國內外糧食水分檢測技術發展概況

靳曉燕 孫士明 趙麗平 于曉波 龐愛國

摘 要：測試糧食水分含量對糧食水分研究至關重要。介紹了國內外糧食水分檢測技術發展現狀及主要代表產品，系統分析了國內外主要糧食水分檢測技術原理、測量特性。旨在為從事糧食水分研究和糧食收獲、收購、烘干、儲藏、加工等各環節工作人員提供依據。

關鍵詞：糧食水分；檢測技術；發展概況

中圖分類號：TS2107 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.002

基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFD070030103），現代農業產業技術體系專項（（CARS-02-27）

作者簡介：靳曉燕 （1968-），女，高級工程師，從事農業機械研究工作，E-mail：jinxiaoyanok@126.com。

1 糧食水分檢測的重要意義

糧食中的水分按物理性質分為游離水（自由水）和結合水（結晶水）[1]。游離水與結合水有著很大的區別，游離水指的是凝聚在糧食顆粒內部的毛細管內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，糧食水分檢測就是檢測糧食的游離水。糧食水分含量達到14%以上時，游離水開始出現，糧食變的不穩定，易引起糧堆發熱、糧食霉變，滋生細菌和害蟲，對糧食的品質有著極大的影響。結合水是吸附在糧食細胞內或糧食分子結構中的分子，是通過化學作用形成的，和通常說的糧食水分含量檢測無關。糧食水分含量高低，對糧食收獲質量有較大影響。玉米含水率在25%以下時，進行籽粒收獲破碎率較低[2]。糧食在收購過程中，評價糧食品質的一個重要指標是糧食的含水量，劃分糧食等級和對糧食進行定價的主要依據也是糧食的含水量。為了保證糧食安全儲藏，需要對糧食進行烘干。水分測量是糧食烘干過程中一個重要的工藝參數，只有測定出糧食的含水量，才能確定糧食烘干的時間和糧食烘干強度。糧食水分含量高低，對糧食加工質量有較大影響，嚴重影響糧食破碎率指標。因此，研制生產出方便、快捷、耐用、穩定、精準、適合于不同條件的糧食水分測定儀，精確檢測糧食水分含量對從事糧食水分研究和糧食收獲、收購、烘干、儲藏、加工等各環節至關重要。

2 糧食水分檢測技術現狀

測定糧食含水量的方法很多，各不相同。根據測量原理的不同，糧食水分測試方法有20多種，主要是烘箱干燥法、氯素燈干燥法、紅外加熱干燥法、微波加熱干燥法、105 ℃恒重法、定溫定時烘干法、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、復阻抗分離電容法、高頻阻抗法、摩擦阻抗法、聲學法、核磁共振法、射線法、中子式水分測定儀、微波吸收法、直流電阻法、電容法、甲苯蒸餾法、壓力法、卡爾·費休法等。

不同的糧食含水量測定方法，因原理、結構、價格等的不同，應用到不同的場合。可以根據使用情況、結果要求程度、測定所需時間、分析時所需成本等來選擇測定方法。如需要較精確地測定水分，在化驗室用國標方法進行測定，糧食水分測量標準方法主要是烘干法，是我國及國外糧食質量標準中測定水分含量的標準方法，也是多年來我國主要使用的糧食水分含量測定方法。電測法，近年來各地研制了不少型號的電阻式、電容式水分測定儀，分別在各個地區糧食收購中應用，能夠較準確地測定各種糧食的水分含量，以及應用于不同地區、不同品種糧食等測定，但還有許多問題需要解決。微波法作為水分非破壞測定方法，已經被應用于糧食檢測分析中，美國、德國等國家，都已經研制先進的微波測定水分方法，測量結果穩定、精確。

3 國內外主要糧食水分測定儀原理及代表產品

雖然測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間之內完全蒸發，這樣就能快速檢測出糧食的含水率。糧食水分干燥檢測法的優點是：檢測樣品需要的時間短，操作簡單，而且也避免了人為因素對測量結果產生的誤差。目前，國內外比較常用的干燥法原理的糧食水分測定儀有：鹵素水分測定儀和紅外水分測定儀。

3.1.1 鹵素水分測定儀

鹵素水份測定儀是近年來發展起來的一種新型糧食水分檢測儀器。鹵素水分測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。與機械式產品相比，它的優點：一是快速檢測樣品的水分含量，幾分鐘就能完成樣品測定，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，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環形設計，測試樣品加熱的時候，樣品均勻受熱，樣品測試之后無任何變化，有更好的穩定性。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定，獲得準確的水分測定結果。

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

3.1.2 紅外水分測定儀

紅外水分測定儀是一種新型快速水分檢測儀器，采用紅外線的加熱方式，加熱源為紅外線加熱燈?？梢愿鶕悠诽匦栽O定最適當的加熱、干燥條件，采用不同的方法對環境溫度進行補償。紅外水分測定儀工作原理是由紅外加熱裝置和水分蒸發裝置完成樣品快速干燥，并進行實時樣品重量測量，根據干燥前后的質量差，計算出樣品的水分含量。紅外水分測定儀優點是：在干燥過程中，能持續測量樣品水分含量，能夠實時顯示樣品水分含量的丟失，特別適用于在線監測。紅外水分測定儀缺點是：球面體的紅外線加熱裝置會形成一個聚光點，檢測后在樣品的中間位置造成顏色上的輕微變化，對測試結果沒有影響。

代表產品有：美國丹佛公司1R-120專業水分測定儀，紅外金屬板加石英反射板。德國賽格利斯生產的MA37系列紅外水分測定儀、日本KettFD-800紅外水分測定儀、德國Saitorius公司生產的紅外水分測定儀、日本島津生產MOC-120H紅外水分測定儀。

