海南檳榔果實(shí)幾何與物理參數(shù)的測(cè)量分析

傅琪彥，符秀娟，陳俊波，林麗珍，丁兆建

（1.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570216；2.瓊臺(tái)師范學(xué)院，海南 ?？?571127）

1 概述

海南檳榔產(chǎn)量占全國的97%以上。海南東部的主要檳榔產(chǎn)區(qū)是瓊海市、萬寧市和陵水縣，中部產(chǎn)區(qū)是屯昌縣、瓊中縣和五指山市；西部產(chǎn)區(qū)是白沙縣、東方市和儋州市[1]。盡管2020 年的新冠病毒全球蔓延導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)整體下行，但檳榔被列入新冠病毒肺炎的中藥配方對(duì)檳榔產(chǎn)業(yè)是重大利好。

干果的加工方法各有不同，具體工藝流程為：清洗-炮制-上光-烘干-切片-取芯-點(diǎn)鹵水調(diào)味等，其中對(duì)檳榔果的切片加工效果直接決定了產(chǎn)品的最終外觀和價(jià)值，是檳榔加工中極為重要的一環(huán)。檳榔切片目前主要采取手工鍘刀剖切，存在效率低、工作強(qiáng)度大、成本高和食品衛(wèi)生安全不易控制的問題。依靠手工的原因在于檳榔受地理氣候環(huán)境因素影響，果形尺寸及物理參數(shù)存在差異，外觀大多不規(guī)則，而市場(chǎng)提供的自動(dòng)切片機(jī)械適應(yīng)性不強(qiáng)、正品產(chǎn)率不高，外觀質(zhì)量欠佳，因而產(chǎn)品貶值導(dǎo)致廠家不愿采用。由于檳榔的切片與檳榔幾何參數(shù)和物理參數(shù)密切相關(guān)，加強(qiáng)對(duì)檳榔果幾何尺寸和物理參數(shù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究，將有利于切片加工機(jī)械的設(shè)計(jì)和改善產(chǎn)品品質(zhì)，但目前這方面的研究數(shù)據(jù)還不多見[2]。

本文采用加工企業(yè)定點(diǎn)供應(yīng)的海南檳榔，測(cè)量經(jīng)過不同烘干時(shí)間后檳榔干果的幾何尺寸和部分物理參數(shù)的分布。根據(jù)檳榔切片的工藝特點(diǎn)，果實(shí)的外形尺寸與裝夾定位有關(guān)，果實(shí)厚度和硬度則影響切片力的大小，因此涉及到如重心、摩擦系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和硬度等參數(shù)。其中重心與檳榔果的長度、寬度、高度和密度有關(guān)，摩擦系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和硬度的主要影響因素是對(duì)應(yīng)檳榔烘干時(shí)間的脫水量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 幾何參數(shù)的測(cè)量

檳榔屬棕櫚科植物，果實(shí)大致呈橢球形，果皮較軟呈淡綠色至黃棕色，斷面可見網(wǎng)狀溝紋的纖維，能快速風(fēng)干變硬。實(shí)驗(yàn)前將個(gè)別干癟及不成熟的檳榔剔除，隨機(jī)選取篩選后的檳榔樣本100 粒，用游標(biāo)卡尺測(cè)量檳榔的長度、腰徑（包括寬度和高度）。烘干實(shí)驗(yàn)中，稱取檳榔鮮果置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干。溫度保持在80℃，每次烘干4h 后從干燥箱中取出，放入置有吸潮硅膠的干燥皿中，冷卻后測(cè)量其長度、腰徑（即高度和寬度）以及重量，如此重復(fù)烘干到第5 次時(shí)，樣品前后兩次質(zhì)量差不大于3mg，得到絕干重。檳榔樣本隨烘干時(shí)間其外形尺寸變化的測(cè)量平均值如表1。

圖1 檳榔烘干時(shí)間與外形尺寸的關(guān)系

圖2 檳榔烘干12 小時(shí)后的尺寸分布

根據(jù)表1 中樣本組1 的測(cè)量結(jié)果繪圖如圖1。烘干過程中檳榔長度變化不大，但腰徑變化較大，其中高度和寬度的變化基本相同，這是由于檳榔纖維呈長度方向分布，烘干時(shí)徑向收縮遠(yuǎn)小于橫向，橫向收縮各向均勻。果實(shí)樣本烘干12 小時(shí)后幾何尺寸的統(tǒng)計(jì)分布如圖2?？梢钥闯?，盡管檳榔尺寸分布較分散，但其長度、寬度和高度以及果肉厚度均有一個(gè)集中分布的區(qū)域。長度的分布區(qū)間為40-60mm，平均值略為 45mm；腰徑分布為15-25mm，隨檳榔長度增加，腰徑并不明顯增加；檳榔的果殼厚度變化不大，平均在3mm。

