国内外粮食水分检测技术发展概况

靳晓燕 孙士明 赵丽平 于晓波 庞爱国

摘 要：测试粮食水分含量对粮食水分研究至关重要。介绍了国内外粮食水分检测技术发展现状及主要代表产品，系统分析了国内外主要粮食水分检测技术原理、测量特性。旨在为从事粮食水分研究和粮食收获、收购、烘干、储藏、加工等各环节工作人员提供依据。

关键词：粮食水分；检测技术；发展概况

中图分类号：TS2107 文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.10.002

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD070030103），现代农业产业技术体系专项（（CARS-02-27）

作者简介：靳晓燕 （1968-），女，高级工程师，从事农业机械研究工作，E-mail：jinxiaoyanok@126.com。

1 粮食水分检测的重要意义

粮食中的水分按物理性质分为游离水（自由水）和结合水（结晶水）[1]。游离水与结合水有着很大的区别，游离水指的是凝聚在粮食颗粒内部的毛细管内和分子间隙中的水分，是物理作用吸附形成的。粮食水分就是指游离水的含量，粮食水分检测就是检测粮食的游离水。粮食水分含量达到14%以上时，游离水开始出现，粮食变的不稳定，易引起粮堆发热、粮食霉变，滋生细菌和害虫，对粮食的品质有着极大的影响。结合水是吸附在粮食细胞内或粮食分子结构中的分子，是通过化学作用形成的，和通常说的粮食水分含量检测无关。粮食水分含量高低，对粮食收获质量有较大影响。玉米含水率在25%以下时，进行籽粒收获破碎率较低[2]。粮食在收购过程中，评价粮食品质的一个重要指标是粮食的含水量，划分粮食等级和对粮食进行定价的主要依据也是粮食的含水量。为了保证粮食安全储藏，需要对粮食进行烘干。水分测量是粮食烘干过程中一个重要的工艺参数，只有测定出粮食的含水量，才能确定粮食烘干的时间和粮食烘干强度。粮食水分含量高低，对粮食加工质量有较大影响，严重影响粮食破碎率指标。因此，研制生产出方便、快捷、耐用、穩定、精准、适合于不同条件的粮食水分测定仪，精确检测粮食水分含量对从事粮食水分研究和粮食收获、收购、烘干、储藏、加工等各环节至关重要。

2 粮食水分检测技术现状

测定粮食含水量的方法很多，各不相同。根据测量原理的不同，粮食水分测试方法有20多种，主要是烘箱干燥法、氯素灯干燥法、红外加热干燥法、微波加热干燥法、105 ℃恒重法、定温定时烘干法、双烘法、隧道式烘箱法、快速失重法、减压干燥法，高周波法、介电损失角法、复阻抗分离电容法、高频阻抗法、摩擦阻抗法、声学法、核磁共振法、射线法、中子式水分测定仪、微波吸收法、直流电阻法、电容法、甲苯蒸馏法、压力法、卡尔·费休法等。

不同的粮食含水量测定方法，因原理、结构、价格等的不同，应用到不同的场合。可以根据使用情况、结果要求程度、测定所需时间、分析时所需成本等来选择测定方法。如需要较精确地测定水分，在化验室用国标方法进行测定，粮食水分测量标准方法主要是烘干法，是我国及国外粮食质量标准中测定水分含量的标准方法，也是多年来我国主要使用的粮食水分含量测定方法。电测法，近年来各地研制了不少型号的电阻式、电容式水分测定仪，分别在各个地区粮食收购中应用，能够较准确地测定各种粮食的水分含量，以及应用于不同地区、不同品种粮食等测定，但还有许多问题需要解决。微波法作为水分非破坏测定方法，已经被应用于粮食检测分析中，美国、德国等国家，都已经研制先进的微波测定水分方法，测量结果稳定、精确。

3 国内外主要粮食水分测定仪原理及代表产品

虽然测定粮食水分方法较多，比较常用的主要有以下几种粮食水分仪。

3.1 干燥法

干燥法是粮食水分分析方法中的物理分析法，干燥法水分测定仪主要采用了干燥减重法原理，通过加热装置快速加热粮食的样品，使样品的水分在最短时间之内完全蒸发，这样就能快速检测出粮食的含水率。粮食水分干燥检测法的优点是：检测样品需要的时间短，操作简单，而且也避免了人为因素对测量结果产生的误差。目前，国内外比较常用的干燥法原理的粮食水分测定仪有：卤素水分测定仪和红外水分测定仪。

