加工番茄籽粒的物理特性

冉兵　王麗紅　陳紹杰　坎雜　李成松

摘要：番茄產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為新疆“紅色產(chǎn)業(yè)”的龍頭，每年產(chǎn)生醬后皮渣20余萬t，深加工潛力巨大。番茄籽粒物理特性與醬后皮渣分離技術(shù)密切相關(guān)。因此，以新疆地區(qū)廣泛種植的加工番茄品種里格爾87-5籽粒為試驗(yàn)材料，采用標(biāo)準(zhǔn)測定方法測定加工番茄籽粒的三軸幾何尺寸、比重、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角和恢復(fù)系數(shù)等有關(guān)物理特性，為加工番茄醬后皮渣機(jī)械化分離產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供依據(jù)與原始物理參數(shù)。

關(guān)鍵詞：加工番茄；籽粒；醬后皮渣分離技術(shù)；物理特性；試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)： S226.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）02-0275-03

收稿日期：2014-03-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31160347）。

作者簡介：冉兵（1989—），男，甘肅會(huì)寧人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)研究。E-mail：810120254@qq.com。

通信作者：王麗紅，博士，副教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備的研究與開發(fā)。E-mail：wlh_shz@163.com。番茄是世界蔬菜類中產(chǎn)量最高的品種[1]，目前全球三大番茄制品加工產(chǎn)區(qū)為美國加州河谷產(chǎn)區(qū)、地中海地區(qū)（主要包括意大利、法國、西班牙、葡萄牙和希臘5國）和中國。2012年中國新疆地區(qū)加工番茄種植面積約5.87萬hm2，產(chǎn)量為579.46萬t，占全國總產(chǎn)量的84.80%，生產(chǎn)番茄醬 62.87萬t[2]，產(chǎn)生醬后皮渣20余萬t（約占番茄總量的3%～5%）[3]。醬后皮渣深加工潛力巨大，但目前皮渣主要依靠人工分離，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，大量的皮渣被作為牲畜飼料或肥料，未及時(shí)清運(yùn)的皮渣則被廢棄掉，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境。醬后皮渣機(jī)械化分離可提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，有利于番茄產(chǎn)業(yè)鏈的延伸，提高番茄的附加值。Kaur等利用立式攪拌與沉淀池相結(jié)合的分離方式實(shí)現(xiàn)皮渣中籽、皮分離[4]；劉伯堂研究了脫水干燥和干法皮籽分離組合生產(chǎn)的揉搓分離方法[5]；王麗紅等創(chuàng)造性地采用將離心篩分和斜板沉降相結(jié)合的雙作用醬后皮渣分離方法[6]。番茄籽粒物理特性參數(shù)是醬后皮渣機(jī)械化分離技術(shù)研究的基礎(chǔ)，我國有關(guān)水稻、油菜、芡實(shí)和蓮子等幾何形態(tài)及物理特性研究報(bào)道較多[7-10]，但有關(guān)番茄籽粒相關(guān)物理特性的研究報(bào)道較少。本研究針對(duì)目前在新疆地區(qū)廣泛種植的里格爾87-5加工番茄品種的籽粒進(jìn)行研究，獲得番茄籽粒的三軸尺寸、比重、千粒質(zhì)量、滑動(dòng)摩擦角和恢復(fù)系數(shù)等物理特性，為加工番茄醬后皮渣機(jī)械化分離關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬邊界參數(shù)的確定提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用新疆地區(qū)廣泛種植的里格爾87-5加工番茄籽粒，測得試驗(yàn)所用籽粒的含水率為10%。去除雜質(zhì)和不完整粒后，隨機(jī)選取番茄籽粒作為待測粒，存放于試驗(yàn)樣品盒中。

1.2試驗(yàn)方法

加工番茄籽粒的幾何尺寸（三軸尺寸）、基本物理特性參數(shù)（千粒質(zhì)量、比重）、滑動(dòng)摩擦特性（接觸材料為玻璃板、PVC板、不銹鋼板）和恢復(fù)系數(shù)（接觸材料為玻璃板、PVC板、不銹鋼板，厚度3 mm）的測定方法嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[11]中的規(guī)定方法進(jìn)行，測定時(shí)隨機(jī)抽取番茄籽粒，多次重復(fù)，結(jié)果取其平均值。

