胡志薈，王若蘭*，黃亞偉，張瑞迪，祝 溪，李浩杰，盛 強(qiáng)，曹志帥

1．河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001

2.中儲糧成都儲藏研究院有限公司，四川 成都 610031

近年來，我國大豆年產(chǎn)量1 000多萬t，而國內(nèi)大豆每年的總用量在1億t左右，90%的大豆都需要進(jìn)口[1]。我國的油脂廠大多數(shù)使用進(jìn)口大豆為原料, 導(dǎo)致大豆產(chǎn)業(yè)的對外依存度高達(dá)80%以上，而在貿(mào)易中卻沒有定價權(quán)，所以進(jìn)口大豆轉(zhuǎn)為儲備，由儲備庫儲存，可以在相當(dāng)大的程度上調(diào)控國內(nèi)大豆市場[2]。因此，近年來進(jìn)口大豆的儲備規(guī)模也越來越大,其安全儲藏和管理日益被人們所關(guān)注[3-4]。

進(jìn)口大豆一般是海上運(yùn)輸，運(yùn)輸季節(jié)正值夏季高溫多雨，大豆的吸濕性又強(qiáng)，安全水分的大豆長時間在潮濕的情況下，水分可升至20.8%[5]，儲藏期間由于在倉內(nèi)大豆所處位置不同、季節(jié)交換引起溫差造成結(jié)露[6]、水分的遷移都會出現(xiàn)局部水分升高，進(jìn)而出現(xiàn)局部發(fā)熱，進(jìn)一步加劇了大豆的儲存不穩(wěn)定性。進(jìn)口大豆脂肪含量在20%以上，在各種儲存條件中，溫度與濕度對大豆品質(zhì)的影響程度最大[7]，使其品質(zhì)發(fā)生劣變，給食品工業(yè)造成嚴(yán)重?fù)p失[8-10]。

楊海民等[11]對淺圓倉儲存進(jìn)口大豆期間溫度變化規(guī)律進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)倉溫對糧溫的影響明顯大于墻壁對糧溫的影響, 控制倉溫及上層糧溫對于大豆的安全儲存極其重要。劉新濤等[12]采用理論和matlab模擬相結(jié)合的方法對大豆糧堆易發(fā)熱區(qū)域溫度的測試結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域的氣體膨脹致使該區(qū)域壓力增大, 質(zhì)熱傳遞到上層區(qū)域, 水分在上層區(qū)域增加以后, 該區(qū)域溫度又會上升, 導(dǎo)致糧堆的整體溫度升高, 并形成惡性循環(huán)。王若蘭等[13]采用人工加熱的方法在小麥糧堆中形成明顯的溫度梯度,探究熱量傳遞特性，發(fā)現(xiàn)加熱過程整體糧溫呈線性上升,距熱源越近的位置溫度上升速率越快,熱量逐層傳遞,各層糧溫變化呈顯著正相關(guān),糧堆內(nèi)部原“熱皮冷芯”的現(xiàn)象被打破。研究表明，倉內(nèi)控制糧堆的溫度極其重要，否則會造成發(fā)熱范圍擴(kuò)大，引起糧食及經(jīng)濟(jì)損失。

目前，關(guān)于高水分進(jìn)口大豆的局部發(fā)熱研究不系統(tǒng)，因此，作者以進(jìn)口大豆為原料，研究其在儲存期間的發(fā)熱及熱量傳遞，對指導(dǎo)進(jìn)口大豆安全儲藏提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

美國進(jìn)口大豆：水分含量為12.5%，雜質(zhì)含量為1.8%，粗脂肪含量為22.3%，完整粒率為87%。

1.2 儀器與設(shè)備

1.5 m×0.95 m×1.2 m模擬倉：河南未來機(jī)電工程有限公司；LC-M-1糧情測溫手持儀、LC-M-1測溫電纜：河南省糧保倉儲設(shè)備有限公司；101 A-1型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱：上海市崇明實(shí)驗(yàn)儀器廠；BLH-5700糧食水分測試粉碎磨：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；鋁盒：杭州馳成醫(yī)藥科技有限公司；ML204電子天平：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

參照NY/T 1094.1—2006調(diào)制目標(biāo)水分含量20%，將樣品攤平，采用4區(qū)13點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，參照GB/T 5009.3—2016[14]測定大豆的水分。調(diào)水完成后，用塑料薄膜覆蓋大豆表面，使水分充分平衡以及防止水分向外界散失，入倉前再測一次水分以確定達(dá)到目標(biāo)水分。

