李興軍,任 強(qiáng),,張來林,姜 平

(1.國家糧食局科學(xué)研究院,北京 100037;2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001)

重量法研究大豆水分吸附速率和有效擴(kuò)散系數(shù)

李興軍1,任 強(qiáng)1,2,張來林2,姜 平1

(1.國家糧食局科學(xué)研究院,北京 100037;2.河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院,河南鄭州 450001)

在5種溫度(10～35 ℃)、3個(gè)濕度(RH 65%、86%及100%)組合環(huán)境中,以稱重法測定了初始低水分(4.33%～5.85%)、正常水分(11.74%～12.65%)、高水分(17.58%～17.89%)兩個(gè)大豆品種“中黃37”和“澄豆”含水率隨時(shí)間的變化,并采用修正的擴(kuò)散方程描述水分吸附/解吸速率變化規(guī)律,對徑向?qū)ΨQ的球形大豆籽粒采用斜率方法分析計(jì)算水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能。在RH 65%～100%范圍內(nèi),大豆初始水分越低,10～35 ℃條件的水分吸附速率越大,且溫度較高,吸附速率較大。同樣的初始水分條件,暴露的相對濕度越高,大豆的水分吸附/解吸速率越大。正常水分的大豆樣品20～35 ℃水分吸附速率均在72 h內(nèi)快速降低,而10 ℃水分吸附速率在96 h內(nèi)緩慢降低。測定的兩個(gè)大豆品種正常含水率樣品10～35 ℃吸附過程中,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.920×10-8～5.253×10-8m2·h-1,活化能為10.711～23.358 kJ·mol-1。對相同初始水分樣品,隨著溫度增加,大豆籽粒水分?jǐn)U散系數(shù)增加;隨著相對濕度增加,籽?；罨艹尸F(xiàn)增加趨勢。隨著進(jìn)樣初始水分增加,同一大豆品種籽粒水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能呈現(xiàn)增加趨勢。

大豆,儲(chǔ)藏,糧食質(zhì)量損失,水分吸附速率,水分有效擴(kuò)散系數(shù),活化能

大豆中含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪,且籽粒種皮和子葉間空隙較大、珠孔較大,在空氣相對濕度較大時(shí)易吸濕,受夏季高溫影響后易變色變味,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生浸油,發(fā)芽率降低,儲(chǔ)藏穩(wěn)定性差[1-2]。新入庫的大豆籽粒之間水分不均勻,加之后熟作用,導(dǎo)致一個(gè)月后豆堆濕熱積累較多,此時(shí)應(yīng)及時(shí)出風(fēng)、散濕散熱,增加大豆儲(chǔ)藏性[1,3]。近年來,采用計(jì)算機(jī)模擬糧食儲(chǔ)運(yùn),改善了儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié),減少了質(zhì)量損失[4],但是對大豆存儲(chǔ)期間水分吸附速率預(yù)測的數(shù)據(jù)報(bào)道有限,導(dǎo)致不能準(zhǔn)確調(diào)控糧堆散濕散熱。

動(dòng)力學(xué)分析是研究濕固體水分?jǐn)U散特征的常見方法。最常用的動(dòng)力學(xué)測定法是薄層干燥或加濕實(shí)驗(yàn),采用了通過無窮平面的一維擴(kuò)散概念[5]。對測定的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用擴(kuò)散方程分析水分?jǐn)U散系數(shù)。Page于1949年開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程,實(shí)驗(yàn)證明,它比指數(shù)干燥方程更準(zhǔn)確。經(jīng)過多年的廣泛使用,現(xiàn)認(rèn)為,Page方程是干燥的首選方程[6]。Osborn[7]分析了在溫度(10、25、40 ℃)、相對濕度(RH 73%、85%)和最初含水率(8.7%、11.1%、13.6%干基)條件下,大豆的加濕速率,發(fā)現(xiàn)Page修正方程略優(yōu)于帶有有限邊界條件的理論擴(kuò)散方程。我國對大豆流通和儲(chǔ)藏期間籽粒水分?jǐn)U散研究有限,本文測定了大豆籽粒水分比率隨時(shí)間的變化曲線,并以修正的Page方程描述儲(chǔ)糧條件下大豆水分吸附速率變化規(guī)律,同時(shí)比較不同溫濕度條件下水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能,以期為減少大豆收獲后質(zhì)量損失提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試樣品

