèi)部尺寸為0.80 m×0.80 m×1 m，2個(gè)對(duì)立倉壁設(shè)計(jì)有空心腔體，對(duì)冷熱泵機(jī)分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)所需溫度，所產(chǎn)生的冷(熱)氣體通過進(jìn)風(fēng)管道進(jìn)入模擬倉的兩個(gè)中空腔體內(nèi)，為實(shí)驗(yàn)提供溫差。中空倉壁上預(yù)留取樣口，倉蓋上預(yù)留溫濕電纜線穿線口。

設(shè)置冷熱泵機(jī)溫度分別為15、30 ℃，使糧堆處于15 ℃溫差下，以模擬春夏或夏秋季節(jié)交替時(shí)所造成的糧堆內(nèi)外溫差。大豆糧堆內(nèi)預(yù)先埋入溫濕度傳感器，溫濕度傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至數(shù)據(jù)記錄器中。大豆入倉前，要事先檢查模擬倉、冷熱泵機(jī)、溫濕度傳感器等設(shè)備，以確保其能正常工作。

1.4 方法

1.4.1 樣品處理

參照GB 5009.3—2016測(cè)定大豆原始水分(濕基含水量)，將樣品調(diào)制到目標(biāo)含水量12%，放置于模擬倉中，于溫差15 ℃(冷熱源為15、30 ℃)下儲(chǔ)藏。

1.4.2 溫濕度及濕基含水量測(cè)定

利用溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大豆糧堆不同部位溫濕度變化。糧堆內(nèi)溫濕度傳感器以及水分取樣點(diǎn)位布置如圖1所示。圖1a和圖1b中，溫濕度傳感器分上中下三層，距離倉頂依次為0.1、 0.44、0.78 m，每層從熱壁面到冷壁面依次為0.01、0.4、0.79 m；圖1c和圖1d中，大豆取樣點(diǎn)分上中下三層，距離倉頂依次為0.1、0.44、0.78 m，每層從熱壁面到冷壁面依次0.01、0.4、0.79 m。

圖1 模擬倉溫濕度傳感器及水分取樣點(diǎn)布置圖

1.5 數(shù)據(jù)處理

選取大豆糧堆中垂面(垂直于冷熱壁面，且距另2個(gè)壁面0.4 m)進(jìn)行分析，該中垂面受外界環(huán)境影響最小，具有代表性，故對(duì)中垂面溫濕度傳感器檢測(cè)到的溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過Origin軟件重現(xiàn)大豆糧堆的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 糧堆溫度和相對(duì)濕度變化

對(duì)糧堆中垂面的溫度和相對(duì)濕度進(jìn)行分析，圖2和圖3分別是大豆糧堆儲(chǔ)藏 0、8、16 d和24 d糧堆中垂面的溫度場(chǎng)和相對(duì)濕度場(chǎng)云圖。大豆糧堆初始平均糧溫為27 ℃，初始平均相對(duì)濕度71.8%。含水量為12%的大豆糧堆在15 ℃冷熱壁溫差作用下，糧堆內(nèi)部

圖2 大豆糧堆儲(chǔ)藏 0、8、16、24 d時(shí)中垂面溫度場(chǎng)云圖

溫濕度發(fā)生明顯變化。由圖2可知，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，近熱壁面糧食溫度逐漸升高，高溫區(qū)域增大；近冷壁面糧食溫度逐漸降低，低溫區(qū)域增大。糧堆內(nèi)部產(chǎn)生溫差引起熱空氣上升，冷空氣下降，使得糧堆內(nèi)部產(chǎn)生微氣流[14]。由圖3可知，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，近熱壁面下層糧食相對(duì)濕度逐漸降低，低濕區(qū)域逐漸增大；近冷壁面上層糧食相對(duì)濕度逐漸上升，高濕區(qū)域逐漸增大，大豆糧堆最終在近冷壁面上層結(jié)露。

圖3 大豆糧堆儲(chǔ)藏 0、8、16、24 d時(shí)中垂面相對(duì)濕度場(chǎng)云圖

2.2 濕基含水量變化

由圖4所示，近熱壁面上中下三層大豆儲(chǔ)藏期間含水量逐漸下降，24 d后近熱壁面上中下三層大豆含水量與初始含水量均存在顯著性差異(P<0.05)，近熱壁面下層糧食水分下降速度大于中層糧食水分下降速度大于上層糧食水分下降速度，因?yàn)榧Z堆內(nèi)部存在微氣流，近熱壁面的熱空氣上升的同時(shí)帶動(dòng)下層水分遷移，所以下層水分下降幅度大于中上層，24 d后近熱壁面上中下三層含水量分別降至11.14%、10.93%、9.73%。由圖5所示，中間面上層、中層大豆糧食含水量在11.5%～12.5%之間上下波動(dòng)，下層含水量逐漸下降，24 d后下層含水量與初始含水量存在顯著性差異(P<0.05)，水分降至10.92%。中間面的糧食受到冷熱空氣的影響小，微氣流對(duì)中間面上中層糧食影響小，但隨著時(shí)間的推移，微氣流運(yùn)動(dòng)致使中間面下層糧食水分遷移，使得下層糧食水分下降。

