熱管低溫儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)小麥品質(zhì)的影響

李新宇 熊旭波 張 巖 王世清 姜文利 修方瓏

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，青島 266109）

（青島澳維康生物科技工程有限公司2，青島 266071）

（青島市糧食局3，青島 266112）

熱管低溫儲(chǔ)糧技術(shù)對(duì)小麥品質(zhì)的影響

李新宇1熊旭波2張 巖1王世清1姜文利1修方瓏3

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，青島 266109）

（青島澳維康生物科技工程有限公司2，青島 266071）

（青島市糧食局3，青島 266112）

為研究熱管低溫儲(chǔ)糧技術(shù)在儲(chǔ)糧方面的實(shí)際應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)建造了基于熱管原理的低溫儲(chǔ)糧倉(cāng)，研究了儲(chǔ)藏過(guò)程中糧食溫度、水分減量、電導(dǎo)率值、過(guò)氧化氫酶活動(dòng)度、脂肪酸值的變化情況；結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在一年（2012年9月到2013年9月）的試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)倉(cāng)糧食降溫速度和低溫時(shí)間明顯高于對(duì)照倉(cāng)，在小麥品質(zhì)方面：試驗(yàn)倉(cāng)水分、過(guò)氧化氫酶活動(dòng)度分別下降了0.12%、14 mgH2O2／g，比對(duì)照倉(cāng)低0.11%、39.13%；脂肪酸值和電導(dǎo)率值分別增加7.65 mgKOH／100 g、5.1μS／cm，比對(duì)照倉(cāng)低42.48%、45.16%，證明該低溫儲(chǔ)糧技術(shù)蓄冷效果明顯，同時(shí)具有降低糧食水分減量、抑制脂肪酸值升高、保持籽?；钚?，防止糧食劣變陳化的效果，為該儲(chǔ)糧技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和推廣提供理論參考。

低溫儲(chǔ)糧 溫度 品質(zhì) 陳化

目前，我國(guó)每年糧食儲(chǔ)藏期間的糧食品質(zhì)劣變，已造成了巨大的糧食浪費(fèi)，給國(guó)家造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。低溫儲(chǔ)糧能殺蟲抑菌、減少化學(xué)藥劑的用量；抑制糧食呼吸，減少干物質(zhì)損失和水分損耗；保證糧食的食用品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，延緩糧食劣變速率［2-4］?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外主要是利用機(jī)械降溫和自然降溫實(shí)現(xiàn)低溫儲(chǔ)糧。機(jī)械降溫系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、能耗大，很難大規(guī)模推廣，而自然降溫受地理環(huán)境等因素的影響，降溫效果不理想［5］，尋找一種低成本、能耗小，易實(shí)施的低溫儲(chǔ)糧新方法是目前所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院利用低溫分離式重力熱管單向?qū)岬墓ぷ髟?，設(shè)計(jì)開發(fā)了無(wú)能耗、無(wú)污染、無(wú)值守的自動(dòng)循環(huán)熱管模組自然冷源儲(chǔ)糧倉(cāng)［6-7］。修方瓏等［8］研究發(fā)現(xiàn)：新型熱管儲(chǔ)糧試驗(yàn)倉(cāng)蓄冷量為50.95 MJ，降溫速度達(dá)到了0.28℃／d，分別較對(duì)照倉(cāng)高出31.62%和47.37%，并且試驗(yàn)倉(cāng)降溫均勻，沒(méi)有結(jié)露、霉變現(xiàn)象。我國(guó)北方地區(qū)自然冷源豐富［9］，基于熱管原理利用自然冷源低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的市場(chǎng)價(jià)值。本試驗(yàn)將進(jìn)一步對(duì)該儲(chǔ)糧技術(shù)在糧食儲(chǔ)藏品質(zhì)方面的影響進(jìn)行研究，以期為該低溫儲(chǔ)糧技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)施