大豆品種“中黃37”和“澄豆”,初始水分各是11.74%和12.66%。本文水分均以濕基表示。對于吸附樣品,采用P2O5固體脫水到6.0%以下。對于解吸樣品,將正常含水率的樣品,加水調(diào)到17%以上,在4 ℃平衡2周,每天混勻1次。

1.2 儀器與試劑

AL204-IC型萬分之一天平;PRX-350A智能人工氣候箱:寧波海署賽福實(shí)驗(yàn)儀器廠;游標(biāo)卡尺;銅網(wǎng)制小桶。亞硝酸鈉(NaNO2)、鉻酸鉀(K2CrO4) 均為分析純,購買于北京化工廠;蒸餾水。

1.3 大豆籽粒含水率隨時(shí)間變化與粒徑測定

大豆水分隨時(shí)間的變化采用靜態(tài)稱重方法收集[8]。稱取約5 g(精確至0.0001 g)樣品于由銅網(wǎng)制成的小桶內(nèi),將樣品分別懸掛于盛放NaNO2飽和鹽溶液(RH 65%)、K2CrO4飽和鹽溶液(RH 86%)和純水溶液(RH 100%)、具有橡膠塞的玻璃廣口瓶中,密封后分別置于10、20、25、30及35 ℃的人工氣候箱內(nèi)。每隔一定時(shí)間稱重,記錄數(shù)據(jù),直至達(dá)到平衡水分(前后兩次稱重之差小于0.002 g)。每個(gè)水平重復(fù)3次。

不同初始水分大豆樣品隨機(jī)取100粒,測定每粒長、寬、厚度各兩次,然后按照球體計(jì)算平均粒徑。在五種溫度(10～35 ℃)、三個(gè)相對濕度(RH 65%、86%、100%)組合環(huán)境中平衡后的10 g樣品,按照上述方法測定平均粒徑,另外5 g樣品采用整籽粒烘箱法測定含水率。

1.4 大豆水分吸附/解吸速率分析

水分吸附是解吸過程的逆過程,與解吸比較,籽粒不同組織部位細(xì)胞之間水分吸附具有差異性,導(dǎo)致吸附以不同速率發(fā)生和滯后現(xiàn)象。采用擴(kuò)散方程,假定糧粒是均質(zhì)的[9]。水分和溫度偶聯(lián)方程對準(zhǔn)確模擬解吸過程很關(guān)鍵[9-10],對模擬吸附不重要,由于吸附過程(48～50 h)較解吸過程花費(fèi)的時(shí)間(6～10 h)長[11]。在恒定溫度下,糧粒內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散,水分?jǐn)U散方程單獨(dú)足以描述水分運(yùn)動(dòng)。Page方程MR=exp(-ktn),是速率常數(shù)k為反應(yīng)級數(shù)n的動(dòng)力學(xué)方程,本研究考慮溫度(θ)影響[12],對其修正為

MR=a exp[-ktn×exp(-b/θ)]

式(1)

式中:θ是溫度(℃);a、b、k、n是方程系數(shù)。對式(1)求出d(Mt)/dt,分析大豆糧粒水分吸附/解吸速率(10-5/h)。

d(Mt)/dt=(M0-Me)×a×exp(-ktnexp(-b/θ))×(-k×n×tn-1exp(-b/θ))

式(2)

1.5 大豆有效水分?jǐn)U散系數(shù)和活化能分析

影響谷物和油料質(zhì)量傳遞速率和水分保持能力的因子,是糧食儲(chǔ)運(yùn)和種子學(xué)一直關(guān)注的問題[13]。已經(jīng)提出了許多數(shù)學(xué)模型描述特定溫濕度條件下的糧食質(zhì)量損失,但是準(zhǔn)確描述糧粒、糧堆水分吸著速率的報(bào)道有限。通常認(rèn)為糧食籽粒內(nèi)水分流動(dòng)采用擴(kuò)散方式(液體或蒸汽)。本研究將大豆籽粒假定為球體,其水分?jǐn)U散偏微分方程可以寫成

式(3)

