靳曉燕 孫士明 趙麗平 于曉波 龐愛國(guó)

摘 要：測(cè)試糧食水分含量對(duì)糧食水分研究至關(guān)重要。介紹了國(guó)內(nèi)外糧食水分檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及主要代表產(chǎn)品，系統(tǒng)分析了國(guó)內(nèi)外主要糧食水分檢測(cè)技術(shù)原理、測(cè)量特性。旨在為從事糧食水分研究和糧食收獲、收購(gòu)、烘干、儲(chǔ)藏、加工等各環(huán)節(jié)工作人員提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：糧食水分；檢測(cè)技術(shù)；發(fā)展概況

中圖分類號(hào)：TS2107 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.002

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD070030103），現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)（（CARS-02-27）

作者簡(jiǎn)介：靳曉燕 （1968-），女，高級(jí)工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械研究工作，E-mail：jinxiaoyanok@126.com。

1 糧食水分檢測(cè)的重要意義

糧食中的水分按物理性質(zhì)分為游離水（自由水）和結(jié)合水（結(jié)晶水）[1]。游離水與結(jié)合水有著很大的區(qū)別，游離水指的是凝聚在糧食顆粒內(nèi)部的毛細(xì)管內(nèi)和分子間隙中的水分，是物理作用吸附形成的。糧食水分就是指游離水的含量，糧食水分檢測(cè)就是檢測(cè)糧食的游離水。糧食水分含量達(dá)到14%以上時(shí)，游離水開始出現(xiàn)，糧食變的不穩(wěn)定，易引起糧堆發(fā)熱、糧食霉變，滋生細(xì)菌和害蟲，對(duì)糧食的品質(zhì)有著極大的影響。結(jié)合水是吸附在糧食細(xì)胞內(nèi)或糧食分子結(jié)構(gòu)中的分子，是通過化學(xué)作用形成的，和通常說(shuō)的糧食水分含量檢測(cè)無(wú)關(guān)。糧食水分含量高低，對(duì)糧食收獲質(zhì)量有較大影響。玉米含水率在25%以下時(shí)，進(jìn)行籽粒收獲破碎率較低[2]。糧食在收購(gòu)過程中，評(píng)價(jià)糧食品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)是糧食的含水量，劃分糧食等級(jí)和對(duì)糧食進(jìn)行定價(jià)的主要依據(jù)也是糧食的含水量。為了保證糧食安全儲(chǔ)藏，需要對(duì)糧食進(jìn)行烘干。水分測(cè)量是糧食烘干過程中一個(gè)重要的工藝參數(shù)，只有測(cè)定出糧食的含水量，才能確定糧食烘干的時(shí)間和糧食烘干強(qiáng)度。糧食水分含量高低，對(duì)糧食加工質(zhì)量有較大影響，嚴(yán)重影響糧食破碎率指標(biāo)。因此，研制生產(chǎn)出方便、快捷、耐用、穩(wěn)定、精準(zhǔn)、適合于不同條件的糧食水分測(cè)定儀，精確檢測(cè)糧食水分含量對(duì)從事糧食水分研究和糧食收獲、收購(gòu)、烘干、儲(chǔ)藏、加工等各環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

2 糧食水分檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

測(cè)定糧食含水量的方法很多，各不相同。根據(jù)測(cè)量原理的不同，糧食水分測(cè)試方法有20多種，主要是烘箱干燥法、氯素?zé)舾稍锓?、紅外加熱干燥法、微波加熱干燥法、105 ℃恒重法、定溫定時(shí)烘干法、雙烘法、隧道式烘箱法、快速失重法、減壓干燥法，高周波法、介電損失角法、復(fù)阻抗分離電容法、高頻阻抗法、摩擦阻抗法、聲學(xué)法、核磁共振法、射線法、中子式水分測(cè)定儀、微波吸收法、直流電阻法、電容法、甲苯蒸餾法、壓力法、卡爾·費(fèi)休法等。

