糙米破碎多因素試驗研究

張 寧，張興振，曹憲周，王鑫宇，張 超，王 星

(河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001)

稻谷是我們?nèi)粘Ｉ钪兄匾闹魇持?，從收獲到成為大米需要經(jīng)過一系列的加工流程，過程中會產(chǎn)生碎米，其中大部分碎米發(fā)生在礱谷與碾白[1-3]。碾白是糙米加工的關(guān)鍵步驟，碾白過程中由于碾白壓力的影響會造成加工過程中糙米的破碎[4-5]。大米的整精米率是評價大米質(zhì)量常用的重要指標(biāo)[6]。國內(nèi)外研究人員對此進行了大量的研究。李陽等[1]使用質(zhì)構(gòu)儀進行了稻谷外殼拉伸力學(xué)性能試驗研究。李耀明等[2]進行了水稻谷粒的擠壓力學(xué)性能研究，指出谷殼在降低谷粒收獲、加工、儲運的損傷程度具有重要作用。馮帥博[7]使用質(zhì)構(gòu)儀探究了糙米受機械力時應(yīng)力裂紋的生成擴展機理，發(fā)現(xiàn)正常收獲的糙米籽粒內(nèi)部已經(jīng)存在不連續(xù)微裂紋，在受到機械力作用后，糙米籽粒內(nèi)部形成連續(xù)微裂紋，且以胚乳中心部位呈輻射狀向表皮擴展。馮帥博等[8]進行了糙米動態(tài)力學(xué)破碎研究，指出影響糙米撞擊力因子的主次順序為撞擊動量>含水率>品種。楊作梅等[9]探究了不同含水率對谷子籽粒壓縮力學(xué)性質(zhì)與摩擦特性的影響。Courtois等[10]對未經(jīng)處理的稻谷樣品進行破碎率測定和裂紋估計。Shimizu等[11]通過對不同品種谷粒樣品進行先增加含水率再烘干的試驗，然后對糙米裂紋進行統(tǒng)計分析，并對裂紋的尺寸分布進行了分析。張洪霞等[12]研究了含水率對稻米籽粒擠壓特性影響的研究。

本研究通過質(zhì)構(gòu)儀對糙米進行擠壓破碎試驗，主要探究形變量對糙米破碎力影響，分析不同含水率對糙米破碎力是否存在顯著影響，找出糙米破碎力范圍，為后續(xù)深入研究影響糙米碾白加工破碎因素提供相關(guān)依據(jù)。

1 糙米靜態(tài)力學(xué)破碎試驗

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀，傳感器量程為500 N，設(shè)備可以讀取糙米破碎圖線并以excel數(shù)據(jù)形式導(dǎo)出試驗數(shù)據(jù)。試驗裝置如圖1所示。

圖1 TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀

1.2 試驗方法

本試驗所選用的糙米為豐兩優(yōu)系列。質(zhì)構(gòu)儀探頭的下降速度為60 mm/s，糙米樣品含水率為11.45%，根據(jù)糙米形變量設(shè)置8組試驗，每組選取20粒糙米。8組試驗的形變量為物料原形態(tài)的33%～40%。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1形變對糙米破碎力影響

含水率為11.45%的糙米靜態(tài)破碎試驗統(tǒng)計如圖2所示。

(a)形變量33%

從糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果圖可以看出，試驗測得的糙米破碎力量值范圍起伏比較大，最小值46.58 N，最大值120.08 N，總體在80 N范圍內(nèi)進行波動。

表1是糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果統(tǒng)計表。

表1 糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果統(tǒng)計表

為探究形變量對糙米破碎力是否產(chǎn)生顯著的統(tǒng)計學(xué)差異，對其進行單因方差分析。由于所進行的8組試驗中存在未破碎顆粒，故在8組試驗數(shù)據(jù)中隨機選取10個糙米發(fā)生破碎的數(shù)據(jù)，見表2。

表2 糙米靜態(tài)破碎試驗單因子方差分析選取數(shù)據(jù)

由單因子方差分析表(見表3)可知，P=0.106>0.05,所以形變量對糙米的破碎力不具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

表3 單因子方差分析表

1.3.2含水率對糙米破碎力影響

為探究糙米含水率對糙米破碎力的影響，通過對糙米進行調(diào)質(zhì)獲得了含水率為12.76%和13.6%的糙米樣品。

含水率12.76%糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果見圖3，含水率13.6%糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果見圖4。

(a)形變量32%

(a)形變量32%

通過對調(diào)質(zhì)后含水率為12.76%和13.6%的糙米靜態(tài)破碎試驗結(jié)果圖分析可以看出：當(dāng)形變量低于34%時均存在沒有破碎的糙米；而當(dāng)形變量達到或超過34%時，糙米破碎率將達到100%。

研究含水率對糙米破碎力是否存在影響，選取形變量為34%的糙米進行單因素方差分析，見表4。

表4 關(guān)于不同含水率糙米形變量為34%的單因子方差分析表

不同含水率糙米平均破碎力折線圖見圖5。

(a)含水率11.45%

由表4可知，P=0.272>0.05,所以含水率對于取形變量34%糙米的破碎力不具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

從圖5中可見，3種不同含水率的糙米平均破碎力均在80～90 N附近上下波動。

2 糙米動態(tài)破碎分析

2.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用自制的撞擊力試驗平臺，主要由頭槌、傳感器、機架三部分組成(見圖6)。通過頭槌撞擊糙米，經(jīng)由傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C高速動態(tài)力值測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)會記錄碰撞過程中力的最大值。

