粮食水分测定方法与设备

董 娜，李伟航，杨忠宝

（吉林省粮油卫生检验监测站，长春 130033）

粮食水分含量是指粮食试样中水分的质量占试样质量的百分比。粮食籽粒本身生命活动离不开水分的参与，同时粮食的色、气、味及食用品质的保持也与水分息息相关，粮食的含水量在粮食品质评价中，是最基本的项目，它是加工工艺和技术参数选择的必备依据。水分含量过低，粮食重量减少，粮食品质受到影响；水分含量过高，粮食生命活动旺盛，易引起粮食发热、生芽、生虫甚至霉变，不利于粮食的安全储藏，还可能造成巨大的经济损失。此外，在粮食的收购、销售、调拨中，水分含量是质量标准中一项重要的限制性项目，凡高于或低于标准规定的水分指标，要进行扣量、增量处理，为粮食在商业环节中以质论价提供必要依据。因此，粮食水分检测对于粮食的加工生产、安全储藏、质量评估、收购定价等方面都有十分重要的意义[1]。

粮食水分检测根据检测方式的不同分为直接法和间接法两种。直接法是通过干燥或化学方法，直接去除粮食中的水分，从而检测出样品的含水量。间接法是通过与水分有关的物理量(例如物质的电阻率、介电常数、H原子等)的检测，相应地测定出物质的含水量。下面我们依次介绍直接法和间接法中那些具体水分检测方法，以及这些方法的测定原理、应用范围及优缺点等。

1 直接法

直接法测定粮食水分时，因去除粮食中水分的方式不同，常分为干燥法和化学法两类。

1.1 干燥法

1.1.1 电烘箱法

电烘箱法是利用电阻丝加热并根据粮食失重来测量水分的方法。恒重法（101～105℃）、定温定时烘干法（130℃、40 min）、隧道式烘箱法以及测定高含水量粮食水分的两次烘干法皆属于电烘箱法。其中恒重法（101～105℃）最为经典，是 GB 5009.3-2016规定的第一法[2]，主要用于准确度要求较高的水分测量或其他水分测定方法的校准，是粮食部门在粮情检测中常用的水分检测方法，其缺点是耗时长，且只能在实验室操作进行，无法实现在线测量。

1.1.2 减压干燥法

减压干燥法是GB 5009.3-2016中的第二法[2]，其核心仪器是真空干燥箱。利用粮食中水分物理性质，在 40～53 kPa压力下加热至（60±5）℃，利用减压烘干法去除粮食中水分，从而通过烘干前后的称量数值计算样品水分含量。此法压力小、温度低，适合测定高温易氧化分解及水分较多的样品，因此，适用于水分含量较高的粮食及油料水分的测定。

1.1.3 红外干燥法

红外线干燥粮食时，利用辐射传热，以光速直线传播到粮食上，当发射的红外线波长和水的吸收波长相匹配时，引起水分子强烈振动而发热，使得温度升高水分蒸发，温度和加热时间是其主要影响因素，且该法不能在线测量。由于烘箱干燥法操作麻烦且测量时间长，国内外已生产了将红外烘干与天平结合为一体的水分快速测定天平，可在烘干过程中监测被测对象的失水情况。例如：深圳冠亚公司的SFY系列红外线快速水分测定仪（如图1所示）；美国奥豪斯公司的MB系列红外线快速水分仪；日本AND公司的 MS-70、MX-50、MB-50、ML-50 红外水分测定仪；日本岛津公司的moc-120H、moc-63U红外水分测定仪；英国爱德姆公司的PMB53、PMB202红外水分测定仪；德国赛多利斯公司的MA35、MA100水分测定仪（如图2所示）等。应玲红等[3]用MA100快速水分测定仪测定小麦水分，并与直接干燥水分测定法比较，结果表明，两者检测结果无显著性差异，相关系数为 0.9977。