材料：2012年收獲的小麥（濟(jì)麥22），除雜晾干，含水量在安全貯藏水分范圍（≤12.5%）以內(nèi)，小麥由青島市第二糧庫(kù)提供。

糧倉(cāng)：根據(jù)糧食平房倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范［10］，建造3間規(guī)格完全相同的小型倉(cāng)房（長(zhǎng)×寬×高為2.0 m×2.4 m×2.16 m），編號(hào)為1、2、3，3號(hào)倉(cāng)為試驗(yàn)倉(cāng)，1號(hào)倉(cāng)為對(duì)照倉(cāng)（對(duì)照倉(cāng)熱管模組不充工質(zhì)，其他條件相同），如圖1所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼夾芯板（外層為輕鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為聚乙烯泡沫復(fù)合板），為了減緩糧倉(cāng)冷量的散失，在糧倉(cāng)的內(nèi)壁和糧堆的上面分別安裝和鋪蓋聚丙乙烯保溫板。糧倉(cāng)主要由倉(cāng)體、熱管模組、和糧溫檢測(cè)系統(tǒng)組成，熱管模組由直徑為25 mm的無(wú)縫鋼管構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)由蒸發(fā)端、冷凝端、工質(zhì)灌注口組成，如圖2所示（熱管組的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其他參數(shù)可見本團(tuán)隊(duì)的發(fā)明專利 201010500067.3）。糧倉(cāng)修建于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)內(nèi)。

糧溫測(cè)量系統(tǒng)：Labview軟件和熱電偶（美國(guó)NI儀器有限公司）進(jìn)行糧溫?cái)?shù)據(jù)采集、記錄。

1.2 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)倉(cāng)工作原理：冬季糧倉(cāng)中的糧食為“冷皮熱心”，熱量不易導(dǎo)出［11-12］，熱管具有良好的導(dǎo)熱性［13］當(dāng)糧溫和室外溫差達(dá)到熱管的工作溫差時(shí)，熱管中的液態(tài)工質(zhì)在糧堆中的蒸發(fā)端吸熱汽化，氣體通過(guò)氣體上行管，上升到暴露在空氣中的冷凝端，凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)，釋放潛熱，液態(tài)工質(zhì)在重力和壓差共同作用下，通過(guò)液體下行管又回流到蒸發(fā)端，不斷往復(fù)循環(huán)以達(dá)到給糧堆降溫效果，如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)施

圖2 試驗(yàn)倉(cāng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)試驗(yàn)溫度要求，工質(zhì)采用的是氟利昂R22，在此試驗(yàn)條件下工質(zhì)的沸點(diǎn)在5℃左右，理論中當(dāng)室外溫度低于5℃左右，糧溫和環(huán)境溫度存在正向溫差，熱管開始給糧食降溫蓄冷。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 糧溫測(cè)量

兩個(gè)糧倉(cāng)內(nèi)分別設(shè)置7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，位置如圖2所示，利用熱電偶、labview軟件測(cè)量和記錄糧溫。糧溫從2013年12月1日開始記錄，各測(cè)溫點(diǎn)每10秒記錄1次，精確到0.01℃。

1.3.2 小麥儲(chǔ)藏品質(zhì)測(cè)定

1.3.2.1 扦樣

參照GB／5491—1985糧食、油料檢驗(yàn)抽樣、分樣法，把糧倉(cāng)分為上下2層，各層5個(gè)扦樣點(diǎn)：中央1個(gè)，四周距倉(cāng)壁20 cm處4個(gè)，將取得樣品混勻后測(cè)量。為減少新收獲小麥后熟對(duì)小麥品質(zhì)的影響［14］，從2012年9月份開始扦樣測(cè)量，以后每3個(gè)月扦樣測(cè)量1次。

1.3.2.2 試驗(yàn)方法

水分參照GB／T 5497—1985糧食、油料檢驗(yàn)水分測(cè)定方法

電導(dǎo)率值測(cè)定（浸出液電導(dǎo)率測(cè)定法）：取 50 mL蒸餾水于三角瓶中，用電導(dǎo)率儀測(cè)量其電導(dǎo)率A。取25粒小麥樣品，平行樣稱重質(zhì)量差≤0.01 g。將試樣用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干小麥表面水，放入盛有50 mL蒸餾水的三角瓶中。在25℃條件下浸泡12 h后，測(cè)定浸出液的電導(dǎo)率B，則小麥浸出液的電導(dǎo)率為 R＝B-A［15］。

