小麥籽粒壓縮特性的實驗研究

程緒鐸，杜小翠，高夢瑤，馮家暢

(南京財經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210046)

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小麥籽粒壓縮特性的實驗研究

程緒鐸，杜小翠，高夢瑤，馮家暢

(南京財經(jīng)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210046)

摘要：使用Brookfield質(zhì)構(gòu)儀對兩個品種小麥(寧麥13，魯原502)籽粒在短軸和中軸上進行了壓縮試驗，測定并計算出小麥籽粒的壓縮特性，分析了含水率對小麥籽粒壓縮特性的影響，給出了小麥籽粒壓縮破壞力與含水率關(guān)系模型。實驗及計算結(jié)果表明：隨著含水率的增加，小麥籽粒的破壞力減小，與含水率呈線性關(guān)系，破壞能、表觀接觸彈性模量、破壞應(yīng)力等減小，然而，破壞應(yīng)變增大。小麥品種的籽粒尺寸越大，其壓縮特性(破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、破壞應(yīng)力)越大，小麥含水率達到一定程度時(寧麥13含水率為18.01 % w.b.，魯原502含水率為16.92 % w.b.) ，籽粒結(jié)構(gòu)軟化，壓縮時不出現(xiàn)破裂。

關(guān)鍵詞：小麥；籽粒；含水率；壓縮特性

小麥在收獲、儲運及干燥的過程中受到壓縮與撞擊，受到壓力的小麥籽粒會產(chǎn)生變形，甚至發(fā)生破裂，從而降低種子的發(fā)芽率、危及儲藏安全、降低其加工產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。研究小麥籽粒受壓縮載荷時的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量等壓縮特性可為糧食的收割、儲藏、運輸、加工等設(shè)備的設(shè)計及干燥工藝設(shè)計提供技術(shù)參數(shù)，從而減少小麥在此過程中的損失[2]。

國內(nèi)外對糧食的籽粒壓縮特性的研究始于20世紀(jì)60年代。Shelef等[3]用拉伸壓縮儀對小麥籽粒進行單軸壓縮實驗，得到壓縮力與變形量的關(guān)系，給出了小麥籽粒變形量與壓縮力的關(guān)系曲線。Brass等[4]利用拉伸壓縮儀對玉米籽粒進行壓縮，結(jié)果表明：玉米籽粒的壓縮特性隨結(jié)構(gòu)的不同而變化，不同的結(jié)構(gòu)承受撞擊的能力不同。玉米籽粒破裂的過程是首先在內(nèi)部結(jié)構(gòu)尖冠上發(fā)生，然后依次是胚、粉質(zhì)淀粉、角質(zhì)淀粉，最后是種皮破裂。Kamst和Bonazzil[5]對稻米進行了應(yīng)力松弛實驗，揭示了稻米的粘彈性，研究結(jié)果表明：表觀彈性模量和壓縮強度與變形速率成正比關(guān)系，與溫度及含水率成反比關(guān)系，溫度的影響主要發(fā)生在含水率較低的稻米。馬小愚等[6]采用自制的物料壓縮性能測試儀對大豆籽粒進行實驗，實驗結(jié)果表明含水率對籽粒的屈服力及破壞力的影響極其顯著。丁林峰等[7]采用拉伸壓縮儀研究了稻谷籽粒的壓縮特性，實驗結(jié)果給出了不同品種稻谷籽粒的壓縮力與變形曲線，表觀接觸彈性模量和最大破壞力等壓縮特性參數(shù)，實驗結(jié)果表明不同品種稻谷籽粒的最大破壞力和表觀接觸彈性模量差異明顯。程玉來等[8]采用萬能實驗機對遼寧省生產(chǎn)的17個品種的小麥籽粒的腹面和側(cè)面進行了壓縮和剪切實驗，得出了小麥籽粒的抗破碎力、剪切力值，給出了抗破碎力、剪切力與品質(zhì)性狀的關(guān)系。程緒鐸等[9]利用質(zhì)構(gòu)儀研究了壓縮速率與壓縮方位對大豆籽粒壓縮特性參數(shù)的影響。以上研究只是對小麥籽粒壓縮特性某一方面的研究，不夠系統(tǒng)，實驗條件不明確。因此，本文以產(chǎn)自江蘇和山東的兩個品種小麥為例，利用質(zhì)構(gòu)儀系統(tǒng)測定其籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、破壞應(yīng)力，并給出小麥籽粒壓縮特性與含水率關(guān)系的模型。