3.1.1 卤素水分测定仪

卤素水份测定仪是近年来发展起来的一种新型粮食水分检测仪器。卤素水分测定仪采用的是卤素加热方式，用卤素加热灯做为加热的热源。与机械式产品相比，它的优点：一是快速检测样品的水分含量，几分钟就能完成样品测定，大大提高工作效率。二是卤素加热灯含有惰性气体，使用寿命比较长，热量值比较大，能快速均匀地干燥样品。三是卤素加热灯为特质环形设计，测试样品加热的时候，样品均匀受热，样品测试之后无任何变化，有更好的稳定性。四是采用快速灵敏特性的称重传感器，使得非常少的样品在高精度的电子天平传感器下，都能得到非常精确的含水率测定，获得准确的水分测定结果。

代表产品有：深圳冠亚水分仪公司生产的SFY-77LS，上海生产的MS-200，江苏生产的XY-1000， 浙江生产的WN100MW，上海佳实科技有限公司生产的DH-190，瑞士普利赛斯公司XM60系列卤素水分仪、日本AND公司生产的MF-50系列水分测定仪，美国奥豪斯公司生产的MB45系列卤素水分仪，瑞士梅特勒集团生产的HS系列水分测定仪。

3.1.2 红外水分测定仪

红外水分测定仪是一种新型快速水分检测仪器，采用红外线的加热方式，加热源为红外线加热灯。可以根据样品特性设定最适当的加热、干燥条件，采用不同的方法对环境温度进行补偿。红外水分测定仪工作原理是由红外加热装置和水分蒸发装置完成样品快速干燥，并进行实时样品重量测量，根据干燥前后的质量差，计算出样品的水分含量。红外水分测定仪优点是：在干燥过程中，能持续测量样品水分含量，能够实时显示样品水分含量的丢失，特别适用于在线监测。红外水分测定仪缺点是：球面体的红外线加热装置会形成一个聚光点，检测后在样品的中间位置造成颜色上的轻微变化，对测试结果没有影响。

代表产品有：美国丹佛公司1R-120专业水分测定仪，红外金属板加石英反射板。德国赛格利斯生产的MA37系列红外水分测定仪、日本KettFD-800红外水分测定仪、德国Saitorius公司生产的红外水分测定仪、日本岛津生产MOC-120H红外水分测定仪。

3.2 电测法

电测法是比较传统的水分测定方法，根据测量原理不同，分为电容式水分测定仪和电阻式水分测定仪。

3.2.1 电容式水分仪

电容式粮食水分测定仪属于非接触检测，其基本结构是采用同轴圆筒型电容传感器，当粮食样品均匀加入到电容传感器两极板间的介质空腔后，电容传感器介质的相对介电常数随着粮食水分不同发生改变，随着相对介电常数的变化，电容传感器的电容量会随着发生改变，即引起了电容值变化，当粮食以一定的速度通过电容传感器时，可以通过测量圆筒内外壁之间电容的变化量，间接测出粮食的含水量[3]。

电容式粮食水分测定仪的优点：一是结构简单，易维护，成本低，简便经济，可靠性高，应用较广。二是可检测高含水量，适应性强。三是容易完成连续快速测量，特别适合用于难度大的在线检测。电容式粮食水分测定仪缺点是存在易受粮食产地、品种、温度、储存期等较多因素影响，数据比较复杂。

代表产品有：江苏的LDS-1G电容式水分测定仪、日本Kett公司的PM8188系列水分仪，美国帝强GAC型高精度谷物水分仪、荷兰Farmcomp公司生产 wile651粮食水分仪。

3.2.2 电阻式水分仪

电阻式粮食水分仪是应用欧姆定律电阻法来测量粮食水分含量。被检测粮食象一个电阻一样，水分高时，电阻小，水分低时，电阻大，通过检测粮食电阻大小就能检测出粮食的水分值。这种方法能直接以非电量的电测方法检测样品水分含量，满足了现代生产对速度和连续化的要求，是一种更加高效的水分测量方法，克服了传统的直接水分测量法周期长的缺点，现代生产中应用的范围比较广泛。