脂肪酸值 參照GB／T 5510—2011糧食、油料脂肪酸值測(cè)定。

過(guò)氧化氫酶活動(dòng)度 參照GB／T 5522—2008糧食、油料的過(guò)氧化氫酶活動(dòng)度的測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度分析

圖3是2012年12月1日到2013年5月1日試驗(yàn)倉(cāng)、對(duì)照倉(cāng)的平均溫度曲線圖，從圖3中可以看出，前80 d，室外平均溫度低于5℃（工質(zhì)沸點(diǎn)），是熱管工作的主要時(shí)期，試驗(yàn)倉(cāng)降溫期間的降溫速率達(dá)到0.33℃／d，比對(duì)照倉(cāng)快了48.48%；試驗(yàn)倉(cāng)平均糧溫1.2℃，對(duì)照倉(cāng)為4.5℃，兩者相差3.3℃，顯現(xiàn)出熱管明顯的蓄冷效果；80～150 d，由于室外溫度上升，熱管基本停止工作，糧倉(cāng)主要是利用冬季蓄冷量延緩糧溫的升高，進(jìn)而延長(zhǎng)了試驗(yàn)倉(cāng)的低溫時(shí)間。此外，在整個(gè)試驗(yàn)期間，試驗(yàn)倉(cāng)降溫均勻，沒(méi)有結(jié)露霉變現(xiàn)象。

圖3 小麥溫度變化曲線

圖4為2012年12月4日到7號(hào)4日（96 h）的試驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)溫度變化情況。從圖4中可以看出，當(dāng)室外溫度低于3℃時(shí)，糧倉(cāng)內(nèi)熱管蒸發(fā)段開始啟動(dòng)，蒸發(fā)段熱管溫度隨著室外溫度的下降而下降，但熱管蒸發(fā)段溫度變化滯后于室溫變化?？梢酝瞥觯涸诒驹囼?yàn)條件下，該熱管的啟動(dòng)溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?℃。此時(shí)糧倉(cāng)的平均糧溫為5℃左右，室溫低于3℃熱管開始工作，推出：該熱管的工作溫差為2℃左右。符合氟利昂r22潛熱小，熱管易啟動(dòng)，和熱管良好的均溫性等特點(diǎn)。

圖4 試驗(yàn)倉(cāng)溫度曲線

2.2 水分變化

在安全水分內(nèi)（≤12.5%），糧食儲(chǔ)藏期的水分減量，即降低了經(jīng)濟(jì)效益，又影響了糧食的加工品質(zhì)［16］。從圖5可以看出，儲(chǔ)藏1年后對(duì)照倉(cāng)的水分含量下降了0.23%，而試驗(yàn)倉(cāng)的水分含量只下降了0.12%，兩者相差0.11%。糧食在儲(chǔ)藏期間水分變化貫穿于儲(chǔ)藏的全過(guò)程，與糧食內(nèi)部的生理變化與物理變化有關(guān)，當(dāng)儲(chǔ)糧溫度相對(duì)較低時(shí)，濕熱交換相對(duì)較少，水分損耗相對(duì)也較少，同時(shí)，低溫可以抑制糧食的生命活動(dòng)，減少水分的損耗［17］。

圖5 小麥水分含量變化曲線

2.3 脂肪酸值變化

谷物儲(chǔ)藏期間酸敗是不可避免的，包括氧化酸敗和水解酸敗，影響因素包括儲(chǔ)藏溫度、水分活度、霉菌繁殖等［18-20］。從圖6中可知對(duì)照倉(cāng)脂肪酸值上升了7.65mgKOH ／100 g，試驗(yàn)倉(cāng)上升了 4.4 mgKOH ／100 g，后者比前者低42.48%。相對(duì)的低溫可以減緩油脂的擴(kuò)散速度，抑制脂肪酸酶的活性，減少霉菌的繁殖，進(jìn)而減緩了脂肪酸值的上升速度。

