張黎驊，張 文，秦 文,*，李明霞

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 610044；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014)

花生是一種高營養(yǎng)的食品，含有蛋白質(zhì)2 5%～36%，脂肪可達(dá)40%以上，還含有豐富的VB2、VPP、VA、VD、VE、鈣和鐵等[1]?；ㄉ臓I養(yǎng)價(jià)值比糧食類高，可與雞蛋、牛奶、肉類等一些動(dòng)物性食物媲美，是近年特別為人們所關(guān)注的優(yōu)質(zhì)食品和食用油來源。對花生進(jìn)行深加工時(shí)，都必須對其進(jìn)行脫殼，花生脫殼是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，處理不當(dāng)會(huì)造成大量花生粒損傷和破裂、嚴(yán)重影響其加工產(chǎn)品的品質(zhì)。目前劉紅力等[2]對花生破殼力學(xué)特性進(jìn)行了初步研究。為進(jìn)一步深入研究花生脫殼的力學(xué)特性，本研究對花生進(jìn)行三因素三水平重復(fù)區(qū)組試驗(yàn)，以期得到花生脫殼的最佳參數(shù)組合。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

花生為四川紅米花生(Arachis hypogaeaL.)，是四川花生主栽品種。

LDS-W10A型微機(jī)控制電子拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī) 杭州艾斯達(dá)特檢測儀器有限公司；20-T(AS) 電熱恒溫干燥箱 南通聯(lián)豐計(jì)量技術(shù)有限公司；JD2000-2電子天平 北京中儀友信科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花生殼厚度的測量

選取四川紅米花生3組，每組30個(gè)樣本，用游標(biāo)卡尺測量花生殼頂部、腰部、柄部各部位的厚度并記錄[3-5]。

1.2.2 花生施壓的力學(xué)實(shí)驗(yàn)

用LDS微機(jī)控制電子拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行不同方向花生受壓的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對含水率為15.8%(濕基)的四川紅米花生分別沿x、y、z三維方向以10mm/min速度進(jìn)行施壓至破殼[6-11]。并測定花生破裂時(shí)的破損力。

破損力測定的方法如下：采用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)以不同速度對花生施壓，當(dāng)壓頭接觸到花生時(shí)，其顯示器開始顯示壓力數(shù)據(jù)；直到花生因受力增大開始破裂時(shí)，壓力驟減而自動(dòng)停機(jī)，記錄壓力峰值；每次實(shí)驗(yàn)時(shí)任意選用含水率相同的10顆花生，最后取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值[2,9,12]。

1.2.3 花生受壓正交試驗(yàn)

對四川紅米花生進(jìn)行了以花生破損力為目標(biāo)參數(shù)，以含水率、施壓速率和施壓方向?yàn)橐蛩剡M(jìn)行了三因素三水平有重復(fù)觀測值的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)按L9(34)排列。試驗(yàn)重復(fù)兩組，每組做5次，取平均值。因素水平表如表1所示[13]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Matlab軟件進(jìn)行回歸分析和SAS軟件進(jìn)行極差和方差分析[14-15]。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table1 Factors and levels in the orthogonal array design

2 結(jié)果與分析

2.1 花生殼厚度測定與分析

四川紅米花生殼不同部位厚度的測量值和方差分析結(jié)果如表2、3所示。

表2 四川紅米花生殼厚度測量結(jié)果Table2 Thickness of peanut shell measured at different positions

表3 四川紅米花生殼厚度方差分析表Table3 Variance analysis for the thickness of peanut shell measured at different positions

經(jīng)過F檢驗(yàn)，得到F=F0.05(2,87)=4.88，F(xiàn)＜F0.05，這表示各處理間的數(shù)據(jù)沒有顯著差異，即可以證明不同部位的殼厚差異不明顯。因此，可將花生殼厚看成是均勻的。

2.2 花生壓力分析

紅米花生準(zhǔn)靜態(tài)施壓實(shí)驗(yàn)方法參考文獻(xiàn)[10]、[16]，其壓力與變形關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 花生受力與變形量的關(guān)系曲線Fig.1 Curves between loading force and degree of deformation of peanut shell