不同的糧食含水量測(cè)定方法，因原理、結(jié)構(gòu)、價(jià)格等的不同，應(yīng)用到不同的場(chǎng)合?？梢愿鶕?jù)使用情況、結(jié)果要求程度、測(cè)定所需時(shí)間、分析時(shí)所需成本等來(lái)選擇測(cè)定方法。如需要較精確地測(cè)定水分，在化驗(yàn)室用國(guó)標(biāo)方法進(jìn)行測(cè)定，糧食水分測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)方法主要是烘干法，是我國(guó)及國(guó)外糧食質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)定水分含量的標(biāo)準(zhǔn)方法，也是多年來(lái)我國(guó)主要使用的糧食水分含量測(cè)定方法。電測(cè)法，近年來(lái)各地研制了不少型號(hào)的電阻式、電容式水分測(cè)定儀，分別在各個(gè)地區(qū)糧食收購(gòu)中應(yīng)用，能夠較準(zhǔn)確地測(cè)定各種糧食的水分含量，以及應(yīng)用于不同地區(qū)、不同品種糧食等測(cè)定，但還有許多問題需要解決。微波法作為水分非破壞測(cè)定方法，已經(jīng)被應(yīng)用于糧食檢測(cè)分析中，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家，都已經(jīng)研制先進(jìn)的微波測(cè)定水分方法，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定、精確。

3 國(guó)內(nèi)外主要糧食水分測(cè)定儀原理及代表產(chǎn)品

雖然測(cè)定糧食水分方法較多，比較常用的主要有以下幾種糧食水分儀。

3.1 干燥法

干燥法是糧食水分分析方法中的物理分析法，干燥法水分測(cè)定儀主要采用了干燥減重法原理，通過加熱裝置快速加熱糧食的樣品，使樣品的水分在最短時(shí)間之內(nèi)完全蒸發(fā)，這樣就能快速檢測(cè)出糧食的含水率。糧食水分干燥檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：檢測(cè)樣品需要的時(shí)間短，操作簡(jiǎn)單，而且也避免了人為因素對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的誤差。目前，國(guó)內(nèi)外比較常用的干燥法原理的糧食水分測(cè)定儀有：鹵素水分測(cè)定儀和紅外水分測(cè)定儀。

3.1.1 鹵素水分測(cè)定儀

鹵素水份測(cè)定儀是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型糧食水分檢測(cè)儀器。鹵素水分測(cè)定儀采用的是鹵素加熱方式，用鹵素加熱燈做為加熱的熱源。與機(jī)械式產(chǎn)品相比，它的優(yōu)點(diǎn)：一是快速檢測(cè)樣品的水分含量，幾分鐘就能完成樣品測(cè)定，大大提高工作效率。二是鹵素加熱燈含有惰性氣體，使用壽命比較長(zhǎng)，熱量值比較大，能快速均勻地干燥樣品。三是鹵素加熱燈為特質(zhì)環(huán)形設(shè)計(jì)，測(cè)試樣品加熱的時(shí)候，樣品均勻受熱，樣品測(cè)試之后無(wú)任何變化，有更好的穩(wěn)定性。四是采用快速靈敏特性的稱重傳感器，使得非常少的樣品在高精度的電子天平傳感器下，都能得到非常精確的含水率測(cè)定，獲得準(zhǔn)確的水分測(cè)定結(jié)果。

代表產(chǎn)品有：深圳冠亞水分儀公司生產(chǎn)的SFY-77LS，上海生產(chǎn)的MS-200，江蘇生產(chǎn)的XY-1000， 浙江生產(chǎn)的WN100MW，上海佳實(shí)科技有限公司生產(chǎn)的DH-190，瑞士普利賽斯公司XM60系列鹵素水分儀、日本AND公司生產(chǎn)的MF-50系列水分測(cè)定儀，美國(guó)奧豪斯公司生產(chǎn)的MB45系列鹵素水分儀，瑞士梅特勒集團(tuán)生產(chǎn)的HS系列水分測(cè)定儀。

3.1.2 紅外水分測(cè)定儀

紅外水分測(cè)定儀是一種新型快速水分檢測(cè)儀器，采用紅外線的加熱方式，加熱源為紅外線加熱燈?？梢愿鶕?jù)樣品特性設(shè)定最適當(dāng)?shù)募訜?、干燥條件，采用不同的方法對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。紅外水分測(cè)定儀工作原理是由紅外加熱裝置和水分蒸發(fā)裝置完成樣品快速干燥，并進(jìn)行實(shí)時(shí)樣品重量測(cè)量，根據(jù)干燥前后的質(zhì)量差，計(jì)算出樣品的水分含量。紅外水分測(cè)定儀優(yōu)點(diǎn)是：在干燥過程中，能持續(xù)測(cè)量樣品水分含量，能夠?qū)崟r(shí)顯示樣品水分含量的丟失，特別適用于在線監(jiān)測(cè)。紅外水分測(cè)定儀缺點(diǎn)是：球面體的紅外線加熱裝置會(huì)形成一個(gè)聚光點(diǎn)，檢測(cè)后在樣品的中間位置造成顏色上的輕微變化，對(duì)測(cè)試結(jié)果沒有影響。