图1 深圳冠亚SFY系列红外线快速水分测定仪

图2 德国赛多利斯MA100水分测定仪

1.1.4 微波干燥法

所谓微波，就是耦合在一起的高频电场和磁场，频率通常在300 MHz～300 GHz。粮食中的水分子是一种极性分子，它的电荷分布是不均匀的，在高频电磁场中会受到与高频电磁场方向有关的力的作用而产生运动，由于微波的频率非常高，电场方向变化非常快，在微波的作用下水分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使粮食温度升高，加速水分蒸发，缩短干燥时间。最具代表性的仪器是美国CEM公司的Smart系列快速微波水分测定仪（如图3所示），可在5 min内测定样品的水分，测定范围在0.01%～99.99%，测定方法符合AOAC标准。

图3 美国CEM的Smart系列快速微波水分测定仪

微波干燥法的主要影响因素为微波功率、粮食密度及介电特性等，该法操作简便，能同时测量多种样品，但由于温层效应和棱角效应的存在，会造成微波的不均匀，从而影响测量精度。该法无法实现在线测量。

1.2 化学法

常见的化学法测定水分的方法有蒸馏法、碳化钙法和卡尔·费休法。蒸馏法是把试样和不溶于水的有机溶剂同时放入蒸馏式水分测定装置中加热，试样中水分和溶剂同时蒸发，蒸汽在冷凝管中冷凝，由水分的体积而得到试样的水分含量。蒸馏法的优点是设备简单、容易操作、热交换充分且受热后发生化学反应较少；缺点是水与有机溶剂易发生乳化交溶、试样中水分挥发不完全以及水分易附在冷凝管壁上而产生误差。

碳化钙法是将试样和碳化钙置于固定容积的密闭容器中，碳化钙与试样中的水发生化学反应，生成的乙炔气体在密闭容器中产生压强，其压强大小与试样中水分子质量成正比，试样的水分含量可通过测定压强换算得出。

卡尔·费休法是由德国科学家发明的一种水分测定方法，也是对水最为专一、最为准确的化学方法，原理是在有机碱和甲醇共存时，碘能与水和二氧化硫发生化学反应，又分为容量法和库伦法两种。其中容量法测定的碘是作为滴定剂加入的，滴定剂中的碘浓度是已知的，根据消耗滴定剂的体积，计算消耗碘的量，从而计算出被测物质水的含量。卡尔费休库伦法是容量法的改进，用碘离子替代碘单质，计量方式由计量试剂体积改为计量电流量，大幅提高了精确度，减少了试剂用量，缩短了反应时间。该法不能进行在线测量。目前常见的卡尔费休水分测定仪有瑞士万通的 831、851、852、870、899、915 系列，上海禾工的AKF系列（如图4所示），日本京都电子的MKC、MKH、MKV系列，日本三菱的 CA系列,此外还有英国Cou-Lo Aquamax卡尔费休库仑法水分测定仪 （如图5所示），它拥有自动误差补偿 A.C.E.（Automatically Compensated Errors）技术，该技术能保证库仑滴定仪所产的电解电流和所显示的计数率总是同步的，不论电解池的电阻如何变化。

图4 上海禾工的AKF系列卡尔费休水分测定仪

图5 英国Cou-Lo Aquamax卡尔费休库仑法水分测定仪

2 间接法

2.1 水浸悬浮法

以往的水分测定均以空气为介质，而水浸悬浮法测水分则以水为介质，利用“阿基米德定律”换算得出样品的水分含量。用快速保水粉碎机将样品粉碎，称量粉碎后的试样（m），将其装入恒质测量皿（m1）中，注水将样品充分浸泡，打压排净空气，将密闭的测量皿完全浸入水中，称量其质量（m2）。根据浮力法原理，样品中水分在水中所受浮力和重力相等（失重），所得质量为样品干物质和测量皿的质量，计算得到样品的水分含量（X），X=100%-k(m2-m1)/m×100%，其中k为换算系数，玉米、小麦为2.8，稻谷及其它粮食品种为2.7。值得注意的一点是，由于操作以水为介质，为保障测定结果准确性，测定中水温与实验室环境温度相差不超过3℃。

