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）

熱管低溫儲糧技術(shù)對小麥品質(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）

為研究熱管低溫儲糧技術(shù)在儲糧方面的實際應(yīng)用效果，設(shè)計建造了基于熱管原理的低溫儲糧倉，研究了儲藏過程中糧食溫度、水分減量、電導(dǎo)率值、過氧化氫酶活動度、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）的試驗周期內(nèi)，試驗倉糧食降溫速度和低溫時間明顯高于對照倉，在小麥品質(zhì)方面：試驗倉水分、過氧化氫酶活動度分別下降了0.12%、14 mgH2O2／g，比對照倉低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，比對照倉低42.48%、45.16%，證明該低溫儲糧技術(shù)蓄冷效果明顯，同時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，為該儲糧技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用和推廣提供理論參考。

低溫儲糧 溫度 品質(zhì) 陳化

目前，我國每年糧食儲藏期間的糧食品質(zhì)劣變，已造成了巨大的糧食浪費，給國家造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。低溫儲糧能殺蟲抑菌、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)和營養(yǎng)品質(zhì)，延緩糧食劣變速率［2-4］。現(xiàn)在國內(nèi)外主要是利用機(jī)械降溫和自然降溫實現(xiàn)低溫儲糧。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，易實施的低溫儲糧新方法是目前所面臨的關(guān)鍵問題。

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)計開發(fā)了無能耗、無污染、無值守的自動循環(huán)熱管模組自然冷源儲糧倉［6-7］。修方瓏等［8］研究發(fā)現(xiàn)：新型熱管儲糧試驗倉蓄冷量為50.95 MJ，降溫速度達(dá)到了0.28℃／d，分別較對照倉高出31.62%和47.37%，并且試驗倉降溫均勻，沒有結(jié)露、霉變現(xiàn)象。我國北方地區(qū)自然冷源豐富［9］，基于熱管原理利用自然冷源低溫儲糧技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的市場價值。本試驗將進(jìn)一步對該儲糧技術(shù)在糧食儲藏品質(zhì)方面的影響進(jìn)行研究，以期為該低溫儲糧技術(shù)的實際應(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提供。

糧倉：根據(jù)糧食平房倉設(shè)計規(guī)范［10］，建造3間規(guī)格完全相同的小型倉房（長×寬×高為2.0 m×2.4 m×2.16 m），編號為1、2、3，3號倉為試驗倉，1號倉為對照倉（對照倉熱管模組不充工質(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），為了減緩糧倉冷量的散失，在糧倉的內(nèi)壁和糧堆的上面分別安裝和鋪蓋聚丙乙烯保溫板。糧倉主要由倉體、熱管模組、和糧溫檢測系統(tǒng)組成，熱管模組由直徑為25 mm的無縫鋼管構(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)計和其他參數(shù)可見本團(tuán)隊的發(fā)明專利 201010500067.3）。糧倉修建于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)內(nèi)。

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

1.2 試驗原理

試驗倉工作原理：冬季糧倉中的糧食為“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，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 試驗設(shè)施

圖2 試驗倉結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)試驗溫度要求，工質(zhì)采用的是氟利昂R22，在此試驗條件下工質(zhì)的沸點在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 試驗方法

1.3.1 糧溫測量

兩個糧倉內(nèi)分別設(shè)置7個測溫點，位置如圖2所示，利用熱電偶、labview軟件測量和記錄糧溫。糧溫從2013年12月1日開始記錄，各測溫點每10秒記錄1次，精確到0.01℃。

1.3.2 小麥儲藏品質(zhì)測定

1.3.2.1 扦樣

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

1.3.2.2 試驗方法

水分參照GB／T 5497—1985糧食、油料檢驗水分測定方法

電導(dǎo)率值測定（浸出液電導(dǎo)率測定法）：取 50 mL蒸餾水于三角瓶中，用電導(dǎo)率儀測量其電導(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、油料脂肪酸值測定。