1材料與方法

1.1實驗材料

本試驗選用兩個品種小麥：寧麥13，產(chǎn)地江蘇淮安；魯原502，產(chǎn)地山東濟寧。原始含水率及籽粒尺寸見表1。

表1　樣品含水率及尺寸

1.2實驗儀器

BROOKFIELD質(zhì)構(gòu)儀：CT3(50 kg，美國生產(chǎn))，HG202-2(2A/2AD)干燥箱(南京市盈鑫實驗儀器有限公司生產(chǎn))，AL204型分析天平(上海市嘉定糧油儀器有限公司生產(chǎn))，JSFD-糧食粉碎機(上海市嘉定糧油儀器有限公司生產(chǎn))。

1.3實驗原理

橢圓形谷物籽粒的壓力與變形量關(guān)系曲線有兩種情況，一種是曲線上有屈服點與破裂點，另一種是曲線上有破裂點但沒有屈服點，PI點為曲線斜率變換點，兩種情況的曲線如圖1所示。

圖1　凸形物料的力與變形量曲線

(1)用游標(biāo)卡尺測定小麥籽粒的三軸長度，見圖2，X軸為長軸，Y軸為中軸，Z軸為短軸。對Z軸進行壓縮，由(1)式、(2)式和(3)式計算給出小麥籽粒與兩壓力平面接觸部分的曲率半徑R，R′和參數(shù)cosθ如下

R=[(X/2)2+(Z/2)2]/Z

(1)

R′=[(Y/2)2+(Z/2)2]/Z

(2)

cosθ=(1/R′-1/R)/(1/R′+1/R)

(3)

圖2　小麥籽粒尺寸示意圖

(2)小麥籽粒為橢圓形狀，按照ASAES368.4DEC2000(R2006)[10]標(biāo)準(zhǔn)，選取壓縮底座型號為TA-RT-KIT、壓縮探頭型號為TA10進行壓縮實驗。

(3)按照ASAES368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，每種樣品取20次以上進行重復(fù)壓縮試驗才得到有效結(jié)果，在本文的實驗中，每個含水率的樣品選取30粒進行重復(fù)壓縮。

(4)根據(jù)實驗測出的30個樣品的壓縮力與變形量數(shù)據(jù)，繪出壓縮力與壓縮變形量的關(guān)系曲線，曲線最高點對應(yīng)的力是壓縮破壞力，此點對應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)值是壓縮破壞變形量，小麥籽粒破壞變形量與原長的比值為破壞應(yīng)變，壓縮破壞變形量之前的壓縮作用力與變形量曲線與橫軸之間的面積是壓縮破壞能。

(4)其中，E為彈性模量(MPa)，F(xiàn)為加載載荷(N)，D為變形量(m)，μ為泊松比，R、R′為小麥籽粒上、下的曲率半徑(m)，K為中間參數(shù)[由cosθ和ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)中的表2查出]，泊松比μ選為0.4。

(6)小麥籽粒破裂時小麥與壓力板接觸面的半長軸a與半短軸b按下面的公式計算：

(5)

(6)

其中，F(xiàn)R是破壞力，m， n可查表2得到。

小麥籽粒的破壞應(yīng)變計算公式：

(7)

1.4實驗方法

(1)實驗樣品的準(zhǔn)備：除去原始小麥樣品中的雜質(zhì)，取部分樣品，采用105 ℃恒質(zhì)干燥法測定小麥初原含水率。按照下面的方法調(diào)制小麥的含水率：依據(jù)(8)式計算出調(diào)制到目標(biāo)含水率所要增加的蒸餾水質(zhì)量，增加的蒸餾水加入小麥中，密封袋密封加水的小麥，放置在15 ℃人工氣調(diào)箱中，一周后，選取1 000粒大小和形狀相似的小麥籽粒作為樣品庫。實驗時將樣品拿出放在室溫條件下2h，然后進行試驗。

(8)

其中：Q為所需增加蒸餾水的質(zhì)量(kg)，Wi為小麥的質(zhì)量(kg)， Mi為調(diào)節(jié)前小麥含水率(%w.b.)， Mf為調(diào)節(jié)后小麥含水率(%w.b.)。