该方法是由吉林公主岭人田志和研究发明的，2010年，该方法被列入国家粮食行业推荐性标准，2018年，该方法被纳入国标《玉米》强制性标准中。“水浸悬浮法”测水仪整个测量过程仅需3 min，最大优势是快、准、稳，且无需解冻，高、低水分都可以直接测量，尤其适用于高水分及冷冻状态粮食水分的测定，填补了国内国际冷冻粮食检测空白。

2.2 电容法

不同物质的介电常数不同。常温下，水的介电常数远高于粮食（水为81，粮食约为2～5），由此可见，粮食水分含量大小的变化是引起电容器极间介质电系数变化的主要原因。粮食水分越高，介电系数越大，电容器的电容量越大，通过电容的变化间接测出粮食水分含量。电容式水分测定仪常见的有日本kett的PM-8188-A型谷物水分测定仪 （如图6所示），美国帝强GAC2100、GAC2500高精度谷物快速水分测定仪（如图7所示），法国肖邦Aqua-TR高精度水分容重仪以及瑞典波通AM5200快速谷物水分分析仪。该方法测定样品水分无需粉碎处理，可整粒测试，30 s内显示分析结果，适用于收粮现场和实验室快速检测，但其准确度和重复性稍差。

图6 PM-8188-A型谷物水分测定仪

图7 帝强GAC2100谷物水分测定仪

郭红亮等[4]利用PM-8188谷物水分测定仪测量玉米籽粒含水率，并与标准法相比较，结果表明该快测法与标准法测定结果存在正相关关系；徐飞等[5]采用GAC2100快速水分仪测定大豆水分，并与GB5009.3-2016法相比较，结果表明，两方法测定结果之间有显著差异，两者存在约2%的误差。

2.3 电阻法

电阻法测定粮食水分时，待测粮食被视为一个电阻，在一定范围内，粮食水分高时，导电性增强，电离度增大，电流较大；反之，电流较小。同时，温度的高低会影响粮食电阻的大小，测量时，仪器以20℃为准，现在的电阻式测水仪一般能自动进行温度补偿，常见的有盛测TK-100S数显粮食水分仪、日本kett的Riceter-f粮食水分测定仪（如图8所示）等。电阻式测水仪具有体积小、操作简便、易于携带等优点，但也存在取样要求高、抗干扰能力差等缺点，所以，基于电阻测量原理的创新方法也在不断涌现，如交流阻抗法、复阻抗分离法、脉冲电阻法等。

图8 日本kett的Riceter-f粮食水分测定仪

2.4 近红外法

近红外技术是一种非破坏性、非接触式的实时测量技术。测定粮食水分时，近红外光主要是对含氢基团O－H振动的倍频和合频吸收,频率相同的近红外光线和O－H将发生共振现象，通过水分子偶极矩的变化，光的能量传递给水分子；而当近红外光的频率和水的O－H基团的振动频率不同时，该频率的近红外光就不会被吸收。根据朗伯-比尔定律，通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定待测样品中水分的含量。常见的应用近红外反射技术的有美国帝强INSTALAB600近红外谷物品质分析仪（如图9所示）和瑞典波通DA7200型近红外分析仪 （如图10所示），应用近红外透射技术的有波通9500plus型多功能谷物近红外分析仪和福斯（FOSS）Infratec近红外谷物分析仪。

