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1、粮油储藏技术一、粮粒及粮堆的构成粮食是小麦、稻谷、玉米、谷子、大麦等禾谷类籽粒及薯类、豆类等的 总称。由于受到遗传特性、地理环境和栽培条件等因素影响，每一种粮 食的形态特征各不一样，具有独特的形态结构、物理性质和化学性质, 既有共性，又有个性，这些都对粮油储藏产生有利或不利的影响。粮食的构成归纳为：从粮油储藏的角度出发，粮食中包围在胚和胚乳外部的种皮，形成了抵 御不利储藏环境的保护组织，对粮食储藏是有利的。而粮粒的胚部则含 有较多的营养成分和水分，生命活动旺盛，最容易受到虫霉感染。一般 说来，胚越大，储粮稳定性越差，这是储粮不利的一面。因此，各种粮 食构造不同，是导致各种粮食储藏稳定性差异的原
2、因之一。粮食颗粒堆聚而成的群体叫做粮堆。粮食储藏研究的对象是粮食群体, 而不是单一的粮食籽粒。据测定500克稻谷约20000粒、小麦15000 粒、玉米 15002000 粒、蚕豆 400600 粒、油菜籽 170000240000 粒。通常粮仓装粮50250万千克，形成数目相当大的粮粒组成的粮 食群体粮堆。影响粮食储藏稳定性和粮食储藏质量的主要物理因素是粮食的散落性、 自动分级、孔隙度，对于各种蒸气和气体的吸收、吸附和解吸能力以及 粮食的热传导、湿热扩散与热容量等。在粮堆这个特定的环境中，这些 基本物理因素直接影响储粮稳定性。二、粮食的流散特性粮食的流散特性主要包括散落性、自动分级、孔隙度等
3、。这是颗粒状粮 食所固有的物理性质。粮食具有流散特性的根本原因是粮粒之间的相互 作用力内聚力小，不足以在重力的作用下使粮粒保持垂直稳定，致 使粮食在堆装、运输、干燥、加工等过程中表现出流散特性。1、散落性粮食在自然形成粮堆时，向四面流动成为一个圆锥体的性质称为粮食的 散落性。粮食的颗粒大小、成熟度的差异、杂质数量的多少等都和散落 性密切相关。粮食散落性的好坏通常用静止角表示。静止角是指粮食由高点落下，自然形成圆锥体的斜面与底面水平线之间 的夹角。静止角与散落性成反比，即散落性好，静止角小；散落性差, 静止角大。粮粒在粮堆斜面上停止或运动与否，受到粮粒在斜面上受力的制约。图 1-2是粮粒在斜面上
4、受力分析图：重力G可分解为垂直压力N和倾斜 分力P,如忽略粮粒间高低不平的相互作用力，粮粒在斜面上还受到摩 擦力Fz如果粮粒与粮堆的斜面摩擦系数为f ,则摩擦力F为N*f图 中分力P是使粮粒下落的力，F是阻碍粮粒下滑的力，当PF时，粮 粒就下落，当Pg时，粮粒飘浮走；P 大豆 芝麻 玉米 稻谷 大米 面粉。表1-8几种主要粮食的二氧化碳吸附量（温度20度，时间3小时）种类花生大豆芝麻玉米稻 谷小麦 和大 米面粉吸附量ml/kg560400230170857560吸附能力发生差异的原因，主要是粮种之间毛细管孑L存在着差别，吸 附活性表面大小不同，以及组织结构的差异。这些因素的综合结果，导 致不同
5、粮种吸附量之间的差异。粮食的化学成分不同，也是影响气体吸附的主要原因之一。通常当被吸 附的化学性质与吸附剂的化学性质相近时,则吸附量就随着某一化学成 分含量增加而增加。如在相同条件下，含油量高的粮食比含油量低的粮 食吸收的水分较少，就是油和水不相溶而引起的。又如谷物对二氧化碳 的吸附，研究证实，吸收的一部分二氧化碳与粮食蛋白质肽链上的J氨 基酸、-氨基酸相结合形成不稳定的化合物或进行离子反应。即：R-NH3 + C02R-NHCOOH H20 +C02H2CO3HC03- + H+ PH HC03- PH7.0 R-NH3+ +HCO3-(R-NH2)+ + (HC03-)因此，二氧化碳的吸附
6、量往往与某种蛋白质的含量呈正相关。总之，粮食对气体的吸附过程是一个非常复杂的物理过程。影响吸附的 主要因素也不是一成不变的，而是随着条件的变化而改变。(四)气体吸附与粮食储藏的关系粮食储藏技术中的二氧化碳置换方法(CEM)就是利用谷物对二氧化碳 的吸附特性使粮食在包装袋内呈现胶着状态袋内负压200OPa以上), 有效地保持粮食品质。由于粮食的吸附特性存在，极容易吸附不良气体和液体，产生异味，如 汽油、煤油、药物等气味物质。轻者影响粮食的使用价值，重者造成污 染。因此，运输粮食的车辆、盛装粮食的器皿及使用的工具都要严加检 查，以免污染。2、吸湿特性粮粒对水汽的吸附与解吸的性能称为吸湿特性，它是粮