(2)實驗樣品壓縮特性測定的環(huán)境溫度選定：測定實驗樣品的壓縮特性的實驗室裝有空調(diào)，溫度設(shè)定為20 ℃， 實驗前需將樣品拿出放在實驗室2h后進行實驗。

(3)壓縮籽粒方位的確定：因小麥籽粒的形狀及質(zhì)構(gòu)儀定位方式的限制，只能對小麥籽粒進行短軸(Z軸)和中軸(Y軸)方向的壓縮。實驗前，選取10粒小麥進行預(yù)實驗。小麥籽粒短軸(Z軸)、中軸(Y軸)方向的壓縮示意圖如圖3所示，探頭壓縮小麥籽粒時，要盡量使小麥籽粒短軸或中軸垂直于壓縮平臺，這樣可以最大程度的減少試驗數(shù)據(jù)的誤差。

圖3　短軸、中軸壓縮示意圖

(4)實驗設(shè)備配置選擇：1)選定壓縮模式，壓縮力范圍為50kg；2)承受壓力底座型號為TA-RT-KIT，壓縮探頭型號為TA10，探頭為圓柱狀，其直徑為12.7mm，長度為35mm；3)壓縮速率為0.02mm/s，壓縮路程為1.5mm，壓縮力觸發(fā)點為10g；4)每次開機實驗時，質(zhì)構(gòu)儀試機預(yù)熱0.5h。

2實驗與計算結(jié)果

2.1寧麥13籽粒壓縮特性實驗與計算結(jié)果

(1) 短軸(Z軸)方向壓縮時籽粒壓縮特性

不同含水率的小麥籽粒短軸(Z軸)方向的壓縮特性如表3所示。 由于含水率18.01 %w.b.的小麥籽粒太軟，其短軸方向上壓縮時不破裂，故無法得到該含水率下小麥籽粒的壓縮特性。

表3　不同含水率的寧麥13小麥籽粒在Z軸上的壓縮特性

(2)中軸(Y軸)方向壓縮時小麥籽粒的壓縮特性

不同含水率的小麥籽粒中軸(Y軸)方向壓縮的壓縮特性如表4所示。

表4　不同含水率的寧麥13小麥籽粒在Y軸上的壓縮特性

從表3、表4可以看出，隨著寧麥13含水率的增加 (9.84%～15.5 %w.b.)，籽粒的壓縮破壞力減小，短軸方向破壞力為98.15～83.87 N，中軸方向破壞力為106.63～70.83 N；籽粒的壓縮破壞能減小，短軸方向破壞能為15.55～10.79 mJ，中軸方向破壞能為26.74～12.11 mJ；籽粒的壓縮破壞應(yīng)變增大，短軸方向破壞應(yīng)變?yōu)?.088 7～0.134 3, 中軸方向破壞應(yīng)變?yōu)?.073 8～0.130 1；籽粒壓縮表觀接觸彈性模量減小，短軸方向彈性模量為343.86～258.37 MPa，中軸方向彈性模量為349.12～268.82 MPa；籽粒的壓縮破壞應(yīng)力減小，短軸方向破壞應(yīng)力為77.55～60.82 MPa，中軸方向破壞應(yīng)力為80.53～59.03 MPa。

(3)小麥籽粒破壞力與含水率的關(guān)系模型

在含水率為9.84%～15.50 %w.b.時，小麥籽粒的破壞力從98.15 N減少到83.87 N，幾乎成線性負(fù)相關(guān)，根據(jù)結(jié)果可擬合短軸方向壓縮破壞力與含水率的關(guān)系模型為

FR= -2.576 8w+124.06(R2=0.985 8)

(9)

在含水率為9.84%～18.01 %w.b.時，小麥籽粒的破壞力從106.63N減少到62.46N，幾乎呈線性負(fù)相關(guān)，根據(jù)結(jié)果擬合中軸方向壓縮破壞力與含水率的關(guān)系模型為

FR= -5.357 1w+156.3 (R2=0.975 9)

(10)

其中，w表示含水率(%w.b.)，w∈[9.84，18.01]；FR表示小麥籽粒的破壞力(N)。

2.2魯原502籽粒壓縮特性的實驗與計算結(jié)果

(1)短軸(Z軸)方向壓縮時籽粒壓縮特性

不同含水率的小麥籽粒短軸(Z軸)方向的壓縮特性如表5所示。由于含水率16.92 %w.b.的小麥籽粒太軟，其Z軸方向上壓縮時不破裂，所以無法得到該含水率下小麥籽粒的壓縮特性。