式中,M是含水率(小數(shù)表示);t是時(shí)間(h);Deff是有效水分?jǐn)U散系數(shù)(m2h-1);r是沿著球半徑R水分?jǐn)U散的位點(diǎn)(m)。

假定最初和邊界條件:當(dāng)r0,M(R,t)=Me。

對徑向?qū)ΨQ的球形大豆籽粒,具有上述最初和邊界條件,按照Crank[14]對球體體積進(jìn)行平均化處理,就單一籽粒內(nèi)平均水分獲得了式(3)的分析解法為

式(4)

表1 不同含水率大豆MR隨時(shí)間變化曲線的擬合系數(shù)及生物統(tǒng)計(jì)參數(shù)

式中,MR是水分比率;MR=(Mt-Me)/(M0-Me);Mt是樣品t小時(shí)的含水率,M0是樣品初始水分,Me是平衡含水率,含水率均以濕基、小數(shù)表示,R是大豆籽粒球半徑(m)。

當(dāng)n=(1,3),大豆籽粒球半徑R取為0.0039 m,式(4)展開為

MR=0.608exp(-6.489×10-7Defft)+0.152exp(-2.596×10-6Defft)+0.068exp(-5.840×10-6Defft)

式(5)

在式(5)系列解中,右邊第一項(xiàng)占主導(dǎo)地位,因此將式(5)的自然對數(shù)形式寫成

式(6)

本研究中就ln(MR)-t實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖,采用斜率方法計(jì)算不同溫濕度下大豆籽粒有效水分?jǐn)U散系數(shù)Deff。以Arrhenius關(guān)系表示有效水分?jǐn)U散系數(shù)(Deff)對絕對溫度(T)的依賴性,則為

式(7)

式中,D0是Arrhenius方程的預(yù)指數(shù)因子;Ea是活化能(kJ·mol-1);R是氣體常數(shù)(0.008314 kJ·mol-1·K-1);T是絕對空氣溫度(K)?；罨芤詌n(Deff)-1/T曲線的斜率獲得。

2 結(jié)果與分析

2.1 修正Page方程系數(shù)

采用Page方程及式(1),擬合本研究測定的不同初始含水率大豆樣品水分比率(MR)隨時(shí)間的變化曲線,結(jié)果顯示式(1)擬合的R2較高,而RSS、SE及MRE較低(表1)。因此,式(2)的系數(shù)用于式(2)分析大豆水分吸附/解吸速率隨時(shí)間的變化。

2.2 低含水率大豆樣品吸附速率

從圖1A看出,在RH 65%條件下,初始含水率4.33%的中黃大豆在20～35 ℃吸附速率均在120 h內(nèi)快速減少,之后緩慢減少;10 ℃吸附速率在144 h內(nèi)緩慢減少,之后減少更慢。在RH 86%和RH 100%條件,低含水率的中黃不同溫度下的水分吸附速率與RH 65%條件類似(圖1B、圖1C)。隨著相對濕度增加,低含水率的中黃初始吸附速率則增大。

圖1 低含水率中黃大豆在不同濕度的吸附速率Fig.1 The adsorption rates of“Zhonghuang” soybean kernels under different RHs注：初始含水率4.33%。

從圖2A看出,在RH 65%條件下,初始含水率5.85%的澄豆20～35 ℃吸附速率均在96 h內(nèi)快速減少;10 ℃吸附速率在120 h內(nèi)緩慢減少。在RH 86%和RH 100%條件,低含水率的澄豆不同溫度下的水分吸附速率與RH 65%條件類似(圖2B、圖2C)。隨著相對濕度增加,低含水率的澄豆初始吸附速率越大。在相同RH下,兩個(gè)初始低含水率的大豆品種在不同溫度的吸附速率變化趨勢是一樣的。

圖2 低含水率澄豆在不同濕度的吸附速率Fig.2 The adsorption rates of“Chengdou” soybean kernels under different RHs注：初始含水率5.85%。