由圖1可知，在一定范圍內(nèi)，花生所受壓力與變形量之間呈線性增長關(guān)系，表明此刻發(fā)生了彈性變形。隨著壓力的逐漸增加，彈性變形和塑性變形同時(shí)發(fā)生。在加載的后期階段，塑性變形是主要的。當(dāng)壓縮至花生承受某一載荷時(shí)，花生殼開始出現(xiàn)裂紋，此時(shí)花生的強(qiáng)度降低，圖中的曲線開始下降。此時(shí)，所對應(yīng)的最大壓力即為花生破損力。

在彈性變形范圍，參考文獻(xiàn)[7]方法擬合花生受力與變形量的線性回歸方程為：

2.3 花生施壓力學(xué)特性的主要影響因素

2.3.1 施壓方向?qū)ㄉ茡p力的影響

由圖1可知，紅米花生從不同方向施壓時(shí)，花生所需的破損力是明顯不同的。沿x向施壓時(shí)花生所需的破損力最小(36.34N)，而沿y向施壓時(shí)，花生所需的破損力最大(48.59N)，而且變形也大，容易使花生米破裂，所以，y方向是影響花生脫殼品質(zhì)最不利的因素。

對3個(gè)方向出現(xiàn)最大破損力處進(jìn)行單因素方差分析，得到F=16.3574＞F0.01(2,12)=6.93，說明花生施壓方向?qū)ㄉ畲笃茡p力影響顯著。

2.3.2 含水率對花生破損力的影響

由圖2可知，花生破損力與濕基含水率(4.85%～32%)呈顯著相關(guān)(在x方向：F=22.4510＞F0.01(3,16)=5.29；在z方向：F=23.4404＞F0.01(3,16)=5.29)，最小破損力發(fā)生在含水率為15.8%，因?yàn)榛ㄉ暮试降?，花生殼的脆性越大，其能夠抵抗破裂的能力就越小。所以，花生含水率?5.8%情況下脫殼其能量消耗最小。但含水率過高時(shí)(大于濕基含水率25%)，花生殼較軟容易變形，不易破裂。

含水率和破損力之間為非線性關(guān)系，在x方向時(shí)，其回歸方程為：

式中：F為花生破損力/N；M為花生濕基含水率/%。

2.3.3 施壓速率對花生破損力的影響

圖3 施壓速率與花生破損力的關(guān)系曲線Fig.3 Effect of loading rate on breaking force of peanut shell

從圖3可以看出，當(dāng)含水率在15.8%時(shí)，花生破損力與施壓速率是顯著相關(guān)(F=7.1511＞F0.01(3,16)=5.29)，隨著施壓速率的增加，花生破損力明顯下降。其線性回歸方程為：

當(dāng)含水率為7.35%時(shí)，花生破損力與施壓速率無顯著相關(guān)(F=0.9842＜F0.05(3,16)=3.24)。

2.4 正交試驗(yàn)分析

由表4可知，最優(yōu)水平組合為A3B1C2。即花生施壓方向?yàn)轫斆?x向)、施壓速率為30mm/min、含水率15.8%。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其破損力為22.53N，小于試驗(yàn)組9的破損力。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析Table4 Orthogonal experimental results and range analysis

表5 方差分析表Table5 Variance analysis for the breaking force of peanut shell with various cracking conditions

由表5可知，模型誤差與實(shí)驗(yàn)誤差差異極顯著，說明實(shí)驗(yàn)因素間交互作用極顯著，因此，其因素間交互作用有待于進(jìn)一步研究[18]。F檢驗(yàn)結(jié)果表明，施壓方向、施壓速率、花生含水率對花生破損力都有極顯著影響；區(qū)組間差異不顯著。