過氧化氫酶活動度 參照GB／T 5522—2008糧食、油料的過氧化氫酶活動度的測定。

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日試驗倉、對照倉的平均溫度曲線圖，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），是熱管工作的主要時期，試驗倉降溫期間的降溫速率達(dá)到0.33℃／d，比對照倉快了48.48%；試驗倉平均糧溫1.2℃，對照倉為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，糧倉主要是利用冬季蓄冷量延緩糧溫的升高，進(jìn)而延長了試驗倉的低溫時間。此外，在整個試驗期間，試驗倉降溫均勻，沒有結(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4日（96 h）的試驗倉內(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，糧倉內(nèi)熱管蒸發(fā)段開始啟動，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。可以推出：在本試驗條件下，該熱管的啟動溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?℃。此時糧倉的平均糧溫為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，和熱管良好的均溫性等特點。

圖4 試驗倉溫度曲線

2.2 水分變化

在安全水分內(nèi)（≤12.5%），糧食儲藏期的水分減量，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，儲藏1年后對照倉的水分含量下降了0.23%，而試驗倉的水分含量只下降了0.12%，兩者相差0.11%。糧食在儲藏期間水分變化貫穿于儲藏的全過程，與糧食內(nèi)部的生理變化與物理變化有關(guān)，當(dāng)儲糧溫度相對較低時，濕熱交換相對較少，水分損耗相對也較少，同時，低溫可以抑制糧食的生命活動，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，影響因素包括儲藏溫度、水分活度、霉菌繁殖等［18-20］。從圖6中可知對照倉脂肪酸值上升了7.65mgKOH ／100 g，試驗倉上升了 4.4 mgKOH ／100 g，后者比前者低42.48%。相對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 過氧化氫酶的活動度變化

過氧化氫酶（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，它是評價小麥籽粒新鮮程度的重要指標(biāo)，隨著儲藏時間的延長，小麥種子內(nèi)的膠體陳化，過氧化氫酶失活。從圖7中可知，試驗倉和對照倉過氧化氫酶的活性都是成下降趨勢的，小麥試驗倉下降了14 mgH2O2／g，對照倉下降了 23 mgH2O2／g，兩者相差 9 mgH2O2／g。儲藏環(huán)境是影響過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CAT有一定的影響。相對低溫可以抑制蟲害、霉變的發(fā)生、抑制脂肪酸值的升高，進(jìn)而減緩了過氧化氫酶的失活，維持了籽粒活性［21-23］。

圖7 小麥過氧化氫酶活動度變化曲線

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，試驗倉和對照倉的電導(dǎo)率值都是隨著儲藏時間的延長而增加，經(jīng)過1年的儲藏，試驗倉增加了5.1μS／cm，而對照倉增加了 9.3μS／cm，試驗倉比對照倉低了45.16%，證明試驗倉小麥籽粒的細(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）試驗倉降溫期間的降溫速率達(dá)到0.33℃／d，比對照倉快了48.48%；試驗倉平均糧溫1.2℃，對照倉為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，試驗倉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試驗倉溫度明顯低于對照倉。此外，在試驗過程中，糧食降溫均勻，沒有霉變結(jié)露現(xiàn)象。

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

基于熱管原理利用自然冷源低溫儲糧技術(shù)，綠色無能耗，成本低，易實施，降溫效果明顯；同時低溫儲藏抑制了糧食的劣變陳化，延長了糧食的儲藏周期，減少了國家糧食資源的浪費，具有一定的現(xiàn)實意義和潛在的市場價值。但是，目前該技術(shù)在實際應(yīng)用中還不是很完善，接下來需要在增大糧倉蓄冷以及熱管蒸發(fā)段和冷凝段結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面加大研究，以延長低溫儲藏時間，以實現(xiàn)糧倉的周年低溫或準(zhǔn)低溫儲藏。

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TQ432.2

A

1003-0174（2015）01-0107-05

國家自然科學(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