2.2 物理參數(shù)的測(cè)量

脫水率：脫水率定義為（M新鮮-Mn/M新鮮）×100%?？紤]到檳榔干果的纖維性和咀嚼效果，檳榔不能烘干至完全沒有水分，實(shí)際烘干時(shí)使果實(shí)重量下降到鮮果重量的25%-30%，即干果脫水率為75%-70%為宜。參考食品中水分的測(cè)定方法[3]，稱取檳榔鮮果M新鮮，烘干工藝如前述，每次烘干n 小時(shí)后測(cè)量其重量Mn，求出相應(yīng)的脫水率。烘干12 小時(shí)后干果脫水率為79%，而且同一批樣本的結(jié)果差異不大。檳榔干果脫水率隨烘干時(shí)間的變化如圖3。

圖3 檳榔干果的脫水率隨烘干時(shí)間的變化

圖4 檳榔干果的密度與脫水率的關(guān)系

密度：檳榔密度的測(cè)量方法采用阿基米德定律法。測(cè)量的原理是，物質(zhì)的密度ρ 等于其質(zhì)量除于體積，即ρ檳榔=M/v，準(zhǔn)確稱量得到檳榔的質(zhì)量M，然后通過排水法測(cè)量檳榔的體積 v，就可求出 ρ檳榔。實(shí)驗(yàn)步驟是，（1）稱取檳榔的質(zhì)量 M；（2）稱取裝有水的容器的質(zhì)量 M1；（3）將支架置于桌面，用支架上的金屬絲固定住檳榔并放入水容器，使檳榔完全浸入水中但不接觸容器底，稱出此時(shí)裝有檳榔和水的容器質(zhì)量M2。由于檳榔受到的浮力F浮力等于它的體積所排開的水的重量，因此 F浮力=ρ水vg=（M2-M1）g，g 為重力加速度，即 v=（M2-M1）/ρ水。所以ρ檳榔=M/v=（M/（M2-M1））ρ水。

檳榔干果的內(nèi)部是空心結(jié)構(gòu)，為準(zhǔn)確測(cè)量檳榔的密度ρ物，需要將檳榔剖開再進(jìn)行密度測(cè)量。由于檳榔干果浮于水面，即比重小于水的比重，需用硬的金屬絲扎緊檳榔放入水中。實(shí)驗(yàn)前還需先在檳榔樣本表面涂抹石蠟，防止因吸水而引起誤差。測(cè)量結(jié)果如圖4，由此得到檳榔干果脫水率為78%時(shí)密度平均值為0.627g/cm3。

靜摩擦系數(shù)：測(cè)量了檳榔干果在幾種材料平板表面的靜摩擦系數(shù)。測(cè)定時(shí)將不同脫水率的檳榔置于材料平板上，通過旋動(dòng)裝置逐漸抬高檳榔所在的平板一端，記錄檳榔剛好滑下時(shí)平板與水平面之間的夾角即摩擦角，每組樣本測(cè)量5 次然后取平均值，然后求出對(duì)應(yīng)的靜摩擦系數(shù)μ=tanα，結(jié)果如圖5 所示。

靜摩擦系數(shù)與檳榔的脫水率明顯相關(guān)。脫水率為43%時(shí)靜摩擦系數(shù)變大，這可能是檳榔干燥后表面纖維有所外露，使粗糙度增大；隨著脫水率繼續(xù)增大，檳榔密度增大表面也變得緊密光滑，使靜摩擦系數(shù)變小。脫水率為78%時(shí)，檳榔在有機(jī)玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼平板上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459 和0.309。

抗壓強(qiáng)度：檳榔的抗壓強(qiáng)度是單位面積的干果破壞前所能承受的最大壓力[4]。檳榔的抗壓強(qiáng)度決定切片力的大小，由于檳榔與木材均是纖維質(zhì)材料，依據(jù)木材抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法對(duì)檳榔干果進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)方法是，由表1 所示的3 個(gè)樣本組中，將不同烘干時(shí)間的檳榔剖開，放在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)其均勻緩慢加載，直至檳榔試樣破壞，記錄檳榔的破壞載荷Pmax，由此求出抗壓強(qiáng)度σ=Pmax/A，式中A 是檳榔的受力面積。測(cè)量數(shù)據(jù)求平均值，得到的不同脫水率檳榔的抗壓強(qiáng)度如圖6?？梢钥闯?，在測(cè)量范圍內(nèi)檳榔的抗壓強(qiáng)度與脫水率之間呈近似線性關(guān)系，烘干時(shí)間越長檳榔的脫水率越大，干果硬度越高，抗壓強(qiáng)度也隨之增大。

3 結(jié)論

對(duì)海南檳榔果的幾何和物理參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析，得到以下結(jié)果：

圖5 檳榔干果在平板上的摩擦系數(shù)與脫水率的關(guān)系

圖6 檳榔干果不同脫水率時(shí)的抗壓強(qiáng)度

（1）烘干檳榔重量下降到鮮果重量的22%即脫水率為78%時(shí)，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm 之間，果殼厚度約3mm。

（2）檳榔脫水率為78%時(shí)，根據(jù)阿基米德定律法測(cè)出檳榔的密度約為0.627g/cm3；利用斜面法測(cè)量了檳榔在有機(jī)玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459 和0.309；抗壓強(qiáng)度的測(cè)量均值為16 MPa。