热管低温储粮技术对小麦品质的影响

李新宇 熊旭波 张 岩 王世清 姜文利 修方珑

（青岛农业大学食品科学与工程学院1，青岛 266109）

（青岛澳维康生物科技工程有限公司2，青岛 266071）

（青岛市粮食局3，青岛 266112）

热管低温储粮技术对小麦品质的影响

李新宇1熊旭波2张 岩1王世清1姜文利1修方珑3

（青岛农业大学食品科学与工程学院1，青岛 266109）

（青岛澳维康生物科技工程有限公司2，青岛 266071）

（青岛市粮食局3，青岛 266112）

为研究热管低温储粮技术在储粮方面的实际应用效果，设计建造了基于热管原理的低温储粮仓，研究了储藏过程中粮食温度、水分减量、电导率值、过氧化氢酶活动度、脂肪酸值的变化情况；结果发现：在一年（2012年9月到2013年9月）的试验周期内，试验仓粮食降温速度和低温时间明显高于对照仓，在小麦品质方面：试验仓水分、过氧化氢酶活动度分别下降了0.12%、14 mgH2O2／g，比对照仓低0.11%、39.13%；脂肪酸值和电导率值分别增加7.65 mgKOH／100 g、5.1μS／cm，比对照仓低42.48%、45.16%，证明该低温储粮技术蓄冷效果明显，同时具有降低粮食水分减量、抑制脂肪酸值升高、保持籽粒活性，防止粮食劣变陈化的效果，为该储粮技术的大规模应用和推广提供理论参考。

低温储粮 温度 品质 陈化

目前，我国每年粮食储藏期间的粮食品质劣变，已造成了巨大的粮食浪费，给国家造成了重大的经济损失［1］。低温储粮能杀虫抑菌、减少化学药剂的用量；抑制粮食呼吸，减少干物质损失和水分损耗；保证粮食的食用品质和营养品质，延缓粮食劣变速率［2-4］。现在国内外主要是利用机械降温和自然降温实现低温储粮。机械降温系统复杂、成本高、能耗大，很难大规模推广，而自然降温受地理环境等因素的影响，降温效果不理想［5］，寻找一种低成本、能耗小，易实施的低温储粮新方法是目前所面临的关键问题。

青岛农业大学食品学院利用低温分离式重力热管单向导热的工作原理，设计开发了无能耗、无污染、无值守的自动循环热管模组自然冷源储粮仓［6-7］。修方珑等［8］研究发现：新型热管储粮试验仓蓄冷量为50.95 MJ，降温速度达到了0.28℃／d，分别较对照仓高出31.62%和47.37%，并且试验仓降温均匀，没有结露、霉变现象。我国北方地区自然冷源丰富［9］，基于热管原理利用自然冷源低温储粮技术，具有广阔的应用前景和潜在的市场价值。本试验将进一步对该储粮技术在粮食储藏品质方面的影响进行研究，以期为该低温储粮技术的实际应用和推广提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料与设施

材料：2012年收获的小麦（济麦22），除杂晾干，含水量在安全贮藏水分范围（≤12.5%）以内，小麦由青岛市第二粮库提供。

粮仓：根据粮食平房仓设计规范［10］，建造3间规格完全相同的小型仓房（长×宽×高为2.0 m×2.4 m×2.16 m），编号为1、2、3，3号仓为试验仓，1号仓为对照仓（对照仓热管模组不充工质，其他条件相同），如图1所示，围护结构为彩钢夹芯板（外层为轻钢结构，内层为聚乙烯泡沫复合板），为了减缓粮仓冷量的散失，在粮仓的内壁和粮堆的上面分别安装和铺盖聚丙乙烯保温板。粮仓主要由仓体、热管模组、和粮温检测系统组成，热管模组由直径为25 mm的无缝钢管构成，其结构由蒸发端、冷凝端、工质灌注口组成，如图2所示（热管组的具体结构设计和其他参数可见本团队的发明专利 201010500067.3）。粮仓修建于青岛农业大学内。