1.3.2 模擬倉試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的是碳鋼模擬倉，試驗(yàn)?zāi)M倉內(nèi)徑尺寸：1.44 m×0.86 m×1.1 m，設(shè)置裝糧高度 0.85 m，倉體設(shè)置有通風(fēng)孔、電纜穿線孔、出糧孔等結(jié)構(gòu)。模擬進(jìn)口大豆儲存過程中倉內(nèi)局部水分高而引起的發(fā)熱情況，將水分20%進(jìn)口大豆包埋于安全水分的大豆中，設(shè)置高水分大豆質(zhì)量分別為120、60、30、15 kg，以包埋120 kg高水分大豆的模擬倉為例，1—9號的9根電纜布置正視圖見圖1，俯視圖如圖2所示。每條電纜設(shè)置5個測溫點(diǎn)，從上到下依次以a、b、c、d、e表示，測溫點(diǎn)傳感器陰影部分為高水分大豆，四周為安全水分大豆，其他質(zhì)量包埋圖與此相仿。高水分大豆中心溫度是由3號電纜測定，倉內(nèi)高水分大豆的上層、中層、下層溫度分別由圖1中的c3、d3、e3測溫點(diǎn)測得，不同質(zhì)量的包埋糧在倉內(nèi)的位置分布如表1所示，放在室溫下，每天人工測溫，記錄倉內(nèi)大豆的溫度變化。

1.3.3 發(fā)熱判定

將高水分大豆部位溫度與正常大豆比較，測量溫度高于正常大豆溫度3 ℃以上， 則判定為發(fā)熱現(xiàn)象。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

每天人工測溫，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel，用Origin 2017對各包埋質(zhì)量的高水分大豆中心溫度及對倉內(nèi)大豆中垂面(垂直于長壁面，距寬壁面各72 cm)溫度場分析。

a1—e1、 a2—e2、a3—e3、a4—e4、a5—e5分別表示

1—9表示測溫電纜編號

表1 不同質(zhì)量包埋糧倉內(nèi)位置分布

2 結(jié)果分析

2.1 倉內(nèi)包埋不同質(zhì)量高水分大豆中心溫度變化

取倉內(nèi)3號電纜，對倉內(nèi)包埋的高水分大豆的上(c3)、中(d3)、下(e3)3層溫度與距俯視圖的9號電纜最下層測溫點(diǎn)(e9)左側(cè)70 cm處的正常大豆溫度進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a可知，包埋120 kg高水分大豆時，發(fā)熱很快，大豆上層、中層和下層在儲存1 d后就開始發(fā)熱，此時溫度分別為28.2、30.0、29.6 ℃，正常大豆溫度為25.2 ℃，高水分大豆溫度分別高于正常大豆3.0、4.8、4.4 ℃；5 d后上層溫度為44.3 ℃，高于中、下層溫度。倉內(nèi)包埋大豆在儲存11 d后達(dá)到最高溫度，此時上層和中層溫度分別為52.1 ℃和49.6 ℃，此后溫度趨于平穩(wěn)，緩慢下降，發(fā)熱終止。

圖3 倉內(nèi)包埋高水分大豆中心溫度變化

由圖3b可知，包埋60 kg高水分大豆時，大豆上層和中層在1 d后開始發(fā)熱，下層在5 d后開始發(fā)熱，上、中、下層發(fā)熱時溫度分別為28.0、28.1、27.3 ℃，正常大豆溫度分別為23.7、23.7、24.2 ℃，包埋大豆溫度分別高于正常大豆4.3、4.4、3.1 ℃。倉內(nèi)包埋大豆在11 d后達(dá)到最高溫度，此時上層和中層溫度分別為43.2、37.8 ℃。整個過程中上層溫度一直高于中下層溫度。

由圖3c可知，包埋30 kg大豆上層和中層在2 d后開始發(fā)熱，下層4 d后開始發(fā)熱，此時溫度分別為25.4、27.2、26.0 ℃，大豆正常溫度為21.6、21.6、22.1 ℃，包埋大豆溫度分別高于正常大豆3.8、5.6、3.9 ℃，并持續(xù)升溫。倉內(nèi)包埋大豆在13 d后達(dá)到最高溫度，此時上層和中層溫度分別為41.4、37.4 ℃，達(dá)到最高點(diǎn)后，每天連續(xù)降溫0.3～0.5 ℃。整個過程中，上層溫度在6 d后超過中層溫度，熱量向上傳遞。

由圖3d可知，包埋15 kg大豆中層和上層分別在3 d和4 d后開始發(fā)熱，此時包埋大豆溫度為25.4、25.5 ℃，正常大豆溫度為22.0、22.1 ℃，包埋大豆溫度均高于正常大豆3.4 ℃，糧食下層不發(fā)熱。倉內(nèi)包埋大豆在13 d后達(dá)到最高溫度，此時溫度為29.1 ℃。