电阻式粮食水分仪优点是结构简单、成本低、品种多，易于实现连续快速高效测量。缺点是易受检测粮食样品的品种、温度、坚实度等因素影响，测量精度不高，检测结果偏差大，抗干扰能力弱，稳定性差，需要通过对相应参数进行补偿修正，才能得到精确的粮食样品水分检测结果。

代表产品有：辽宁的CTR-500ES、日本Kett公司的PT-2703电阻式在线水分测定仪。

3.3 卡尔·费休水分测定仪

卡尔·费休法水分测定仪是化学水分仪中的代表产品，分为容量法和库伦法两大类，都需要用水分标准物质进行标定。卡尔·费休法已被ISO、BS、DIN、JIS和ASTM等很多国际标准公认为准确性最高的方法。许多国家将其做为水分测定标准方法。基本原理是：将甲醇和吡啶共同存放，水与碘和亚硫酸发生定量反应，在进行反应的过程中，碘将二氧化硫氧化为三氧化硫，同时需要有相应量的水才能完成反应，根据碘和水的相应关系，通过检测碘的消耗量来换算出粮食样品水分的含量，是一种科学经典的水分测定方法。卡尔·费休法水分测定方法优点是需要的粮食样品量少，检测精度很高，可校正其他测定方法，能够用于微量水分的测量，应用十分广泛。缺点是安装麻烦，电路复杂，试剂成本很昂贵，试剂有时存在测量误差。

代表产品有：日本京都电子公司的MKS-500型粮食水分测定仪和德国TitroLine公司的粮食水分测定仪。

3.4 高周波法

高周波是指频率大于100 kHz的电磁波，具有较强的穿透性。其基本原理是：高周波水分测定仪器设定了固有频率，不同粮食样品接触测定仪时由于含水量不同，测定仪内通过传感器传送的频率就不同，两频率之差由频率电流转换器转换成电流，电流再由模数转换器转换成可显示数字，完成粮食水分检测。高周波水分测定仪为接触式测量仪器，测量前提是仪器的长针探头尽量要与被测量物体充分接触。在使用高周波水分测定仪器进行粮食水分测量时，要注意周围是否有金属等感应物，金属等感应物会导致测量不准确。因此，测量时仪器探头周围不应有金属物或其他感应物。高周波水分测定仪具有测试时间短、操作方便、精度高、重量轻、可随身携带等优点。

代表产品有：北京FD-E型便携式数字粮食水分仪、北京公司生产的HK-90水分仪、MHY-10649水分仪、江苏生产的VM-220水分仪、德国testo公司的606-2水分仪。

3.5 微波法

微波也是高频电磁波，微波法检测粮食样品水分含量的基本原理是：利用微波能够穿透非导电性物料的特性，让微波透过粮食样品，从而引起电磁场共振，损耗一部分微波能量，微波损耗的能量大小与粮食样品含水率高低呈现正相关，损耗后的微波能量到达粮食样品的另一边。水在吸收了微波能量的同时也反射了微波能量，用其中的一种即可测出粮食样品的微波能量损耗，通过计算粮食样品的微波吸收量和一些几何参数，能够换算出粮食含水率。

微波法的优点是安全、不损坏物料、非接触测量，灵敏度高、速度快、可在线连续测量，测量信号易于联机和可视化。缺点是易受品种、物料、形状和密度等主要因素影响[4]，引起驻波干扰，不同品种需单独标定、检测下限不够低。

代表产品有：珠海MC-7825G粮食水分测定仪、日本的SK-300及SK-200，德国RGI在线微波水分仪。德国coliy公司的MH300手持式水分仪是微波水分测量的最新技术，目前世界上最先进的测量含水量的产品，2014年推出。德国MOSYE公司的Ms-a-101在线水分仪，德国最新的在线水分仪。

参考文献：

[1] 单成祥.传感器的理论与设计基础及应用[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2] 孙士明，靳晓燕，韩宏宇，等.黑龙江省玉米生产机械化现状及发展建议[J].农机化研究，2015（5）：1-6.

[3] 周显青，赵希雷，张亚荣，等.谷物水分检测技术现状与展望[J].粮食加工，2015（4）：29.

[4] 陳斌，黄星奕.食品与农产品品质无损检测新技术[M].北京：化学工业出版社，2004.

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