糧食顆粒力學(xué)特性與其破碎關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展

1、糧食顆粒力學(xué)特性與其破碎關(guān)聯(lián)性研究進(jìn)展崔帆田勇曹憲周（河南工業(yè)大學(xué)，鄭州450001）摘要：摘要：文章闡述了糧食受外載荷作用后所反映的力學(xué)特征及反映化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)的理化品質(zhì)兩方面特性與糧食破碎之間的關(guān)聯(lián)性。指出了研究糧食不同特性與糧食破碎關(guān)聯(lián)性之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)論。對(duì)研究糧食的破碎與力學(xué)特性有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：糧食力學(xué)特性；糧食理化特性；破碎；關(guān)聯(lián)性中國(guó)分類號(hào)：S220.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：糧食顆粒破碎一直是

2、糧食加工與儲(chǔ)運(yùn)研究者所關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工局局長(zhǎng)張?zhí)熳粼凇?012農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展論壇暨第三屆中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)投融資峰會(huì)上”表示“我國(guó)糧食每年產(chǎn)后損失率超過(guò)8%，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年糧食的損失量高達(dá)500億斤。”糧食顆粒的破碎不僅造成糧食的巨大浪費(fèi)，而且為其輸送、儲(chǔ)藏、生產(chǎn)等帶來(lái)一系列的問(wèn)題。糧食在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏、加工過(guò)程中，導(dǎo)致糧食破碎的因素較多，諸如其力學(xué)特性（粉質(zhì)結(jié)構(gòu)、水分、彈性模量等）、溫度、速度、受力性質(zhì)等因素。而這些因素在不

3、同工況條件下，對(duì)不同糧食或同一品種糧食會(huì)產(chǎn)生不同的破碎影響。因此，本文通過(guò)分析歸納糧食力學(xué)特性與其加工品質(zhì)關(guān)系、糧食理化特性與其加工品質(zhì)的關(guān)系，通過(guò)研究前所述與糧食顆粒破碎之間的關(guān)聯(lián)性，分析糧食其破碎原因，以此給從事糧食科學(xué)研究及糧食加工人員提供一定的實(shí)驗(yàn)及理論分析方法。1糧食力學(xué)特性與其加工品質(zhì)關(guān)系糧食力學(xué)特性是指在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷（碰撞、拉伸、壓縮、彎曲等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。包括拉壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等指標(biāo)。1

4、.1糧食力學(xué)特性1.1.1壓應(yīng)力張洪霞等[1]利用WDW5微機(jī)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用機(jī)械式連續(xù)加載方式對(duì)大米籽粒進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)樣品采用懇93341、農(nóng)99d004、富士光、東農(nóng)416等含水率為14.5%（濕基）的糙米。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，作者將數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab處理后得到力位移曲線，測(cè)定了不同種類大米籽粒的幾種常規(guī)力學(xué)性質(zhì)，彈性模量，破壞能，破壞力以及破壞應(yīng)力，并通過(guò)方差分析說(shuō)明了不同品種的大米的彈性模量、破壞能、破壞力存在顯著差異，而破壞

5、應(yīng)力差異性不顯著，為稻谷運(yùn)輸、貯藏、干燥、加工等提供一定的參考依據(jù)。李心平等[2]為降低玉米種子在脫粒過(guò)程中的機(jī)械損傷，利用LDS微機(jī)控制電子拉壓試驗(yàn)機(jī)上分別對(duì)農(nóng)大108、富油1號(hào)和東單1號(hào)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了立放、側(cè)放、平放三種放置方式的靜態(tài)壓縮試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大破裂力與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)，在同一品種同一含水率下，平放、側(cè)放、立放時(shí)的最大破碎力依次減小，在統(tǒng)一放置方式下，不同品種的玉米種子承壓能力不同，不同放置方式下，不同受壓面生成裂

6、紋的形狀、部位和規(guī)律不同。1.1.2彎曲應(yīng)力李毅念等[3]利用TMSPRO質(zhì)構(gòu)儀對(duì)寧粳3號(hào)、武育粳和鎮(zhèn)稻8號(hào)3個(gè)糙米品種進(jìn)行三點(diǎn)彎曲破碎力學(xué)性能試驗(yàn)，以糙米籽粒的腹部、背部作為承壓面進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明籽粒腹部、背部的三點(diǎn)彎曲破碎力的分布以及力學(xué)性能存在一定的差異，其腹部彎曲破碎力多基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC1600601），國(guó)家糧食局糧食公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（20141300701）收稿日期：20180502作者簡(jiǎn)介：崔帆