2.3 正常含水率大豆樣品在不同濕度的吸附速率

從圖3A看出,在RH 65%條件下,初始含水率11.74%的中黃大豆10～35 ℃吸附速率隨溫度增加而減少,均在96 h內(nèi)快速減少,之后緩慢減少。在RH 86%條件,20～35 ℃吸附速率在84 h內(nèi)快速減少,而10 ℃吸附速率變化相對滯后。在RH 100%條件,20～35 ℃吸附速率在72 h內(nèi)快速減少,而10 ℃吸附速率在96 h內(nèi)緩慢減少(圖3B、圖3C)。隨著RH增加,正常含水率的中黃初始吸附速率均增加。

圖3 正常含水率中黃大豆在不同濕度的吸附速率Fig.3 The adsorption rates of“Zhonghuang” soybean kernels under different RHs注：初始含水率11.74%。

從圖4A看出,在RH 65%條件下,初始含水率12.65%澄豆10～35 ℃吸附速率均在96 h內(nèi)快速減少,速率較初始含水率11.74%的中黃大豆大。在RH 86%條件下,正常初始含水率的澄豆20～35 ℃水分吸附速率在96 h內(nèi)快速減少,10 ℃水分吸附速率變化相對滯后一些(圖4B)。在RH 100%條件下,正常初始含水率的澄豆在20～35 ℃的吸附速率均在96 h內(nèi)快速減少,10 ℃的水分吸附速率在144 h內(nèi)相對緩慢減少,不同溫度之間的速率值存在差異(圖4C)。

2.4 高含水率大豆樣品在不同濕度的解吸/吸附速率

從圖5A看出,在RH 65%下,初始含水率17.89%中黃大豆在10～35 ℃的解吸速率在72 h內(nèi)顯著減少,之后減少緩慢。尤其是溫度越高,初始解吸速率越大。RH 86%條件下,初始高含水率的中黃30～35 ℃解吸速率較RH 65%的小,25 ℃解吸速率隨時(shí)間變化很小;10、20 ℃的吸附速率明顯分開(圖5B)。在RH 100%條件下,初始含水率17.89%中黃在10～35 ℃的吸附速率在60～72 h內(nèi)顯著減少,之后減少緩慢;尤其是溫度越高,初始吸附速率越大(圖5C)。

從圖6看出,在相同相對濕度下,初始含水率17.58%澄豆水分解吸/吸附速率變化趨勢,類似初始含水率17.89%的中黃大豆。

2.5 大豆樣品在不同溫濕度環(huán)境組合中粒徑和有效水分?jǐn)U散系數(shù)

表2 大豆樣品在不同溫濕度環(huán)境平衡后的粒徑(m)

從表2看出,隨著溫度增加,同一初始含水率的中黃和澄豆粒徑變化不顯著。在同樣溫濕度環(huán)境平衡后,澄豆隨著進(jìn)樣初始含水率的增加而粒徑增加;中黃初始正常含水率的樣品平衡后的粒徑,整體上小于初始低含水率和高含水率的樣品平衡后的粒徑。

圖4 正常含水率澄豆在不同濕度的吸附速率Fig.4 The adsorption rates of“Chengdou” soybean kernels under different RHs注：初始含水率12.65%。

圖5 高含水率中黃大豆在不同濕度的解吸/吸附速率Fig.5 The adsorption rates of“Zhonghuang” soybean kernels under different RHs注：初始含水率17.89%。

表3 大豆樣品的水分有效擴(kuò)散系數(shù)(m2h-1)

圖6 高含水率澄豆在不同濕度的解吸/吸附速率Fig.6 The adsorption rates of“Chengdou” soybean kernels moisture under different RHs注：初始含水率17.58%。

從表3看出,對兩個(gè)大豆品種,隨著溫度增加,整體上籽粒水分?jǐn)U散系數(shù)呈增加趨勢;隨著進(jìn)樣初始含水率的增加,同一大豆品種籽粒水分?jǐn)U散系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。低、正常含水率大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)發(fā)生吸附過程,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.776×10-8～5.253×10-8m2·h-1;高含水率大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)發(fā)生吸附或解吸過程,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為2.153×10-8～1.942×10-7m2·h-1。