代表產(chǎn)品有：美國(guó)丹佛公司1R-120專業(yè)水分測(cè)定儀，紅外金屬板加石英反射板。德國(guó)賽格利斯生產(chǎn)的MA37系列紅外水分測(cè)定儀、日本KettFD-800紅外水分測(cè)定儀、德國(guó)Saitorius公司生產(chǎn)的紅外水分測(cè)定儀、日本島津生產(chǎn)MOC-120H紅外水分測(cè)定儀。

3.2 電測(cè)法

電測(cè)法是比較傳統(tǒng)的水分測(cè)定方法，根據(jù)測(cè)量原理不同，分為電容式水分測(cè)定儀和電阻式水分測(cè)定儀。

3.2.1 電容式水分儀

電容式糧食水分測(cè)定儀屬于非接觸檢測(cè)，其基本結(jié)構(gòu)是采用同軸圓筒型電容傳感器，當(dāng)糧食樣品均勻加入到電容傳感器兩極板間的介質(zhì)空腔后，電容傳感器介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)隨著糧食水分不同發(fā)生改變，隨著相對(duì)介電常數(shù)的變化，電容傳感器的電容量會(huì)隨著發(fā)生改變，即引起了電容值變化，當(dāng)糧食以一定的速度通過電容傳感器時(shí)，可以通過測(cè)量圓筒內(nèi)外壁之間電容的變化量，間接測(cè)出糧食的含水量[3]。

電容式糧食水分測(cè)定儀的優(yōu)點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維護(hù)，成本低，簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)，可靠性高，應(yīng)用較廣。二是可檢測(cè)高含水量，適應(yīng)性強(qiáng)。三是容易完成連續(xù)快速測(cè)量，特別適合用于難度大的在線檢測(cè)。電容式糧食水分測(cè)定儀缺點(diǎn)是存在易受糧食產(chǎn)地、品種、溫度、儲(chǔ)存期等較多因素影響，數(shù)據(jù)比較復(fù)雜。

代表產(chǎn)品有：江蘇的LDS-1G電容式水分測(cè)定儀、日本Kett公司的PM8188系列水分儀，美國(guó)帝強(qiáng)GAC型高精度谷物水分儀、荷蘭Farmcomp公司生產(chǎn) wile651糧食水分儀。

3.2.2 電阻式水分儀

電阻式糧食水分儀是應(yīng)用歐姆定律電阻法來(lái)測(cè)量糧食水分含量。被檢測(cè)糧食象一個(gè)電阻一樣，水分高時(shí)，電阻小，水分低時(shí)，電阻大，通過檢測(cè)糧食電阻大小就能檢測(cè)出糧食的水分值。這種方法能直接以非電量的電測(cè)方法檢測(cè)樣品水分含量，滿足了現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)速度和連續(xù)化的要求，是一種更加高效的水分測(cè)量方法，克服了傳統(tǒng)的直接水分測(cè)量法周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用的范圍比較廣泛。

電阻式糧食水分儀優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、品種多，易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速高效測(cè)量。缺點(diǎn)是易受檢測(cè)糧食樣品的品種、溫度、堅(jiān)實(shí)度等因素影響，測(cè)量精度不高，檢測(cè)結(jié)果偏差大，抗干擾能力弱，穩(wěn)定性差，需要通過對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，才能得到精確的糧食樣品水分檢測(cè)結(jié)果。

