蒸餾法測定稻穀含水率之研究

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蒸餾法測定稻穀含水率之研究

計畫主持人: 陳貽倫 NSC88-2313-B002-094 前言 農會乾燥中心之作業流程為 1)濕 穀過磅 2)取樣測含水率 3)入濕穀暫存 筒 4)乾燥 5)入乾穀暫存筒 6)套袋。農 民對收穫後之稻穀在進穀倉乾燥儲藏 前,需測定含水率以計算價錢,目前農 會所使用的水分測定器屬電子式,可分 為電阻式與電容式兩類,其中電容式大 多用於測定較濕之稻穀,電阻式則大多 用於測定較乾之稻穀,在測定過程中, 農民與農會之間常為了含水率的多寡時 起糾紛,其原因乃在水分測定器本身。 烤箱法常用以檢驗電子式水份測定計的 準確性,就穀物研碎與否,可分為碎粒 與全粒進行兩種方式,研碎後之稻穀置 於熱風烤箱中烘乾一小時,溫度為 130 ℃(AOAC, 1980);由於研碎之稻穀易使 水分蒸發,影響測定準確性,因此亦有 以 整 粒 穀 來 烘 乾 , 唯 所 需 時 間 較 長 (Henderson, 1976; ASAE, 1981)。為講 求時效性和經濟性,電子式水分測定計 遂成為操作主流,但無論是電容式或是 電阻式,其測定值與真實值之間仍有差 距,其差距隨著含水率的增加而擴大 (Hurburgh et al., 1986; Grabe, 1989; 陳 等 , 1991; 陳 等 , 1993; 陳 等 , 1996)。綜觀目前此種類型水分測定器, 雖然測定時間極短,但是對於高濕稻穀 其準確度尚無法滿意被接受,迴歸公式 對同一機型的其它測定計有其儀器誤差 存在。因此本研究希望提供另外一種水 分測定的方法,藉由蒸餾方式,提出一 套較具準確性、重覆性與客觀性三者兼 俱的含水率測定模式,以改善上述的缺 點,並建立出蒸餾程序準則。 蒸餾乃是利用液體間沸點高低的不 同,沸點低的液體先蒸發,本研究所採 用的試驗油為台糖烤酥油,屬於混合物 無固定沸點,高溫下穩定性良好。以油 混合稻穀而言,當穀溫加熱至油溫 100 ℃時,稻穀中的水會先變成水蒸氣蒸發 出去,在其出口處以導管導引其路徑, 並將導管置於冰水容器內,將蒸氣予以 凝結,此時所收集的水即為稻穀內部所 含的水。本研究分成兩階段,第一階段 採用布朗-杜威蒸餾水分計,並以烤箱法 之數據為標準值相互比較,其研究目的 如下: 一、比較蒸餾和烤箱測定法的差異性。 二、建立蒸餾準則。 第二階段則根據第一階段蒸餾的結 果,自行設計蒸餾裝置,依使用目的分 為單筒式和多筒式兩種,依序進行蒸餾 實驗,以評估蒸餾法對於高含水率濕穀 量測的可行性。 材料與方法 一、稻穀樣本 實驗中所採用的稻穀品種為西螺蓬 萊米,屬於 87 年一期作。自冷藏室取出 濕稻穀分成數批,每批重 800g,依不同 比例加水調製,裝於密封塑膠容器並置 於冷藏室內約二週,其間不時予以攪 拌,使其含水率均勻。量測前 12 小時取 出置於室溫中平衡,並不時予以攪拌。