2.6 大豆籽粒不同空氣濕度環(huán)境中的活化能

從表4看出,對兩個(gè)大豆品種,在10～35 ℃范圍內(nèi),對相同初始含水率樣品,隨著相對濕度增加,籽粒Arrhenius方程的預(yù)指數(shù)因子和活化能呈現(xiàn)增加趨勢。隨著進(jìn)樣初始含水率的增加,同一大豆品種籽粒Arrhenius方程的預(yù)指數(shù)因子和活化能也呈現(xiàn)增加趨勢。低、正常含水率大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)吸附過程,活化能為10.711～23.358 kJ·mol-1;高含水率大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)吸附或解吸過程,活化能為17.353～53.879 kJ·mol-1。

3 討論

Osborn[7]分析了在溫度(10、25、40 ℃)、濕度(RH 73%、85%)和最初含水率條件下大豆的加濕速率,他們提出的Page修正方程為MR=exp[-(k′t)n],式中n=0.8267,k′隨空氣溫度和濕度從0.008069線性變化到0.191945。本研究提出的修正Page方程MR=a exp[-ktn×exp(-b/θ)],在10～35 ℃、RH 65%～100%條件,兩個(gè)大豆品種n、k exp(-b/θ)值變化范圍對初始含水率4.33%～5.85%分別為0.9417～0.9642和0.016932～0.027834;對初始含水率11.74%～12.66%分別為0.9311～0.9694和0.019352～0.035245;對初始含水率17.58%～17.89%分別為0.9162～0.9271和0.024675～0.057453。k′和k exp(-b/θ)被認(rèn)為表示水分移動(dòng)速率[12]。說明本研究采用靜態(tài)自然調(diào)質(zhì)法研究大豆水分吸附速率,與采用離心小風(fēng)機(jī)加濕大豆(空氣流速0.51 m/s)速率的研究結(jié)果是相似的。靜態(tài)稱重方法測定的糧食平衡水分更適合模擬糧食儲(chǔ)藏情況[15-16]。

Banaszek和Siebenmorgen[17]研究了長?！癗ewbonnet”稻谷在不同溫度(12.5、20、30 ℃)、相對濕度(RH 70%、90%)和初始含水率(9%～15%濕基)下的水分吸附速率,發(fā)現(xiàn)水分吸附速率隨著溫度和RH的增加而增大,隨著初始含水率增大而下降。對所有的初始含水率樣品,在最初的24 h內(nèi),大多數(shù)吸附(約70%)的發(fā)生。此外,溫濕度組合12.5 ℃/RH 90%在人工控制環(huán)境中無法獲得。本研究表明,隨著溫度和RH增加,大豆水分吸附速率均增大。同樣的初始含水率條件,暴露的相對濕度越高,大豆水分吸附速率越大。在RH 65%～100%范圍內(nèi),大豆初始含水率越低,10～35 ℃條件的水分吸附速率則越大。

Sootjarit等[17]采用干燥實(shí)驗(yàn)(50～140 ℃)測定的發(fā)芽稻谷和糙米的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別是1.8036×10-6～2.9484×10-5m2·h-1和2.5884×10-6～4.428×10-5m2·h-1,活化能分別為32.69 kJ·mol-1和32.54 kJ·mol-1;Thakur和Gupta[18]測定的稻谷有效水分?jǐn)U散系數(shù)是1.9116×10-7～2.3904×10-7m2·h-1,活化能28.55～31.50 kJ·mol-1;Thakur和Gupta[19]在另一實(shí)驗(yàn)中測定的稻谷和糙米的有效水分?jǐn)U散系數(shù)分別是9.216×10-8～2.8512×10-7m2·h-1和1.4004×10-7～5.256×10-7m2·h-1,糙米活化能為37.32 kJ·mol-1;Luangmalawat等[20]測定的蒸煮米有效水分?jǐn)U散系數(shù)是2.16×10-8～1.7532×10-4m2·h-1。本研究測定的兩個(gè)大豆品種正常含水率樣品10～35 ℃范圍內(nèi)吸附過程中,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.920×10-8～5.253×10-8m2·h-1,活化能為10.711～23.358 kJ·mol-1。在靜止空氣中,不同含水率大豆樣品在10～35 ℃、RH 65%～100%溫濕度組合,在最初的48 h內(nèi),大多吸附已經(jīng)發(fā)生。在RH 86%,與20～35 ℃比較,正常水分大豆籽粒10 ℃初始吸附速率較低,且隨時(shí)間延長而緩慢減少,這表明在秋冬季,采用低溫高濕空氣進(jìn)行間歇式機(jī)械通風(fēng),糧堆水分不增加,可能解釋了大豆儲(chǔ)藏2年后水分丟失的原因。另外,大豆不同品種之間修正Page方程系數(shù)不一樣,對加濕(吸附)和干燥(解吸)條件反應(yīng)也不一樣,糧粒組成部分水分運(yùn)輸機(jī)制的差異可能影響吸著滯后現(xiàn)象。這個(gè)領(lǐng)域值得深入研究。