图9 帝强INSTALAB600近红外谷物品质分析仪

图10 波通DA7200型近红外分析仪

聂煌[6]用波通DA7200型近红外分析仪对江西地区的284份稻谷样品进行水分测定，并与GB 5009.3-2016测得的结果相比较，表明近红外漫反射光谱法可以用于稻谷水分的快速无损检测；李梦依等[7]利用近红外光谱分析技术检测了玉米中水分，并分别得到了玉米在漫反射和透射下的光谱图，结果表明，近红外光谱分析技术检测结果与GB/T 10362－2008中用恒重法测得的玉米水分结果相近；陈香等[8]利用近红外光谱的透射法在 300～1 700 nm对玉米叶片水分含量进行快速检测，结果表明，该方法具有较高的精度。

2.5 微波法

微波是一种高频电磁波，微波透射粮食时会产生衰减及相位改变，这是由粮食中水的介电常数及损耗角正切值决定的，与水相比，粮食中其他物质的介电常数及损耗角正切值几乎可以忽略不计。因此，根据微波高频能量的损耗即可计算粮食中的水分含量。该方法为非接触式、可连续在线检测，被广泛应用于粮食入库、生产加工水分在线检测。常见的仪器有湖南赫西RH2010SF微波水分测定仪（如图11所示）、德国MOSYE粮食在线微波水分测定仪（其工作原理图见图12）以及Aquar-System Ltd.公司的微波粮食水分测定仪。

图11 湖南赫西RH2010SF微波水分测定仪

图12 德国MOSYE粮食在线微波水分测定仪工作原理图

2.6 低场核磁共振法

低场核磁共振技术（LF-NMR）主要是检测样品中的H质子。将样品放入外加磁场中，在一定频率的射频脉冲作用下，样品中的H质子发生共振，H质子吸收射频脉冲能量。当射频脉冲结束之后，H质子会将所吸收的射频能量释放出来，通过核磁共振信号能间接获取样品的含水率。LF-NMR是一种快速无损的检测技术，因其检测速度快、灵敏度高、绿色、无损等优点，近年来被越来越多地应用在粮食水分检测中。仪器以上海纽迈的NMI-20系列核磁共振成像分析仪为代表（如图13所示）。

图13 上海纽迈的NMI-20核磁共振成像分析仪

任广跃等[9]利用低场核磁分析玉米干燥过程中内部水分变化，结果发现核磁共振信号幅值与干基含水率之间存在十分显著的线性关系；陈明等[10]利用低场核磁共振进行活体玉米籽粒水分动态测试与成像，结果表明LF-NMR能反映出不同处理方式及种质材料间的水分变化，易于分析玉米籽粒水分动态变化规律。

2.7 中子法

中子源发射的快中子（能量高），遇到含有水分的粮食时，快中子会同时与 C原子、O原子、H原子等反复碰撞而被散射开来，由于中子质量与H原子质量相近，与H原子碰撞时，快中子能量发生转移变成慢中子（能量低），而与C原子、O原子、H原子等碰撞却不会出现这种现象。产生的慢中子的数量与粮食中H原子的密度成正比，因此可计算出粮食水分含量。中子水分仪能在线检测，检测结果准确可靠，且检测时能实现物料的正常运行和其结构不被破坏。常见的仪器有北京首仪华强公司的ZSY-5型智能中子水分仪（如图14所示）、thermo赛默飞世尔MOLA在线中子水分仪等。

图14 ZSY-5型智能中子水分仪

此外粮食水分测定还有色谱法，但色谱法更适合测定样品中的微量水分，用色谱法测定粮食水分有点“大材小用”了。

3 结论

综上所述，粮食中水分的测定方法多种多样、各有所长，可以根据不同检测方法性能的优劣情况，选择最合适的测定方法，如：测定的准确性和重复性、测定时间长短、操作难易程度及分析成本的高低等。目前仓库粮食储藏期间水分检测主要采取仓内定点扦样、实验室检测的方式，如：恒重法、定温定时干燥法等；收购现场粮食水分测定常采用快速水分测定法，如：电容法、水浸悬浮法等；在粮食出入仓及相关作业时则采用粮食水分在线检测技术，如：微波法、中子法等。选择恰当的检测方法和仪器，能使粮食水分检测事半功倍。