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二、儀器設備 實驗中以電子秤來記錄稻穀重量的 改變和蒸餾得到的水,其機型為 Ohaus GT4100,精度 0.01g。稻穀含水率的測 定分成兩階段,第一階段同時採用二種 現成儀器,其一為恒溫烤箱(Lab-Line 3515 和 PID Maxthermo Mc-2338),溫 度控制±2℃;其二為布朗-杜威蒸餾水 分計(Brown-Duvel Moisture Tester), 其蒸餾方式為將稻穀和試驗油(台糖烤 酥油)置放在一密閉玻璃球型燒杯內,由 底部加熱,並由插入球型燒杯上端的溫 度計控制溫度,燒杯上端有一導管引導 蒸餾出的水蒸汽經由冷凝管冷凝成水, 其 所 使 用 的 油 量 和 穀 物 初 重 分 別 為 150ml 和 50g(Seedburo, 1995)。第二階 段採用自行設計的蒸餾裝置,分為單筒 式與多筒式兩種,單筒式一次只能量測 一個稻穀樣本,多筒式一次可量測十個 稻穀樣本,為使試驗油能夠緩緩進入稻 穀內部混合,以便慢慢蒸發穀粒內部水 分,因此先將定量稻穀置於一端開口的 置物圓筒中,並在圓筒壁或底端鑽小 洞,由於稻穀遇熱時穀體水蒸汽會蒸發 向上,因此在置物圓筒外面加一外套 筒,以引導水蒸氣向上經由導管至冷凝 管冷凝成水,試驗油中並加一熱偶計以 控制油溫。 三、試驗方法 試驗方法分成兩階段進行,第一階 段主要是在試驗蒸餾法的可行性,試驗 中以烤箱法為標準;第二階段則採用自 行設計之蒸餾式水分測定裝置,測定不 同含水率之濕穀水份,並建立一套實用 的使用方法。 (一)第一階段試驗 1.烤箱法 每批濕穀各取濕穀樣本 10g 兩 次置於玻璃皿內,依序加以編號, 並置於烤箱中 96 小時,熱風溫度

100℃( Brooker et al., 1974; Hall, 1980),之後取出稱重記錄,並以此 做標準,藉以比較其他方法。 2.蒸餾法 1).蒸餾瓶內加入油料 150ml,並 取出 50g 稻穀樣本置於蒸餾瓶 內,由室溫開始加熱蒸餾,當 油溫達 200℃時停止加熱,觀 察燒杯中經由蒸餾後凝結的水 滴,若水滴滴入的很慢時停止 收集,此時將燒杯內的水稱重 並記錄。 2).蒸 餾 瓶 內 加 入 室 溫 油 料 150ml,並將油料先行熱至油溫 140℃,此時取出 50g 稻穀樣本 置於蒸餾瓶 內, 開 始加 熱 蒸 餾,當油溫達 200℃時停止加 熱,觀察燒杯中經由蒸餾後凝 結的水滴,若水滴滴入的很慢 時停止收集,此時將燒杯內的 水稱重並記錄。 3.提高初始油溫,試驗所需蒸餾 時間。即蒸餾瓶內加入室溫油 料 150ml,並將油料先行預熱 至某一設定溫度,此時取出 50g 稻穀樣本置於蒸餾瓶內, 開始加熱蒸餾,當油溫達 200 ℃時停止加熱,觀察燒杯中經 由蒸餾後凝結的水滴,若水滴 滴入的很慢時停止收集,此時 將燒杯內的水稱重並記錄。 4.每個步驟重覆兩次取平均。 (二)第二階段試驗 1.烤箱法,方法同上。 2.蒸餾法(自製蒸餾裝置) 利用第一階段蒸餾法所得 的結論,就自製的單筒式和多筒 式蒸餾裝置進行試驗,並比較兩 階段的差異性。 結果與討論