粮温测量系统：Labview软件和热电偶（美国NI仪器有限公司）进行粮温数据采集、记录。

1.2 试验原理

试验仓工作原理：冬季粮仓中的粮食为“冷皮热心”，热量不易导出［11-12］，热管具有良好的导热性［13］当粮温和室外温差达到热管的工作温差时，热管中的液态工质在粮堆中的蒸发端吸热汽化，气体通过气体上行管，上升到暴露在空气中的冷凝端，凝结成液态工质，释放潜热，液态工质在重力和压差共同作用下，通过液体下行管又回流到蒸发端，不断往复循环以达到给粮堆降温效果，如图2所示。

图1 试验设施

图2 试验仓结构简图

根据试验温度要求，工质采用的是氟利昂R22，在此试验条件下工质的沸点在5℃左右，理论中当室外温度低于5℃左右，粮温和环境温度存在正向温差，热管开始给粮食降温蓄冷。

1.3 试验方法

1.3.1 粮温测量

两个粮仓内分别设置7个测温点，位置如图2所示，利用热电偶、labview软件测量和记录粮温。粮温从2013年12月1日开始记录，各测温点每10秒记录1次，精确到0.01℃。

1.3.2 小麦储藏品质测定

1.3.2.1 扦样

参照GB／5491—1985粮食、油料检验抽样、分样法，把粮仓分为上下2层，各层5个扦样点：中央1个，四周距仓壁20 cm处4个，将取得样品混匀后测量。为减少新收获小麦后熟对小麦品质的影响［14］，从2012年9月份开始扦样测量，以后每3个月扦样测量1次。

1.3.2.2 试验方法

水分参照GB／T 5497—1985粮食、油料检验水分测定方法

电导率值测定（浸出液电导率测定法）：取 50 mL蒸馏水于三角瓶中，用电导率仪测量其电导率A。取25粒小麦样品，平行样称重质量差≤0.01 g。将试样用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干小麦表面水，放入盛有50 mL蒸馏水的三角瓶中。在25℃条件下浸泡12 h后，测定浸出液的电导率B，则小麦浸出液的电导率为 R＝B-A［15］。

脂肪酸值 参照GB／T 5510—2011粮食、油料脂肪酸值测定。

过氧化氢酶活动度 参照GB／T 5522—2008粮食、油料的过氧化氢酶活动度的测定。

2 结果与分析

2.1 温度分析

图3是2012年12月1日到2013年5月1日试验仓、对照仓的平均温度曲线图，从图3中可以看出，前80 d，室外平均温度低于5℃（工质沸点），是热管工作的主要时期，试验仓降温期间的降温速率达到0.33℃／d，比对照仓快了48.48%；试验仓平均粮温1.2℃，对照仓为4.5℃，两者相差3.3℃，显现出热管明显的蓄冷效果；80～150 d，由于室外温度上升，热管基本停止工作，粮仓主要是利用冬季蓄冷量延缓粮温的升高，进而延长了试验仓的低温时间。此外，在整个试验期间，试验仓降温均匀，没有结露霉变现象。

图3 小麦温度变化曲线

图4为2012年12月4日到7号4日（96 h）的试验仓内温度变化情况。从图4中可以看出，当室外温度低于3℃时，粮仓内热管蒸发段开始启动，蒸发段热管温度随着室外温度的下降而下降，但热管蒸发段温度变化滞后于室温变化。可以推出：在本试验条件下，该热管的启动温度应当低于3℃。此时粮仓的平均粮温为5℃左右，室温低于3℃热管开始工作，推出：该热管的工作温差为2℃左右。符合氟利昂r22潜热小，热管易启动，和热管良好的均温性等特点。

图4 试验仓温度曲线

2.2 水分变化

在安全水分内（≤12.5%），粮食储藏期的水分减量，即降低了经济效益，又影响了粮食的加工品质［16］。从图5可以看出，储藏1年后对照仓的水分含量下降了0.23%，而试验仓的水分含量只下降了0.12%，两者相差0.11%。粮食在储藏期间水分变化贯穿于储藏的全过程，与粮食内部的生理变化与物理变化有关，当储粮温度相对较低时，湿热交换相对较少，水分损耗相对也较少，同时，低温可以抑制粮食的生命活动，减少水分的损耗［17］。