代表產(chǎn)品有：遼寧的CTR-500ES、日本Kett公司的PT-2703電阻式在線水分測(cè)定儀。

3.3 卡爾·費(fèi)休水分測(cè)定儀

卡爾·費(fèi)休法水分測(cè)定儀是化學(xué)水分儀中的代表產(chǎn)品，分為容量法和庫(kù)倫法兩大類，都需要用水分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定。卡爾·費(fèi)休法已被ISO、BS、DIN、JIS和ASTM等很多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)公認(rèn)為準(zhǔn)確性最高的方法。許多國(guó)家將其做為水分測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法。基本原理是：將甲醇和吡啶共同存放，水與碘和亞硫酸發(fā)生定量反應(yīng)，在進(jìn)行反應(yīng)的過程中，碘將二氧化硫氧化為三氧化硫，同時(shí)需要有相應(yīng)量的水才能完成反應(yīng)，根據(jù)碘和水的相應(yīng)關(guān)系，通過檢測(cè)碘的消耗量來(lái)?yè)Q算出糧食樣品水分的含量，是一種科學(xué)經(jīng)典的水分測(cè)定方法。卡爾·費(fèi)休法水分測(cè)定方法優(yōu)點(diǎn)是需要的糧食樣品量少，檢測(cè)精度很高，可校正其他測(cè)定方法，能夠用于微量水分的測(cè)量，應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)是安裝麻煩，電路復(fù)雜，試劑成本很昂貴，試劑有時(shí)存在測(cè)量誤差。

代表產(chǎn)品有：日本京都電子公司的MKS-500型糧食水分測(cè)定儀和德國(guó)TitroLine公司的糧食水分測(cè)定儀。

3.4 高周波法

高周波是指頻率大于100 kHz的電磁波，具有較強(qiáng)的穿透性。其基本原理是：高周波水分測(cè)定儀器設(shè)定了固有頻率，不同糧食樣品接觸測(cè)定儀時(shí)由于含水量不同，測(cè)定儀內(nèi)通過傳感器傳送的頻率就不同，兩頻率之差由頻率電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流，電流再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可顯示數(shù)字，完成糧食水分檢測(cè)。高周波水分測(cè)定儀為接觸式測(cè)量?jī)x器，測(cè)量前提是儀器的長(zhǎng)針探頭盡量要與被測(cè)量物體充分接觸。在使用高周波水分測(cè)定儀器進(jìn)行糧食水分測(cè)量時(shí)，要注意周圍是否有金屬等感應(yīng)物，金屬等感應(yīng)物會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。因此，測(cè)量時(shí)儀器探頭周圍不應(yīng)有金屬物或其他感應(yīng)物。高周波水分測(cè)定儀具有測(cè)試時(shí)間短、操作方便、精度高、重量輕、可隨身攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

代表產(chǎn)品有：北京FD-E型便攜式數(shù)字糧食水分儀、北京公司生產(chǎn)的HK-90水分儀、MHY-10649水分儀、江蘇生產(chǎn)的VM-220水分儀、德國(guó)testo公司的606-2水分儀。

3.5 微波法

微波也是高頻電磁波，微波法檢測(cè)糧食樣品水分含量的基本原理是：利用微波能夠穿透非導(dǎo)電性物料的特性，讓微波透過糧食樣品，從而引起電磁場(chǎng)共振，損耗一部分微波能量，微波損耗的能量大小與糧食樣品含水率高低呈現(xiàn)正相關(guān)，損耗后的微波能量到達(dá)糧食樣品的另一邊。水在吸收了微波能量的同時(shí)也反射了微波能量，用其中的一種即可測(cè)出糧食樣品的微波能量損耗，通過計(jì)算糧食樣品的微波吸收量和一些幾何參數(shù)，能夠換算出糧食含水率。

微波法的優(yōu)點(diǎn)是安全、不損壞物料、非接觸測(cè)量，靈敏度高、速度快、可在線連續(xù)測(cè)量，測(cè)量信號(hào)易于聯(lián)機(jī)和可視化。缺點(diǎn)是易受品種、物料、形狀和密度等主要因素影響[4]，引起駐波干擾，不同品種需單獨(dú)標(biāo)定、檢測(cè)下限不夠低。

代表產(chǎn)品有：珠海MC-7825G糧食水分測(cè)定儀、日本的SK-300及SK-200，德國(guó)RGI在線微波水分儀。德國(guó)coliy公司的MH300手持式水分儀是微波水分測(cè)量的最新技術(shù)，目前世界上最先進(jìn)的測(cè)量含水量的產(chǎn)品，2014年推出。德國(guó)MOSYE公司的Ms-a-101在線水分儀，德國(guó)最新的在線水分儀。

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