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蒸餾法中初始油溫為室溫時,所需 的蒸餾時間較長,約需 40 至 50 分鐘(視 含水率多寡而定),隨著初始油溫的增 加,所需的蒸餾時間變短,然其所能收 集的水分也變少,經過試驗發現,當初 始油溫為 140℃時,所需的蒸餾時間僅 需 10 至 20 分鐘,而含水率的差異與初 始 油 溫 為 室 溫 時 相 比 , 在 烤 箱 法 為 24.5% w.b.以下時,差異很小,隨著烤 箱法含水率增加,兩者之間差值增加, 然差距不大,以烤箱法 30.8% w.b.而 言,兩者之間差 1.6%;就初始油溫為 140 ℃的試驗結果發現一簡單的估計準則, 即在烤箱法的值高於 20% w.b.時,其測 量值比烤箱法的值低約 3%,換言之,只 要將初始油溫為 140℃下蒸餾所得的含 水率加上 3% 即為約略正確的含水率。 依此準則,再調製三種高含水率的值做 驗證,烤箱法所測得的值為 35.6、35.8 和 36.0% w.b.w.b.,蒸餾法(初始油溫 140℃)所得的值分別為 32.42、32.88 和 33.33%,兩者之間頗能符合估計準 則。 第二階段自製單筒式蒸餾裝置中, 使用油量約 900ml,為使所收集的水分 重與濕基含水率同大小,因此取用的濕 穀重恰為 100 公克,初始油溫由 140℃ 試驗起,所需蒸餾時間約 35 至 45 分鐘, 當初始油溫升至 180℃時,所需蒸餾時 間減少為 20 至 30 分鐘,且在該溫度下 所收集的含水率與 140℃時相比差異 1% 以內,另以初始油溫 180℃、穀重 100 公克和蒸餾時間 30 分鐘進行試驗,其結 果與烤箱法的比較如表 3 所示。由表中 可知,在含水率大於 20% w.b.時,兩者 之間不只相差 3%,有些甚至相差 4%,分 析此原因為上述裝置有瑕疵,部份水氣 蒸發流失在外界空氣中無法收集。 為改善此一缺點並增加其測定速度 能量,在自製多筒式蒸餾裝置中,設計 為一次可同時放置十個樣本進行測量, 並在置物圓筒壁上端鑽一小孔,在控制 油量高度下,使油能緩緩注入孔內部, 而使水氣能從上端導管進入冷凝以便收 集;由於此次用油相當多,約 24 公升, 初始油溫 180℃時所需蒸餾時間約 25 至 35 分鐘,為縮短蒸餾時間,改以初始油 溫 190℃、穀重 50 公克和蒸餾時間 20 分鐘進行試驗,其結果與烤箱法的比較 如表 4 所示,此結果顯示,在含水率 20% w.b.以上,兩者之間可適用先前所建立 的 估 計 準 則 , 即 將 初 始 油 溫 預 熱 至 140 190℃,蒸餾時間二十分鐘,則蒸餾 所得的含水率加上 3% 即為約略正確的 含水率,此方法適用於以烤箱法所測得 含水率大於 20% w.b.的稻穀。 計畫成果自評 稻穀含水率測定的準確性對農民與 農會之間的交易計算、品質管制和安全 儲藏等均有重要的影響。蒸餾法提供測 定稻穀含水率另一可行的選擇,所需的 時間介乎電子式與烤箱法兩者之間,視 初始油溫與機型而定,所需之測定時間 在 10 至 40 分鐘之間;預熱蒸餾法中的 油溫,可減少測定時間,藉著適當的初 始油溫和蒸餾時間控制,可有效收集蒸 餾得到的水份。 參考文獻 1. 陳加忠、曹之祖、陳麗娥。1991。稻 穀水份計性能之測定與應用限制。中華 農業研究 40(4): 445-458。 2. 陳加忠、曹之祖。1993。電子式穀物 測定之性能研究。中華農業研究 42(4):430 445。 3. 陳加忠、曹之祖、雷鵬魁。1996。應 用電容式水份計量測濕穀含水率之研 究。 農業工程學報 42(2):79-88。

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5. Henderson, S. M. 1976. Agricultural process engineering, 3rd edition. The AVI Publishing Co. ,Conencticut.

6. American Society of Agricultural Engineers. 1981. Agricultural engineers yearbook 1981-1982. American Society of Agricultural Engineers, Michigan. 7. Hurburgh, C. R. Jr., L. N. Paynter, S. G. Schmit and C. J. Bern. 1986. Performance of farm-type moisture meters. Transactions of the ASAE 29: 1118-1123. 8. Grabe, D. F. 1989. Measurement of

seed moisture. P.69-92. In Seed Moisture. CSSA Special Publication No. 14. Crop Science Society of American, Madison WI. USA.

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