為找出各因素最優(yōu)水平組合，還需進(jìn)行處理間的多重比較。其分析結(jié)果如6表所示。

表6 各處理平均數(shù)多重比較表(LSD法)Table6 Multiple comparison analysis for the orthogonal experimental results (LSD method)

由文獻(xiàn)[18]可知，各處理均值標(biāo)準(zhǔn)誤為：

式中：MSe為實(shí)驗(yàn)誤差的平方均值；r為模型誤差的自由度；取值見表5。

由表6各處理平均數(shù)多重比較分析可知，除試驗(yàn)組4與試驗(yàn)組7、試驗(yàn)組4與試驗(yàn)組8、試驗(yàn)組8與試驗(yàn)組7處理平均破損力差異不顯著外，其余各處理破損力間差異極顯著。

3 結(jié) 論

3.1 花生在被壓縮時(shí)，均會(huì)經(jīng)過彈性變形、塑性變形和突然破裂3個(gè)階段；但當(dāng)花生過濕(含水率在25%以上)時(shí)，花生一直呈彈性變形，而很難壓破。

3.2 花生施壓方向、施壓速率、花生含水率與花生破損力均為極顯著相關(guān)，要使花生脫殼破損力最小時(shí)，最優(yōu)水平組合為花生施壓方向?yàn)轫斆?x向)、施壓速率為30mm/min、含水率15.8%。

3.3 模型誤差與實(shí)驗(yàn)誤差差異極顯著，說明實(shí)驗(yàn)因素間交互作用極顯著，其因素間交互作用有待于進(jìn)一步研究。

[1] 萬連步, 楊力, 張民.花生[M].濟(jì)南: 山東科技出版社, 2004: 3-5.

[2] 劉紅力, 張永麗, 高連興, 等.花生脫殼力學(xué)特性試驗(yàn)[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 37(6): 900- 902.

[3] ARMAN K.Some physical properties of lentil seeds[J].J Agric Engng Res, 1996, 63(2): 87-92.

[4] FASINA O O.Physical properties of peanut hull pellets[J].Bioresource Technology, 2008, 99(5): 1259-1266.

[5] AYDIN C.Physical properties of almond nut and kernel[J].Journal of Food Engineering, 2003, 60(3): 315-320.

[6] 郭貴生, 呂新民, 郭康權(quán), 等.油菜籽脫殼機(jī)脫殼性能試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(1): 148-150.

[7] 潘周光.茶葉梗莖剪切特性與嫩度關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].茶葉科學(xué),2008, 28(6): 425-428.

[8] FASINA O O.Compressibility and physical properties of peanut hull grinds[C].2007 ASAE Annual Meeting, 2007: 61-62.

[9] 楊玉芬, 張永麗, 張本華, 等.典型玉米種子籽粒的靜壓破損試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2008(7): 149-151.

[10] 趙學(xué)篤, 馬中蘇, 孫永海, 等.玉米籽粒力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996(1): 60-66.

[11] AYDIN C.Some engineering properties of peanut and kernel[J].Journal of Food Engineering, 2007, 79(3): 810-816.

[12] 曹玉華, 李長友, 張?jiān)鰧W(xué), 等.蓖麻蒴果脫殼的力學(xué)分析[J].食品科學(xué), 2008, 29(8): 137-139.

[13] 馬成良, 張海軍, 李素平.現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及應(yīng)用[M].鄭州:鄭州大學(xué)出版社, 2007: 121-159.

[14] 包研科, 李腕絹.數(shù)理統(tǒng)計(jì)與MATLM數(shù)據(jù)處理[M].沈陽: 東北大學(xué)出版社, 2008: 131-177.

[15] 明道緒.高級(jí)生物統(tǒng)計(jì)[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2006: 296-298.

[16] OGUNJIMI L A O, AYIARA N A, AREGBESOLA O A.Some engineering properties of locust bean seed[J].Journal of Food Engineering,2002, 55(2): 95-99.

[17] 陳魁.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京: 清華大學(xué)出版社, 2006: 21-38.

[18] 明道緒.田間實(shí)驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)分析[M].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2008:241-255.