图5 小麦水分含量变化曲线

2.3 脂肪酸值变化

谷物储藏期间酸败是不可避免的，包括氧化酸败和水解酸败，影响因素包括储藏温度、水分活度、霉菌繁殖等［18-20］。从图6中可知对照仓脂肪酸值上升了7.65mgKOH ／100 g，试验仓上升了 4.4 mgKOH ／100 g，后者比前者低42.48%。相对的低温可以减缓油脂的扩散速度，抑制脂肪酸酶的活性，减少霉菌的繁殖，进而减缓了脂肪酸值的上升速度。

图6 小麦脂肪酸值变化曲线

2.4 过氧化氢酶的活动度变化

过氧化氢酶（CAT）具有提高植物的抗逆水平、增强植物防御能力和延缓衰老的能力，它是评价小麦籽粒新鲜程度的重要指标，随着储藏时间的延长，小麦种子内的胶体陈化，过氧化氢酶失活。从图7中可知，试验仓和对照仓过氧化氢酶的活性都是成下降趋势的，小麦试验仓下降了14 mgH2O2／g，对照仓下降了 23 mgH2O2／g，两者相差 9 mgH2O2／g。储藏环境是影响过氧化氢酶活性下降的因素之一，其中的环境因素也是多方面的，虫害、霉变、温度、脂肪酸值等都对CAT有一定的影响。相对低温可以抑制虫害、霉变的发生、抑制脂肪酸值的升高，进而减缓了过氧化氢酶的失活，维持了籽粒活性［21-23］。

图7 小麦过氧化氢酶活动度变化曲线

2.5 电导率值变化

小麦浸出液电导率值反映的是籽粒细胞质渗透情况，可定量描述籽粒的活力，浸出液的电导率数值越大，种子活性越低［23-24］。从图8中可知，试验仓和对照仓的电导率值都是随着储藏时间的延长而增加，经过1年的储藏，试验仓增加了5.1μS／cm，而对照仓增加了 9.3μS／cm，试验仓比对照仓低了45.16%，证明试验仓小麦籽粒的细胞膜较完整，籽粒活性高。

图8 小麦电导率值变化曲线

3 结论

3.1 热管工作期间（2012年12月到2013年3月）试验仓降温期间的降温速率达到0.33℃／d，比对照仓快了48.48%；试验仓平均粮温1.2℃，对照仓为4.5℃，两者相差3.3℃，显现出热管明显的蓄冷效果，热管停止工作期间，试验仓利用冬季蓄冷量延缓粮温升高。由于热管的良好的蓄冷效果，有150 d试验仓温度明显低于对照仓。此外，在试验过程中，粮食降温均匀，没有霉变结露现象。

3.2 在小麦储藏品质方面，基于热管原理的低温储量技术可降低粮食水分减量，抑制脂肪酸值升高，维持籽粒活性，进而可以提高粮食储藏年限，减少粮食资源浪费。

基于热管原理利用自然冷源低温储粮技术，绿色无能耗，成本低，易实施，降温效果明显；同时低温储藏抑制了粮食的劣变陈化，延长了粮食的储藏周期，减少了国家粮食资源的浪费，具有一定的现实意义和潜在的市场价值。但是，目前该技术在实际应用中还不是很完善，接下来需要在增大粮仓蓄冷以及热管蒸发段和冷凝段结构优化等方面加大研究，以延长低温储藏时间，以实现粮仓的周年低温或准低温储藏。

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TQ432.2

A

1003-0174（2015）01-0107-05

国家自然科学基金（31271963），山东省自然科学基金（2009ZRB01581）

2013-10-20

李新宇，男，1989年出生，硕士，食品工程

王世清，男，1961年出生，教授，食品安全保藏