總體分析可知：高水分大豆即使少量入倉，也會引起發(fā)熱，大豆發(fā)熱程度與高水分大豆的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越大，越容易發(fā)熱，發(fā)熱達(dá)到的最高溫度也越高。包埋大豆中層溫度上升后，迅速向上遷移，導(dǎo)致上層溫度急劇升高，上層和中層溫度顯著高于下層溫度(P<0.01)，這是因?yàn)閮Σ剡^程中大豆受到熱氣流上升和冷氣流下降的影響[15]，使得上層溫度升高；升高到最高溫度后，趨于平穩(wěn)，然后緩慢下降，這是因?yàn)楦邷卣舭l(fā)，加之多數(shù)中溫性微生物生長活動停止，大豆發(fā)熱終止，使得溫度逐漸降低[16]，大豆的下層溫度始終低于中上層。對于質(zhì)量大的高水分大豆入倉以及季節(jié)交替時可能發(fā)生結(jié)露的位置，要勤于監(jiān)測溫度變化，以便于及時發(fā)現(xiàn)發(fā)熱并處理。大豆水分含量高，適宜微生物和害蟲生長，糧食自身及微生物和害蟲的呼吸，引起發(fā)熱。實(shí)際儲藏過程中，一旦發(fā)現(xiàn)大豆發(fā)熱，需及時處理，否則熱量傳遞范圍擴(kuò)大，大豆處在溫度較高的環(huán)境中，油會滲到油體的表面或外部[17]，造成品質(zhì)劣變。而且大豆水分含量高時，大豆種子代謝活動增加從而喪失活力，使大豆干物質(zhì)損失[18]。不同質(zhì)量高水分大豆的發(fā)熱時間、最高溫度及其發(fā)熱后升到最高溫度的發(fā)熱速度如表2所示。

由表2可知，隨著高水分大豆質(zhì)量的增加，發(fā)熱也快，能達(dá)到的最高溫度也越高，因此，控制高水分大豆入倉是安全儲糧的重要舉措。

表2 大豆發(fā)熱臨界點(diǎn)及發(fā)熱速度

2.2 倉內(nèi)包埋不同質(zhì)量高水分大豆溫度場變化

以包埋120 kg和15 kg的高水分大豆的熱量傳遞為例，分析大豆發(fā)熱熱量的傳遞，對模擬倉內(nèi)大豆中垂面(垂直于長壁面，距寬壁面各72 cm)進(jìn)行大豆溫度分布分析，分別選取6、7、3、8、9號電纜的溫度分析，得出的溫度分布如圖4所示。

圖4 包埋高水分大豆的溫度場變化

包埋120 kg高水分大豆，儲藏初期，大豆堆溫度分布基本均勻，儲藏1 d后，大豆中心出現(xiàn)發(fā)熱點(diǎn)，并逐漸向外擴(kuò)散，溫度分布出現(xiàn)分層，中層溫度不斷升高，并向上遷移，導(dǎo)致上層溫度逐漸升高，11 d后包埋大豆中心和四周糧食溫差最高達(dá)到20 ℃。高水分大豆的發(fā)熱位置集中在中上層，因微氣流的作用造成溫度向上遷移速度快，向側(cè)面擴(kuò)散較向上緩慢。中層在1 d發(fā)熱后，距離發(fā)熱點(diǎn)上方0.17 m處，在3 d后感知到發(fā)熱，此時溫度為31.7 ℃;距離發(fā)熱點(diǎn)側(cè)面0.25 m處，在3 d后感知到發(fā)熱，此時溫度為29.6 ℃;距離發(fā)熱點(diǎn)下層0.17 m處，在2 d后感知到發(fā)熱，此時溫度為29.6 ℃。將高溫區(qū)域面積按橢圓面積來求，得出發(fā)熱最高溫度時，高溫區(qū)域面積為0.16 m2。

包埋15 kg高水分大豆，儲藏初期，溫度分布基本均勻；儲藏3 d后，糧食中心出現(xiàn)發(fā)熱點(diǎn)，并逐漸向外擴(kuò)散，溫度分布出現(xiàn)分層；中層溫度緩慢上升，并向上遷移，但中層溫度始終高于上層。13 d后，發(fā)熱達(dá)到最高溫度，此時最高溫度為29.1 ℃，包埋大豆中心和四周大豆溫差最高達(dá)到3.1 ℃，而且熱量的擴(kuò)散始終維持在適量范圍內(nèi)，擴(kuò)散程度小。包埋大豆中層在3 d發(fā)熱后，距離發(fā)熱點(diǎn)上方0.17 m處，在4 d后感知到發(fā)熱，此時溫度為25.5 ℃;距離發(fā)熱點(diǎn)側(cè)面0.15 m處，在11 d后感知到發(fā)熱，此時溫度為26.7 ℃;距離發(fā)熱點(diǎn)下層0.17 m處，始終沒發(fā)熱。發(fā)熱最高溫度時，高溫區(qū)域面積為0.02 m2。這是因?yàn)楦咚执蠖贵w積小，微生物較少，糧食呼吸作用產(chǎn)生的熱量少，且容易散發(fā)。