3.2 電測法

電測法是比較傳統的水分測定方法，根據測量原理不同，分為電容式水分測定儀和電阻式水分測定儀。

3.2.1 電容式水分儀

電容式糧食水分測定儀屬于非接觸檢測，其基本結構是采用同軸圓筒型電容傳感器，當糧食樣品均勻加入到電容傳感器兩極板間的介質空腔后，電容傳感器介質的相對介電常數隨著糧食水分不同發生改變，隨著相對介電常數的變化，電容傳感器的電容量會隨著發生改變，即引起了電容值變化，當糧食以一定的速度通過電容傳感器時，可以通過測量圓筒內外壁之間電容的變化量，間接測出糧食的含水量[3]。

電容式糧食水分測定儀的優點：一是結構簡單，易維護，成本低，簡便經濟，可靠性高，應用較廣。二是可檢測高含水量，適應性強。三是容易完成連續快速測量，特別適合用于難度大的在線檢測。電容式糧食水分測定儀缺點是存在易受糧食產地、品種、溫度、儲存期等較多因素影響，數據比較復雜。

代表產品有：江蘇的LDS-1G電容式水分測定儀、日本Kett公司的PM8188系列水分儀，美國帝強GAC型高精度谷物水分儀、荷蘭Farmcomp公司生產 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用歐姆定律電阻法來測量糧食水分含量。被檢測糧食象一個電阻一樣，水分高時，電阻小，水分低時，電阻大，通過檢測糧食電阻大小就能檢測出糧食的水分值。這種方法能直接以非電量的電測方法檢測樣品水分含量，滿足了現代生產對速度和連續化的要求，是一種更加高效的水分測量方法，克服了傳統的直接水分測量法周期長的缺點，現代生產中應用的范圍比較廣泛。

電阻式糧食水分儀優點是結構簡單、成本低、品種多，易于實現連續快速高效測量。缺點是易受檢測糧食樣品的品種、溫度、堅實度等因素影響，測量精度不高，檢測結果偏差大，抗干擾能力弱，穩定性差，需要通過對相應參數進行補償修正，才能得到精確的糧食樣品水分檢測結果。

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

3.3 卡爾·費休水分測定儀

卡爾·費休法水分測定儀是化學水分儀中的代表產品，分為容量法和庫倫法兩大類，都需要用水分標準物質進行標定。卡爾·費休法已被ISO、BS、DIN、JIS和ASTM等很多國際標準公認為準確性最高的方法。許多國家將其做為水分測定標準方法?；驹硎牵簩⒓状己瓦拎す餐娣?，水與碘和亞硫酸發生定量反應，在進行反應的過程中，碘將二氧化硫氧化為三氧化硫，同時需要有相應量的水才能完成反應，根據碘和水的相應關系，通過檢測碘的消耗量來換算出糧食樣品水分的含量，是一種科學經典的水分測定方法?？枴べM休法水分測定方法優點是需要的糧食樣品量少，檢測精度很高，可校正其他測定方法，能夠用于微量水分的測量，應用十分廣泛。缺點是安裝麻煩，電路復雜，試劑成本很昂貴，試劑有時存在測量誤差。

代表產品有：日本京都電子公司的MKS-500型糧食水分測定儀和德國TitroLine公司的糧食水分測定儀。

3.4 高周波法

高周波是指頻率大于100 kHz的電磁波，具有較強的穿透性。其基本原理是：高周波水分測定儀器設定了固有頻率，不同糧食樣品接觸測定儀時由于含水量不同，測定儀內通過傳感器傳送的頻率就不同，兩頻率之差由頻率電流轉換器轉換成電流，電流再由模數轉換器轉換成可顯示數字，完成糧食水分檢測。高周波水分測定儀為接觸式測量儀器，測量前提是儀器的長針探頭盡量要與被測量物體充分接觸。在使用高周波水分測定儀器進行糧食水分測量時，要注意周圍是否有金屬等感應物，金屬等感應物會導致測量不準確。因此，測量時儀器探頭周圍不應有金屬物或其他感應物。高周波水分測定儀具有測試時間短、操作方便、精度高、重量輕、可隨身攜帶等優點。

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

3.5 微波法

微波也是高頻電磁波，微波法檢測糧食樣品水分含量的基本原理是：利用微波能夠穿透非導電性物料的特性，讓微波透過糧食樣品，從而引起電磁場共振，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正相關，損耗后的微波能量到達糧食樣品的另一邊。水在吸收了微波能量的同時也反射了微波能量，用其中的一種即可測出糧食樣品的微波能量損耗，通過計算糧食樣品的微波吸收量和一些幾何參數，能夠換算出糧食含水率。

微波法的優點是安全、不損壞物料、非接觸測量，靈敏度高、速度快、可在線連續測量，測量信號易于聯機和可視化。缺點是易受品種、物料、形狀和密度等主要因素影響[4]，引起駐波干擾，不同品種需單獨標定、檢測下限不夠低。

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

參考文獻：

[1] 單成祥.傳感器的理論與設計基礎及應用[M].北京：國防工業出版社，1999.

[2] 孫士明，靳曉燕，韓宏宇，等.黑龍江省玉米生產機械化現狀及發展建議[J].農機化研究，2015（5）：1-6.

[3] 周顯青，趙希雷，張亞榮，等.谷物水分檢測技術現狀與展望[J].糧食加工，2015（4）：29.

[4] 陳斌，黃星奕.食品與農產品品質無損檢測新技術[M].北京：化學工業出版社，2004.

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