表5　不同含水率的魯原502籽粒在Z軸上的壓縮特性

(2)中軸(Y軸)方向壓縮時小麥籽粒的壓縮特性

不同含水率的小麥籽粒中軸(Y軸)方向壓縮的壓縮特性如表6所示。

表6　不同含水率的魯原502小麥籽粒在Y軸上的壓縮特性

從表5和表6可以看出，隨著魯原502含水率的增加(9.62%～15.14 %w.b.)，籽粒的壓縮破壞力減小，短軸方向破壞力為132.72～109.62 N，中軸方向破壞力為106.11～81.79 N；籽粒的壓縮破壞能減小，短軸方向破壞能為18.54～14.72 mJ，中軸方向破壞能為15.36～12.72 mJ；籽粒的壓縮破壞應(yīng)變增大，短軸方向破壞應(yīng)變?yōu)?.094 6～0.117 3, 中軸方向破壞應(yīng)變?yōu)?.073 5～0.087 6；籽粒的壓縮表觀接觸彈性模量減小，短軸方向彈性模量為366.24～287.54 MPa，中軸方向彈性模量為352.18～291.67 MPa；籽粒的壓縮破壞應(yīng)力減小，短軸方向破壞應(yīng)力為88.97～71.04 MPa，中軸方向破壞應(yīng)力為85.39～69.05 MPa。

(3)小麥籽粒破壞力與含水率的關(guān)系模型

在含水率為9.62%～15.14 %w.b.時，小麥籽粒的破壞力從132.72 N減少到109.62 N，幾乎成線性負(fù)相關(guān)，根據(jù)結(jié)果擬合短軸方向壓縮破壞力與含水率的關(guān)系模型為

FR= -4.241 9w+173.93(R2=0.980 9)

(11)

在含水率為9.62%～16.92 %w.b.時，小麥籽粒的破壞力從106.11N減少到69.90N，幾乎成線性負(fù)相關(guān)，根據(jù)結(jié)果可擬合中軸方向壓縮破壞力與含水率的關(guān)系模型為

FR= -4.747 4w+152.86(R2=0.972 2)

(12)其中，w表示含水率(%w.b.)，w∈[9.62，16.92]；FR表示小麥籽粒的破壞力(N)。

3兩個品種小麥壓縮特性的比較

對比表3～表6兩個品種小麥的壓縮特性發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒的尺寸(長軸、中軸、短軸)越大，其壓縮特性(破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、彈性模量、破壞應(yīng)力)越大。小麥含水率高到一定程度時(寧麥13含水率為18.01 %w.b.， 魯原502含水率為16.92 %w.b.)籽粒結(jié)構(gòu)軟化，壓縮時不出現(xiàn)破裂。

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Experimental Study on the Compression Properties of Wheat Grain

CHENG Xu-duo, DU Xiao-cui, FENG Jia-chang, GAO Meng-yao

(College of Food Science and Engineering，Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing, Jiangsu 210046, China)

Abstract:The Brookfield texture analyzer is used to take compression test to determine the compression properties of wheat grain of two varieties (Ningmai 13, Luyuan 502). The influence of the moisture content on compression properties of wheat grain is discussed. The relationship model between the compression destructive force and moisture content of wheat is given. The result shows that with the increase of moisture content, the destructive force decreases, taking on a linear relationship with water content, and with the increase of moisture content, the destructive energy, the elastic modulus and the destructive stress decrease, however, the destructive strain increases. The bigger the size of grain of wheat variety, the greater the compression properties.

Key words:wheat, grain, moisture content, compression properties

文章編號：1007-4260(2016)01-0071-05

中圖分類號：TS210.4

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.019

作者簡介：程緒鐸，男，安徽安慶人，碩士，南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向為糧食物理特性。E-mail: chengxuduo@hotmail.com

基金項目：公益性行業(yè)(糧食)科研專項(201313001)，國家自然科學(xué)基金(31371856)，國家科技支撐計劃子課題(2013BAD17B01-3)和江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程 (WTTFY01)。

*收稿日期：2015-10-06

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-15 17:05網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.019.html