圖4 近熱壁面水分變化

圖5 中間面水分變化

實(shí)驗(yàn)期間觀察發(fā)現(xiàn)近冷壁面上層大豆發(fā)生結(jié)露，由圖6所示，24 d后近冷壁面上層大豆含水量與初始含水量存在顯著差異(P<0.05)，上層大豆在9 d后水分上升至20%以上，結(jié)露期間含水量持續(xù)升高，近冷壁面上層的大豆在結(jié)露中后期(9～24 d)開始發(fā)霉，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，大豆霉變逐漸嚴(yán)重。近冷壁面中層含水量稍有升高，這是因?yàn)殡S著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，微氣流帶動(dòng)近冷壁面上層水分逐漸向下遷移，導(dǎo)致中層含水量升高。近冷壁面下層含水量在不同時(shí)間點(diǎn)之間不完全具有顯著性差異(P>0.05)，含水量變化不明顯。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觀察發(fā)現(xiàn)模擬倉只有近冷壁面上層大豆有液態(tài)水出現(xiàn)，其他部位沒有液態(tài)水出現(xiàn)，所以判定大豆在模擬倉近冷壁面上層結(jié)露。

圖6 近冷壁面水分變化

2.3 結(jié)露部位溫濕度變化

對(duì)大豆糧堆結(jié)露部位的溫濕度變化進(jìn)行分析，由圖7可知，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)露部位糧食的溫度明顯下降(P<0.05)，1 d后溫度趨于穩(wěn)定，平衡溫度在20.6 ℃左右；隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，結(jié)露部位糧食的相對(duì)濕度先降低，然后逐漸升高，存在一個(gè)相對(duì)濕度最小值點(diǎn)。這是因?yàn)榧Z食本身具有很強(qiáng)的吸濕能力，與環(huán)境間不斷進(jìn)行吸濕與解吸作用，并與環(huán)境濕度保持著動(dòng)態(tài)平衡[15,16]，當(dāng)糧食溫度降低時(shí)，糧粒孔隙間空氣的持濕能力逐漸下降，糧食的平衡相對(duì)濕度降低，所以當(dāng)大豆糧堆溫度降低時(shí)，相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)；但隨著糧堆儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，糧堆內(nèi)部形成溫差，在由溫差引起的微氣流作用下，糧堆高溫部位的高濕空氣向低溫部位不斷補(bǔ)充，糧堆低溫部位的相對(duì)濕度降至最低點(diǎn)后轉(zhuǎn)而升高，低溫部位空氣中的水蒸氣逐漸達(dá)到飽和，過飽和部分的水蒸氣發(fā)生凝結(jié)，糧堆開始結(jié)露。

圖7 結(jié)露部位溫濕度變化

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，12%含水量的大豆，在15 ℃的溫差下(冷壁15 ℃、熱壁30 ℃)儲(chǔ)藏24 d，糧堆在模擬倉近冷壁面上層發(fā)生結(jié)露；糧堆近熱壁面上中下層含水量不斷下降；中間部位上中層含水量在11.5%～12.5%之間上下波動(dòng)，變化不明顯，下層含水量下降；近冷壁面中層水分稍有升高，下層水分變化不明顯，上層大豆含水量在9 d后升至20%以上。

大豆儲(chǔ)藏過程中，結(jié)露部位的糧食溫度下降，最后趨于穩(wěn)定，平衡溫度在20.6 ℃左右，相對(duì)濕度先降低后升高，并存在一個(gè)相對(duì)濕度最小值點(diǎn)。模擬倉糧堆內(nèi)部高溫區(qū)和低溫區(qū)擴(kuò)大，由溫差影響使糧堆內(nèi)部形成微氣流，微氣流從糧堆高溫部位向糧堆低溫部位移動(dòng)，同時(shí)微氣流運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)水分遷移，導(dǎo)致模擬倉近熱壁面水分下降，近冷壁面上層水分升高，高濕區(qū)不斷擴(kuò)大，糧堆在近冷壁面上層出現(xiàn)由結(jié)露逐步發(fā)展為發(fā)霉。

由大豆結(jié)露實(shí)驗(yàn)可知，溫差是引起糧堆結(jié)露的主要原因，糧食結(jié)露使得糧堆局部水分增高，引發(fā)糧堆霉變、發(fā)芽、腐爛。實(shí)際儲(chǔ)藏過程中，如果不能及時(shí)處理結(jié)露部位的糧食，會(huì)使結(jié)露位置由局部擴(kuò)展到整個(gè)層面甚至引起全倉糧食的霉變腐爛，最終導(dǎo)致糧食品質(zhì)下降，失去利用價(jià)值。因此，在實(shí)際儲(chǔ)藏過程中，要適時(shí)對(duì)糧堆進(jìn)行通風(fēng)處理消除糧堆內(nèi)外溫差，防止糧食結(jié)露現(xiàn)象的發(fā)生。