7、食吸附特性的一 个具体表现。在储藏期间,粮食水分的变化主要与粮食的吸湿性能有关， 与粮食的储藏稳定性、储藏品质都密切相关,和粮食的发热霉变、结露、 返潮等现象有直接关系。所以粮食的吸湿特性是粮油储藏中最重要变量 因素之一。粮食之所以吸附水蒸气，其原因为：（1）粮粒是多孔毛细管胶体物质， 能够使水蒸气通过扩散进入其内部并凝聚；（2）粮粒具有很大的吸附 表面，使水蒸气分子能在表面发生单分子层或多分子层的吸附；（3 ） 粮粒中存在很多亲水基团，这些基团对水蒸气分子具有较强的吸附能力， 如小麦的淀粉含量约占粮粒的63% ,蛋白质约占16%纤维素约占13% , 这些物质都具有数个亲水基团，构成了粮粒吸湿
8、的活性部位。（-）粮粒吸附水蒸气的各种力研究粮粒中水分存在的方式发现，粮粒中的一部分水是以毛细作用的形 式,保持在粮粒内部的颗粒间隙中，这些水具有自然界中水一样的性质， 通常将这一部分水叫做自由水。另一部分水则以化学形式与粮食中的某 一成分相结合,构成了粮粒物质整体的一部分,这部分水叫做结合水（化 合水）。但是，粮粒是由多种物质构成的，同时还有组织器官存在的，其中水是 以多种形式存在的。在通常情况下，粮食中的化合水受环境影响的 可能性不大。随着环境条件发生变化的主要是自由水和吸附水。自由水又是吸附水在一定条件下凝聚的结果。因此对于吸附 水的研究就显得十分重要。水蒸气能被粮粒表面吸附，主要是由分
9、子间力-范德华力和氢键作用 的结果。范德华力包括：极性分子相互靠近时，由永久偶极作用产生的 偶极力；极性分子和非极性分子相互靠近时产生的诱导力；非极性分子 相互靠近时，由瞬时偶极产生的色散力。这三种力都具有吸引作用。因 此，当粮粒的有效表面与水蒸气分子相接近时，在这三种力的作用下， 水分子就分别吸附在极性、非极性表面上。水分子是极性分子。因此，粮粒上所发生的作用力主要是：水分子与粮 粒极性部位分子之间发生的偶极力；水分子与粮粒非极性分子或部位之 间发生的诱导力。其中，水分子在偶极力作用下，强烈地吸附在极性物 质表面上。（二）粮食的化学结构与吸附粮粒含有大量的淀粉和蛋白质，都属于亲水胶体。它们含
10、有能与水作用 的极性基团最多。淀粉链上不论直链或枝链,都具有羟基、环氧或氧桥。其中氧原子的孤立电子对未被饱和，因此水分子就通过氢键的作用而和 氧原子结合被吸附下来。蛋白质也是如此，除肽链以外，还有许多氨基 酸侧链。它们都带有各种不同的极性基团，水分子很容易与之发生反应。 如：-OH ,在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸上；-NH-,在色氨酸、组氨酸和 脯氨酸上；-NH2 ,在赖氨酸及多肽链上的未端氨基酸上；-COOH,在 天门冬氨酸、谷氨酸和多肽链的未端氨基酸上；0NH2 ,在谷氨酸上。 这些基团都会和水分子发生作用。(三)粮食水分子的吸附和解吸过程 粮粒吸附水分，首先是水分在粮粒表面形成蒸气吸附层，通
11、过毛细管扩 散到内部，吸附在有效表面上，其中有少部分与固体表面不饱和电子对 发生作用，成为结合水。在吸湿过程中，存在着一个扩散吸附的物 理过程，即水分子先扩散到粮粒表面和内部，然后再在活性表面吸附。 因此，某种粮食吸收水蒸气速度快慢，取决于水蒸气分子向粮粒内部扩 散系数D和水蒸气与活性表面吸附作用常数Ko由于粮食的种皮含有蜡 层和角质层，对水分子的扩散起阻碍作用，因此，吸附水分子的快慢主 要受到扩散系数D的制约。显然，当水汽压在粮粒周围逐渐加大时，扩 散系数D增加，从而吸附速度加大。当水气吸入后，如果水汽压仍大于粮粒内的水汽压，水汽就会不断地进 入粮粒内，开始吸附在毛细管壁，形成单分子层，继续
12、吸附而变成多分 子层，当毛细管壁上的水汽吸附层逐渐加厚至中央汇合时，就出现了毛 细管水分。这时，水分在毛细管中形成一个弯月面。根据开尔文公式： Ln(Prp0 )=(2-M)RTr式中:Pr-弯月面上的水蒸气分压；po 毛细管壁上水汽吸附面的水汽分压；-水分子的气液表面张力；P- 水的密度；R-气体状态常数；T-吸附时的温度；r-液滴的半径， 当液滴面为凸形时为正，凹形时为负。显然，形成弯月时，rO,Ln(Prp0 )0fPrpo L则Prp。这说明 弯月面上的水汽分子氐于毛细管壁上的水汽分压，即存在着一个压力差。 因此，管壁中的水汽分子就向弯曲上运动，从而使弯面上的水汽分压， 即存在着一个压
