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。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
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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