圖6 小麥脂肪酸值變化曲線

2.4 過(guò)氧化氫酶的活動(dòng)度變化

過(guò)氧化氫酶（CAT）具有提高植物的抗逆水平、增強(qiáng)植物防御能力和延緩衰老的能力，它是評(píng)價(jià)小麥籽粒新鮮程度的重要指標(biāo)，隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)，小麥種子內(nèi)的膠體陳化，過(guò)氧化氫酶失活。從圖7中可知，試驗(yàn)倉(cāng)和對(duì)照倉(cāng)過(guò)氧化氫酶的活性都是成下降趨勢(shì)的，小麥試驗(yàn)倉(cāng)下降了14 mgH2O2／g，對(duì)照倉(cāng)下降了 23 mgH2O2／g，兩者相差 9 mgH2O2／g。儲(chǔ)藏環(huán)境是影響過(guò)氧化氫酶活性下降的因素之一，其中的環(huán)境因素也是多方面的，蟲害、霉變、溫度、脂肪酸值等都對(duì)CAT有一定的影響。相對(duì)低溫可以抑制蟲害、霉變的發(fā)生、抑制脂肪酸值的升高，進(jìn)而減緩了過(guò)氧化氫酶的失活，維持了籽?；钚裕?1-23］。

圖7 小麥過(guò)氧化氫酶活動(dòng)度變化曲線

2.5 電導(dǎo)率值變化

小麥浸出液電導(dǎo)率值反映的是籽粒細(xì)胞質(zhì)滲透情況，可定量描述籽粒的活力，浸出液的電導(dǎo)率數(shù)值越大，種子活性越低［23-24］。從圖8中可知，試驗(yàn)倉(cāng)和對(duì)照倉(cāng)的電導(dǎo)率值都是隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，經(jīng)過(guò)1年的儲(chǔ)藏，試驗(yàn)倉(cāng)增加了5.1μS／cm，而對(duì)照倉(cāng)增加了 9.3μS／cm，試驗(yàn)倉(cāng)比對(duì)照倉(cāng)低了45.16%，證明試驗(yàn)倉(cāng)小麥籽粒的細(xì)胞膜較完整，籽?；钚愿?。

圖8 小麥電導(dǎo)率值變化曲線

3 結(jié)論

3.1 熱管工作期間（2012年12月到2013年3月）試驗(yàn)倉(cāng)降溫期間的降溫速率達(dá)到0.33℃／d，比對(duì)照倉(cāng)快了48.48%；試驗(yàn)倉(cāng)平均糧溫1.2℃，對(duì)照倉(cāng)為4.5℃，兩者相差3.3℃，顯現(xiàn)出熱管明顯的蓄冷效果，熱管停止工作期間，試驗(yàn)倉(cāng)利用冬季蓄冷量延緩糧溫升高。由于熱管的良好的蓄冷效果，有150 d試驗(yàn)倉(cāng)溫度明顯低于對(duì)照倉(cāng)。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，糧食降溫均勻，沒(méi)有霉變結(jié)露現(xiàn)象。

3.2 在小麥儲(chǔ)藏品質(zhì)方面，基于熱管原理的低溫儲(chǔ)量技術(shù)可降低糧食水分減量，抑制脂肪酸值升高，維持籽?；钚?，進(jìn)而可以提高糧食儲(chǔ)藏年限，減少糧食資源浪費(fèi)。

基于熱管原理利用自然冷源低溫儲(chǔ)糧技術(shù)，綠色無(wú)能耗，成本低，易實(shí)施，降溫效果明顯；同時(shí)低溫儲(chǔ)藏抑制了糧食的劣變陳化，延長(zhǎng)了糧食的儲(chǔ)藏周期，減少了國(guó)家糧食資源的浪費(fèi)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和潛在的市場(chǎng)價(jià)值。但是，目前該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還不是很完善，接下來(lái)需要在增大糧倉(cāng)蓄冷以及熱管蒸發(fā)段和冷凝段結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面加大研究，以延長(zhǎng)低溫儲(chǔ)藏時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)的周年低溫或準(zhǔn)低溫儲(chǔ)藏。

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TQ432.2

A

1003-0174（2015）01-0107-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（31271963），山東省自然科學(xué)基金（2009ZRB01581）

2013-10-20

李新宇，男，1989年出生，碩士，食品工程

王世清，男，1961年出生，教授，食品安全保藏