13、力差。从而使弯面上的水汽过饱和而发生凝结,这种现 象就称为毛细管凝结。这个动态过程的不断进行就使粮食水分不断增加, 直至完成吸湿过程。当外界环境中的水汽分压低于粮粒内部的水汽分压时，粮粒中的水汽分 子就向粮粒外扩散，即粮食中的水分发生解吸作用。解吸时首先是粮食 毛细管中的凝结水扩散到空气中，其次是多分子层的吸附水，最后是单 分子层的吸附水，直到粮食中的水汽分压平衡于环境中的水汽分压为止。(四)粮食吸湿与水分活度水分活度(AW)是根据拉乌尔定律导出来的。设P和P。分别代表溶液 和溶剂的蒸气压，nl和2分别代表溶质和溶剂的摩尔数，则可用于下 式表示：(Po -P)po =nl(nl+2)为简便起见
14、,上式又表示为：PPo = nl(nl+2)即溶液和溶剂蒸气压的比值等于溶剂摩尔数与总摩尔数 的比值。通常这个比值叫做水分活度。水分活度与平衡相对湿度的关系为：AW= PPo =E.R.H100平衡相 对湿度受到大气的影响，而水分活度主要决定于粮食的水分特性。水分活度在粮食储藏及其产品的储藏加工方面具有重要的意义。粮食及 其制品的生化变化和品质劣变，者陌水分活度有关。利用水分活度来评 定粮食储藏的稳定性，比安全水分更能反映粮食安全储藏的真实情 况。在粮食水分含量相同的情况下，由于粮食内部水的存在状态不同， 就像溶剂中所溶的溶质不同。因此，粮食水分所产生的蒸汽压不同，从 而使微生物利用的水分和生
15、化反应所需的水分不同，粮食的稳定性就不 同。对于各种粮食水分活度在某一范围内，其储藏则是安全的。一般 AW=0.65-0.7的情况下,粮食变质非常缓慢。水分活度与含水量相比是更有用的参数，它反映了粮食呼吸代谢过程中 可利用水分的程度。水分活度相同的粮食，其含水量可以不同。因此, 这就使评价水分对粮食储藏稳定性的影响有了统一的标准。粮食微生物的发展，主要取决于粮食的水分活度和温度。即使在适宜的 温度条件下,只要控制水分活度到达一定范围，微生物也不会生长为害。 因此，为了粮食储藏安全，就要控制粮食的水分活度在065左右。(五)粮食的吸湿等温线通常采用吸湿等温线来研究粮食吸湿特性，它表示了当温度恒定
16、时在一 定湿度下粮食吸收水分的量。它量平衡水汽分压、水分活度或相对湿度 的函数。通常粮食样品在同一相对湿度下，其水分含量有两个数值，一 是当粮食吸湿时，一是当粮食解吸水分或干燥时。解吸时的水分含量高 于吸湿时的水分含量。因而等温线又分为吸湿等温线与解吸等温线。粮食的吸湿等温线呈S型。许多学者对此进行了研究,最成功的是布鲁 瑙尔、埃米特和泰勒三人提出的多分子层吸附理论。他们认为：粮食对 水分的吸附和解吸处在动态平衡中，范德华力在吸附中起主要作用；粮 食吸附表面对水分子的吸附能力相等，并能形成多分子层吸附。据此假 设导出了 BET 方程。即：V= CVmP(Po -P)l+(C-l)PPo 式中:
17、V-温度恒定时,水汽压为P时粮食吸收水汽的体积；Vm为单分子 层全部覆盖粮食表面时能吸收水汽的体积；P-水蒸气分压；Po 一水 的饱和蒸汽压；C一吸附常数。在上式中：若PP。，相对湿度很低 时，BET方程为：V=VmCPP0 /(l+CPPo )这时吸湿等温线向相对 湿度轴。当P Po时，即在高湿度条件下上式为： V=CVmP(P-Po )l+(C-l)PPo -8 (无穷大)这时，水分含量趋于无限增加，等温线又弯向水分含量轴，因此，吸湿 等温线呈现S型。这种类型是农产品包括粮食在内所特有的。粮食的吸湿等温线可分为三个线段，每段所涉及到水汽压和水分含量的 关系不同。在等温线开始的O-A段，水汽压与水分含量间的关系主 要受水分子和吸附表面的结合能所制约。等温线向含水量坐标轴移动的 范围就是水与吸附表面结合能的反应。等温线的A-B段,近似一条直线,这时水分吸附在第一层水分子之上, 形成多分子层吸附，其中一小部分是在非极性部位。在这一过程中主要 的作用力是水分的凝集力。在这一段，水的吸附量主要取决于水汽压的 大小。在等温线的B-C段,即高湿区,主要发生的是毛细管水分的凝结