1.2.1幾何尺寸的測定隨機(jī)選取80粒番茄籽粒，用數(shù)字游標(biāo)卡尺分別測量其長、寬、厚三軸尺寸（圖1），每個(gè)尺寸重復(fù)測定3次并求其平均值，確定尺寸分布范圍與平均值。因醬后皮渣中番茄籽粒的篩分分離主要依靠寬度尺寸差異實(shí)現(xiàn)，根據(jù)國標(biāo)篩孔目數(shù)規(guī)定以及番茄籽粒寬度尺寸分布范圍制作相應(yīng)篩分試驗(yàn)機(jī)，將番茄籽粒按寬度尺寸進(jìn)行分級(jí)，并為篩分分離提供依據(jù)。

1.2.2基本物理特性參數(shù)測定

1.2.2.1千粒質(zhì)量的測定根據(jù)GB 5519—2008《谷物與豆類 千粒重測定》，千粒質(zhì)量是指包含水分在內(nèi)的1 000粒試樣質(zhì)量，測量時(shí)從樣品中隨機(jī)選取5份完整番茄籽粒，每份500粒，用DT-1002A電子秤（精度0.01 g）稱其質(zhì)量，每份樣品平行測定2次，按公式（1）計(jì)算千粒質(zhì)量。

mH=m0×1 000/N。（1）

式中：mH為番茄籽粒千粒質(zhì)量，g；m0為完整粒的質(zhì)量，g；N為m0中完整粒的粒數(shù)，粒。

1.2.2.2比重的測定比重是指在規(guī)定溫度和操作條件下，糧食、油料凈體積的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比，依據(jù)GB/T 5518—2008《糧油檢驗(yàn) 糧食、油料相對(duì)密度的測定》，試驗(yàn)選用的試劑、儀器、用具分別為20%乙醇（95%乙醇21 mL加蒸餾水79 mL）、DT-1002A電子秤、量筒（分度值0.1 mL）。在室溫（22±5） ℃下，向量筒中注入20%乙醇10 mL，然后加入試樣約5 g，稍加搖動(dòng)，逐出氣泡，待液面平穩(wěn)后，立即讀取液體上升的體積數(shù)，重復(fù)測量3次，按公式（2）計(jì)算加工番茄籽粒比重。

d=m1/m2=m1/V。（2）

式中：d為加工番茄籽粒比重；m1為試樣質(zhì)量，g；m2為與試樣同體積（V，mL）的水的質(zhì)量，g，m2=V×d水，d水為水的密度，取1 g/mL。

1.2.2.3摩擦角測定滑動(dòng)摩擦角ψ表示散粒物料與接觸固體相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，散粒物料與接觸表面間的摩擦特性，試驗(yàn)中采用斜面儀（圖2）測定加工番茄籽粒的滑動(dòng)摩擦角，測定所用的表面材料有玻璃板、PVC板、不銹鋼板，具體方法如下：先將選定進(jìn)行測試的加工番茄籽粒裝在無底紙盒內(nèi)并放置在斜面儀上，保證番茄籽粒與斜面充分接觸，避免紙盒與斜面接觸，緩慢搖動(dòng)手柄使斜面傾角逐漸增大，當(dāng)物料開始在斜面上下滑時(shí)，該斜面的傾角為加工番茄籽粒的滑動(dòng)摩擦角。測試番茄籽粒在不同材料測試板上的滑動(dòng)摩擦角，每種情況重復(fù)測試5次。

1.2.2.4恢復(fù)系數(shù)的測定恢復(fù)系數(shù)是碰撞后法向分離速度與碰撞前法向接近速度的比值[12]，表示顆粒物料被碰撞后能恢復(fù)到其原始狀態(tài)（碰撞前）的性能，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。本研究結(jié)合恢復(fù)系數(shù)的基本定義，采用FASTCAM-10K系列Model 500高速攝像機(jī)、自制跌落儀及PC機(jī)構(gòu)建加工番茄籽?；謴?fù)系數(shù)測試裝置（種子下落高度范圍為400～600 mm）。所有加工番茄籽粒運(yùn)動(dòng)錄像都通過高速攝像儀配套軟件Blasters MAS進(jìn)行處理，對(duì)加工番茄籽粒的運(yùn)動(dòng)錄像進(jìn)行解析，讀取加工番茄籽粒碰撞前的法向接近速度與碰撞后的法向分離速度，恢復(fù)系數(shù)計(jì)算公式為[13]：endprint