7、，男，1995年出生，碩士研究生，糧食機(jī)械通訊作者：曹憲周，男，1963年出生，教授，糧油食品機(jī)械靜壓破損特性和硬度產(chǎn)生顯著影響。并且指出由于玉米籽粒側(cè)面含有大量角質(zhì)型胚乳，因此玉米籽粒側(cè)面的機(jī)械強(qiáng)度更高。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，角質(zhì)胚乳的硬度明顯高于粉質(zhì)胚乳和胚，粉質(zhì)胚乳的硬度高于胚，所以角質(zhì)型胚乳在籽粒硬度方面起重要作用。2.1.2糧食直鏈淀粉對(duì)力學(xué)特性的影響研究表明[14~15]，完整精米率與直鏈淀粉含量密切相關(guān)。稻米的壓縮特性、剪切應(yīng)力、

8、彎曲應(yīng)力、硬度等理化指標(biāo)隨直鏈淀粉含量的增加而增大。2.1.3堊白籽粒堊白是指稻米胚乳中組織疏松而形成的白色不透明的部分，包括心白、腹白和背白。堊白是衡量稻米品質(zhì)的重要性狀之一，直接影響稻米的外觀品質(zhì)和商品流通，影響其加工品質(zhì)。堊白粒率是指米粒中有堊白米粒的比率，為稻米重要品質(zhì)指標(biāo)。它不僅關(guān)系到外觀好看與否，而且對(duì)加工品質(zhì)、蒸煮品質(zhì)有很大影響。研究表明，堊白粒與碎米率成正相關(guān)，與整精米率呈負(fù)相關(guān)[25~26]。2.2糧食物理性質(zhì)對(duì)力學(xué)性

9、能影響2.2.1籽粒厚度稻米籽粒厚度是一個(gè)與其長(zhǎng)度、寬度和千粒重都有關(guān)的指標(biāo)，它對(duì)稻米碾磨、外觀和食味品質(zhì)有著重要影響[16]。據(jù)SiebenmenTJ、MatthewsJ等報(bào)道[17~18]，稻谷的破碎率與籽粒厚度有關(guān)，但不是明顯的正比關(guān)系，還與稻谷化學(xué)特性有一定關(guān)系。在實(shí)際加工生產(chǎn)中，籽粒厚度與脫殼率、產(chǎn)量、損耗、堊白粒有明顯相關(guān)性。隨著籽粒厚度的增加，脫殼率和碾白率也隨之增加。[19~21]2.2.2籽粒應(yīng)力裂紋稻谷籽粒開裂是由于

10、長(zhǎng)時(shí)間或反復(fù)施加低于顆粒塑性力學(xué)性能的應(yīng)力而引起籽粒外部或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。稻谷在收獲之后需要經(jīng)過(guò)干燥處理，使水分降至安全水平時(shí)才能入庫(kù)儲(chǔ)存，由于干燥時(shí)稻谷顆粒內(nèi)外層失水速率不同，容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力值大于籽粒機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，則籽粒產(chǎn)生裂紋，在后續(xù)加工過(guò)程中容易產(chǎn)生破碎[22~23]。所以，內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生是出現(xiàn)裂紋的重要原因。稻谷籽粒從收獲到成品銷售有很多過(guò)程會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，其中大致可分為收獲物流過(guò)程、干燥貯藏過(guò)程以及再加工過(guò)程。稻谷在物流運(yùn)輸

11、時(shí)，籽粒受到擠壓、碰撞、機(jī)械沖擊等不利因素，使之產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。經(jīng)過(guò)多次糧食轉(zhuǎn)移之后，稻谷受到交變應(yīng)力的影響，產(chǎn)生裂紋的籽粒會(huì)增加，影響籽粒的完整性[24]。通常在干燥初期，稻谷籽粒內(nèi)外的水分梯度很大，隨著干燥進(jìn)行，水分梯度降低。糧食不同組織結(jié)構(gòu)的含水量差異是由其物質(zhì)組成和細(xì)胞結(jié)構(gòu)不同構(gòu)成的，籽粒內(nèi)外層之間水分含量差異會(huì)對(duì)稻谷干燥特性產(chǎn)生影響。干燥將使谷粒內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，稻谷力學(xué)特性的不同，將導(dǎo)致不同水分的籽粒對(duì)相等的應(yīng)力有不同的反應(yīng)，從而決

12、定籽粒在干燥中是否產(chǎn)生裂紋。干燥之后很少就能直接看到裂紋，大多數(shù)情況下是在干燥后24小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)裂紋[4]，而且整精米率隨著烘干溫度的升高而升高。稻谷加工是稻谷籽粒碎裂的最主要環(huán)節(jié)。稻谷籽粒在加工過(guò)程中會(huì)受到多種方式的機(jī)械沖擊，另外由于前兩個(gè)過(guò)程裂紋的積累，以及內(nèi)應(yīng)力的綜合疊加，產(chǎn)生嚴(yán)重應(yīng)力應(yīng)變，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力大于籽粒強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋破碎。比如，稻谷產(chǎn)生裂紋最多的時(shí)候是在礱谷碾白時(shí)產(chǎn)生的。顆粒進(jìn)入料腔時(shí)產(chǎn)生的碰撞，設(shè)備加工時(shí)籽粒間相互作用，工