4 結(jié)論

4.1 在不同溫度(10～35 ℃)、相對濕度(RH 65%、86%、100%)條件下,大豆水分吸附速率隨著溫度和RH增加均增大。同樣的初始水分條件,暴露的相對濕度越高,大豆的水分吸附速率越大。溫度越高,大豆吸附/解吸速率越大。

4.2 分別在RH 65%、86%、100%條件下,對初始水分低于5.85%的大豆樣品,20～35 ℃的水分吸附速率在96 h內(nèi)急劇減少,而10 ℃水分吸附速率在120～144 h內(nèi)減少緩慢。正常水分的大豆樣品20～35 ℃水分吸附速率均在72 h內(nèi)快速減少,之后變化平緩;而10 ℃水分吸附速率在96 h內(nèi)緩慢減少。初始水分高于17%的大豆樣品吸附速率對20～35 ℃在48 h內(nèi)快速減少,之后變化緩慢;對10 ℃在72 h內(nèi)快速減少,之后變化緩慢。

4.3 隨著溫度增加,大豆籽粒有效水分?jǐn)U散系數(shù)增加;隨著含水率增加,同一大豆品種籽粒有效水分?jǐn)U散系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢。在10～35 ℃范圍內(nèi),對相同初始水分樣品,隨著相對濕度增加,籽粒Arrhenius方程的預(yù)指數(shù)因子和活化能呈現(xiàn)增加趨勢。隨著進(jìn)樣初始水分的增加,同一大豆品種籽粒Arrhenius方程的預(yù)指數(shù)因子和活化能也呈現(xiàn)增加趨勢。低、正常水分大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)發(fā)生吸附,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為1.776×10-8～5.253×10-8m2·h-1,活化能為10.711～23.358 kJ mol-1;高水分大豆在10～35 ℃范圍內(nèi)發(fā)生吸附或解吸,水分有效擴(kuò)散系數(shù)為2.153×10-8～1.942×10-7m2h-1,活化能為17.353～53.879 kJ mol-1。

[1]河南農(nóng)學(xué)院糧油工業(yè)系. 糧油儲(chǔ)藏[M]. 1972:208-209.

[2]夏奇志,任錫洪,蔣美英,等.大豆儲(chǔ)藏品質(zhì)指標(biāo)的研究[J].糧食儲(chǔ)藏,1987,16(1):22-26.

[3]曹毅,崔國華. 大豆安全儲(chǔ)藏技術(shù)概述[J]. 糧食儲(chǔ)藏,2005,34(5):17-23.

[4]Jayas DS. Mathematical modeling of heat,moisture,and gas transfer in stored grain ecosystems[M]//Jayas DS,White ND,Muir WE,eds. Stored Grain Ecosystems. New York NY:Marcel Dekker,1995:527-567.

[5]Jaros M,Cenkowski S,Jayas DS,et al. A method of determination of the diffusion coefficients based on kernel misture content and its temperature[J]. Drying Technology,1992,10(1):213-222.

[6]ASAE standards. S448 DEC93. Thin-layer drying of grains and crops[S]. St. Joseph,Mich:ASAE,1994:482-484.

[7]Osborn GS,White GM,Walton LR. Thin-layer moisture adsorption equation for soybeans[J]. Trans of the ASAE,1991,34(1):201-206.

[8]Li XJ,Cao ZY,Feng QY,et al. Equilibrium moisture content and sorption isosteric heats of five wheat varieties in China[J]. Journal of Stored Products Research,2011,47:39-47.

[9]Haghighi K,Irudayaraj J,Stroshine RL,et al. Grain kernel

drying simulation using the finite element method[J]. Trans of the ASAE,1990,33(6):1957-1965.