對比分析可知：包埋高水分大豆質(zhì)量越大，發(fā)熱越快，熱量擴(kuò)散的范圍越廣，這是由于大豆發(fā)熱過程中，主要受熱傳導(dǎo)影響，高溫區(qū)面積不斷擴(kuò)大[19]。包埋120 kg的高水分大豆發(fā)熱最高溫度較包埋15 kg的高水分大豆高23 ℃，包埋高水分大豆為120 kg時，發(fā)熱的高溫區(qū)域集中在模擬倉的中上層，垂直方向的熱量擴(kuò)散距離達(dá)到0.7 m，而水平方向的熱量擴(kuò)散距離為0.3 m，發(fā)熱最高溫度時，高溫區(qū)域面積為0.16 m2，發(fā)熱高溫區(qū)域溫度較周圍區(qū)域高8 ℃；包埋高水分大豆為15 kg時，發(fā)熱區(qū)域也僅僅集中在高水分大豆區(qū)域，且向外擴(kuò)散緩慢，垂直方向的熱量擴(kuò)散距離達(dá)到0.1 m，水平方向的熱量擴(kuò)散距離為0.2 m, 發(fā)熱最高溫度時，高溫區(qū)域面積為0.02 m2，發(fā)熱點(diǎn)區(qū)域與周圍大豆溫度相差1.3 ℃；說明包埋高水分大豆質(zhì)量越大，會造成微生物聚集范圍大，微生物生長迅速，加上害蟲生長，大豆自身的呼吸作用，大豆的呼吸速率隨溫度和水分含量的增加而增加[20]，從而導(dǎo)致溫度迅速升高；而包埋高水分大豆質(zhì)量越小，微生物和害蟲數(shù)量較少，糧食發(fā)熱產(chǎn)生的熱量易向外發(fā)散， 因此，糧食發(fā)熱達(dá)到的最高溫度也越低，發(fā)熱也會逐漸終止，不會造成糧食大面積損壞。

3 結(jié)論

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，即使包埋高水分大豆的質(zhì)量很小，也會引起發(fā)熱。在室溫下，包埋質(zhì)量為120、60、30、15 kg的高水分大豆，分別在儲存1、1、2、3 d后開始發(fā)熱，包埋大豆上層(c3)分別以2.26、1.57、1.47、 0.49 ℃/d的速度升溫，達(dá)到的最高溫度分別為52.1、43.2、41.4、29.1 ℃。

從包埋大豆溫度分布分析，大豆發(fā)熱的溫度遷移表現(xiàn)為中層先發(fā)熱，中層發(fā)熱后，會迅速向上轉(zhuǎn)移，造成大豆上層溫度持續(xù)升高并高于中下層，高水分大豆質(zhì)量越大，上、下兩層發(fā)熱越快，發(fā)熱點(diǎn)出現(xiàn)所用的時間越短。從整體倉內(nèi)大豆分析，高水分大豆中心位置發(fā)熱后，逐漸向四周蔓延，向上層蔓延速度快于四周，而且上層受影響區(qū)域大于四周區(qū)域，因此，高水分大豆入倉后要密切關(guān)注其中心溫度的變化。高水分大豆質(zhì)量越大，發(fā)熱擴(kuò)散的區(qū)域也越廣，包埋120 kg的高水分大豆發(fā)熱最高溫度較包埋15 kg的高水分大豆高23 ℃，包埋120 kg的高水分大豆熱量傳遞的垂直方向和水平方向分別大于包埋15 kg高水分大豆0.6 m和0.1 m，包埋120 kg的高水分大豆發(fā)熱高溫區(qū)域面積比包埋15 kg高水分大豆大0.14 m2。

因此，控制大豆入倉水分和高水分大豆的質(zhì)量極為重要，也需要時刻注意倉內(nèi)因水分遷移和結(jié)露造成的局部水分升高而造成的發(fā)熱現(xiàn)象。倉內(nèi)設(shè)置溫度電纜，建議在垂直方向增加測溫點(diǎn)，測溫點(diǎn)間隔距離要小，實(shí)時監(jiān)測大豆的溫度，一旦出現(xiàn)發(fā)熱，要做到及時處理，確定發(fā)熱點(diǎn)，采取單管通風(fēng)技術(shù)或局部負(fù)壓通風(fēng)，來降低局部溫度，以最大程度減少儲存過程中的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)損失。