圖6 自制糧食撞擊試驗臺

2.2 試驗方法

挑選完整表面無裂紋的糙米樣品，糙米動態(tài)破碎試驗共進行4組，每組選取20顆糙米進行糙米動態(tài)破碎試驗。

2.3 結(jié)果與討論

不同撞擊高度糙米所受撞擊力見圖7。通過分析，10 mm的條件下，糙米的破碎率為35%；15 mm的條件下，糙米的破碎率為65%；20 mm的條件下，糙米的破碎率為90%；25 mm的條件下，糙米的破碎率為100%。由此可以判定糙米破碎率為100%的條件為20～25 mm，增加條件為21 mm和22 mm的試驗，見圖8。

(a)10 mm 糙米所受撞擊力

(a)21 mm糙米所受撞擊力

通過對試驗結(jié)果進行分析，21 mm的條件下，糙米的破碎率為85%；22 mm的條件下糙米的破碎率為100%。因此22 mm為糙米破碎率為100%的臨界條件。

由表5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，頭槌下落高度對糙米破碎率的影響十分顯著。隨著下落高度的提升，平均破碎力逐漸加大，糙米破碎率也隨之提升。當(dāng)下落高度達到22 mm時，糙米破碎率已經(jīng)達到100%。糙米達到破碎時所受撞擊力波動范圍比較大。達到破碎最小撞擊力為54.997 N，最大破碎力需要161.506 N。

表5 不同試驗高度糙米破碎情況

圖9 糙米動態(tài)破碎情況3D曲面

分析糙米達到破碎時所受撞擊力波動范圍比較大的原因有以下兩點：(1)不同糙米顆粒之間的理化性質(zhì)存在差異；(2)隨著高度的提升，糙米所受的沖擊力越來越大。在糙米與頭槌接觸的極短的時間段內(nèi)，糙米在前一段時間已經(jīng)破碎，而糙米與頭槌在后半段時間內(nèi)繼續(xù)接觸施加力，從而造成測得的力比實際糙米本身破碎所需的臨界力要大。

3 糙米組織結(jié)構(gòu)分析

3.1 試驗設(shè)備

上海兆儀光電科技有限公司生產(chǎn)的ZYJ-1000E顯微鏡(見圖10)，適用于不透明物體或透明物體表面幾何形態(tài)與組織的顯微觀察。

圖10 ZYJ-1000E顯微鏡

3.2 試驗方法

通過對糙米破碎試驗結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，糙米破碎力波動范圍比較大。此外，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，外觀顏色均勻的糙米達到破碎所需要的力比較大，而外觀顏色發(fā)白的糙米達到破碎所需要的力則相對較小。為了研究造成二者破碎力值差異的原因，對其進行切片，使用顯微鏡觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異。

3.3 結(jié)果與討論

糙米縱向截面圖如圖11所示，其中圖11(a)為受到壓縮時，難破碎糙米的縱向截面圖；圖11(b)為受到壓縮時，易破碎糙米的縱向截面圖。從圖中可以明顯觀察到不易破碎的糙米內(nèi)部顏色均勻，而容易破碎的糙米內(nèi)部存在明顯的白色區(qū)域。

(a)不易破碎

通過對兩者進行顯微觀察(見圖12)可以發(fā)現(xiàn)，不易破碎的糙米整體結(jié)構(gòu)一致性很高，由中心位置向四周呈輻射狀態(tài)。易破碎的糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了改變，破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性，從而導(dǎo)致糙米承受破碎的能力下降。

(a)不易破碎

不同品種糙米掃描電鏡斷面影像見圖13。通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)糙米內(nèi)部斷裂存在兩種形式，一種是細(xì)胞間的斷裂，一種是淀粉間的斷裂，細(xì)胞之間的結(jié)合力大于淀粉間的結(jié)合力，故淀粉間斷裂更容易發(fā)生[8]。由圖13可知：糙米結(jié)構(gòu)強度取決于淀粉間的結(jié)合力，受到外部載荷作用時，隨著水分及撞擊力的加大，糙米裂紋寬度加大，造成糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)強度降低。

(a)廣東天優(yōu)3618

4 結(jié)論

(1)靜態(tài)壓縮試驗表明，隨著質(zhì)構(gòu)儀所設(shè)形變量的增加，糙米的破碎率逐漸升高；糙米的破碎力值波動比較大，最小值在50 N左右，最大值可以達到120 N；雖然糙米破碎力值波動范圍比較大，但是基本圍繞80～90 N上下進行波動。

(2)形變量對糙米的破碎力不具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

(3)不同含水率糙米的破碎力不具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異，即含水率11.45%～13.6%對于糙米破碎影響不大。

(4)動態(tài)破碎試驗表明，糙米達到破碎時所受撞擊力值范圍波動比較大，達到破碎最小撞擊力為54.997 N，達到破碎最大撞擊力需要超過100 N。

(5)通過使用顯微鏡對糙米結(jié)構(gòu)進行觀察，發(fā)現(xiàn)外觀發(fā)白的糙米由于糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，導(dǎo)致糙米承受破碎力下降；外觀顏色均勻的糙米內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致性很高，可以承受更大的破碎力。