[10]Roberts JS,Kidd DR,Padilla-Zakour O. Drying kinetics of grape seeds[J]. J Food Eng,2008,89(4):460-465.

[11]Muthukumarappan K,Gunasekaran S. Finite element simulation of corn moisture adsorption[J]. Trans of the ASAE,1996,39(6):2217-2222.

[12]Sootjarit S,Jittanit W,Phompan S,et al. Moisture sorption behavior and drying kinetics of pre-germinated rough rice and pre-germinated brown rice[J]. Trans of the ASABE,2011,54(1):255-263.

[13]McNeil SG,Henry ZA,Wilhelm LR,et al. Delayed harvest effects on moisture sorption properties of soybeans[J]. Applied Engineering in Agriculture,2001,17(3):329-340.

[14]Crank J. The mathematics of diffusion. Oxford,UK:Oxford University Press. 1975.

[15]Choi BM,Lanning SB,Siebenmorgen TJ. A review of hygroscopic equilibrium studies applied to rice[J]. Trans of the ASABE,2010,53(6):1859-1872.

[16]李興軍,姜平. 稻谷及其加工產(chǎn)品平衡水分研究進(jìn)展[J].糧油食品科技,2014,22(6):100-105.

[17]Banaszek MM,Siebenmorgen TJ. Moisture adsorption rates of rough rice[J]. Trans of the ASAE,1990,33(4):1257-1262.

[18]Luangmalawat P,Prachayawarakorn S,Nathakaranakule A,et al. Effect of temperature on drying characteristics and quality of cooked rice[J]. LWT-Food Sci and Tech,2008,41(10):1934-1943.

[19]Thakur AK,Gupta AK. Two-stage drying of high-moisture paddy with intervening rest period[J]. Journal of Energy Conversion and Management,2006,47(18-19):3069-3083.

[20]Thakur AK,Gupta AK. Water absorption characteristics of paddy,brown rice,and husk soaking[J]. J Food Eng,2006,75(2):252-257.

Study on moisture adsorption rate and effective moisture diffusivity in soybean kernels by gravimetric method

LI Xing-jun1,REN Qiang1,2,ZHANG Lai-lin2,JIANG Ping1

(1.Academy of the State Administration of Grains,Beijing 100037,China;2.College of Grain,Oil and Food,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China)

The soybean samples with low(4.33%～5.85%),normal(11.74%～12.65%),and high(17.58%～17.89%)initial moisture content(IMC)were used to determine the rate of moisture adsorption by gravimetric method at 10,20,25,30,35 ℃ under 65%,86% and 100% RH,respectively. A moisture diffusion equation was modified to fit for the relationship between moisture ratio of samples and exposed time. The soybean was considered as a sphere with radius symmetry,and its effective moisture diffusivity and activated energy was calculated using the method of slope. In the range of RH 65% to 100%,the lower the sample IMC,the higher moisture adsorption rate at temperatures of 10 to 35 ℃,and the moisture adsorption rate of samples were increased with an increase in temperature. Under the same IMC,the moisture sorption rate of samples were increased with an increase in exposed RH. For soybean samples with normal IMC,The moisture desorption rate at 20 to 35 ℃ were quickly deceased within 72 h under three kinds of RHs,but at 10 ℃,the moisture adsorption rate was slowly decreased within 96 h. During the sorption process of 10～35 ℃,the effective moisture diffusivity of two soybean varieties with normal moisture content ranged from 1.920×10-8m2·h-1to 5.253×10-8m2·h-1,the activated energy ranged from 10.711 kJ·mol-1to 23.358 kJ·mol-1. For the samples with similar moisture,their effective moisture diffusivity were increased with an increase in temperature,their activated energy tended to be increased with an increase in relative humidity. For the same soybean variety,its effective moisture diffusivity and activated energy tended to be increased with the raise of initial moisture.

soybean;storage;quality loss;moisture adsorption rate;effective moisture diffusivity;activation energy

2014-12-30

李興軍(1971-)，男，博士，副研究員，研究方向：糧食生化與多糖工程，E-mail:lixingjun888@aliyun.com。

糧食公益性行業(yè)科技專項(xiàng)(201313001-03)。

TS201.1

A

1002-0306(2015)21-0052-08

10.13386/j.issn1002-0306.2015.21.002