e=vn′/vn。（3）

式中：vn′為物料碰撞后的法向分離速度；vn為物料碰撞前的法向接近速度。

2結(jié)果與分析

2.1加工番茄籽粒的三軸尺寸

表1顯示，番茄籽粒長度分布范圍為2.80～4.80 mm，平均長度為3.78 mm；寬度分布范圍為2.10～3.68 mm，平均寬度為2.76 mm；厚度分布范圍為0.65～1.15 mm，平均厚度為0.85 mm?？梢?，番茄籽粒的長度、寬度、厚度分布主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之間，分別占總粒數(shù)的96.25%、97.50%、96.25%。根據(jù)加工番茄籽粒三軸尺寸制作圓孔篩板，由于自制篩板存在一定的尺寸差異，通過測量篩板最大方向尺寸，三級(jí)篩板的平均圓孔直徑分別為328、2.60、2.09 mm，篩分試驗(yàn)各尺寸段加工番茄籽粒百分比如圖3所示。

從篩分試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各尺寸段所占百分比和種子寬度方向尺寸分布基本吻合。因此，加工番茄醬后皮渣篩分滾筒篩孔直徑設(shè)計(jì)可以參考種子寬度方向上最大尺寸。

2.2基本物理特性參數(shù)

由表2可以看出，加工番茄籽粒的千粒質(zhì)量、比重的變異系數(shù)都較小，分別為0.5%、2.7%，其分散性相對(duì)較低。通過計(jì)算得到比重的期望值為6.44 g/mL，遠(yuǎn)大于水的密度，在醬后皮渣分離中，進(jìn)入介質(zhì)水中將立即下沉。千粒質(zhì)量的期望值為3.08 g，單粒質(zhì)量僅為0.003 08 g，在紊動(dòng)較大的流體中，受流體擾動(dòng)比較大，不能呈現(xiàn)自由沉降狀態(tài)。

2.3加工番茄籽粒的滑動(dòng)性能

由表3可知，加工番茄籽粒與PVC板的滑動(dòng)摩擦角較大，為36.36°；與玻璃板的滑動(dòng)摩擦角較小，為27.72°。在進(jìn)行醬后皮渣機(jī)械化分離裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)所選不同材料調(diào)整沉降室等關(guān)鍵部件的傾斜角度。

2.4恢復(fù)系數(shù)

加工番茄籽粒碰撞前后的高速攝像運(yùn)動(dòng)軌跡分析如圖4所示。每種材料重復(fù)測量3次，材料與水平面的夾角為30°。玻璃板、PVC板、不銹鋼板恢復(fù)系數(shù)分別為0.282～0.386、0.261～0.358、0.327～0.428。

3結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，加工番茄籽粒長度、寬度、厚度分布分

別主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之間。篩分試驗(yàn)表明，醬后皮渣篩分滾筒篩孔直徑設(shè)計(jì)可以參考種子寬度方向上最大尺寸。加工番茄籽粒比重期望值為 6.44 g/mL，遠(yuǎn)大于水的密度，在醬后皮渣分離中，番茄籽粒進(jìn)入介質(zhì)水中將立即下沉。千粒質(zhì)量的期望值為3.08 g，單粒質(zhì)量僅為0.003 08 g，在紊動(dòng)較大的流體中，受流體擾動(dòng)比較大，不能呈現(xiàn)自由沉降狀態(tài)。加工番茄籽粒與PVC板的滑動(dòng)摩擦角較大，與玻璃板的滑動(dòng)摩擦角較小，在醬后皮渣機(jī)械化分離裝置設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)所選不同材料，調(diào)整沉降室等關(guān)鍵部件的傾斜角度。加工番茄籽粒下落高度為400～600 mm，碰撞板厚度為3 mm，與水平面夾角為30°的條件下，玻璃板、PVC板、不銹鋼板的恢復(fù)系數(shù)分別為0.282～0.386、0.261～0.358、0327～0.428。

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