吳中華，王珊珊，董曉林，李 凱，趙麗娟，張忠杰

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不同溫度及含水率稻米籽粒加工過程破裂載荷分析

吳中華1,2，王珊珊1，董曉林1，李 凱1，趙麗娟1,2，張忠杰3

（1. 天津科技大學機械工程學院，天津 300222； 2. 天津市綠色低碳過程裝備國際聯(lián)合研究中心，天津 300222； 3. 國家糧食局科學研究院，北京 100037）

稻米籽粒在收獲后干燥、倉儲和碾米加工過程中受到不同程度壓縮載荷，過大壓縮載荷將造成籽粒發(fā)生破裂（爆腰），從而降低稻米整米率和經濟價值。籽粒壓縮破裂載荷是稻谷加工1個重要物性參數，該文從統(tǒng)計學角度對稻米籽粒壓縮破裂載荷進行試驗研究。通過機械壓縮測量試驗及大樣本分析，得到稻米籽粒在同一溫度、含水率下，其壓縮破裂載荷存在統(tǒng)計分布特性。定義并采用稻米籽粒中值50和大端破裂載荷90表征稻米壓縮破裂載荷；在低溫低含水率（16℃，14%）時，稻米籽粒的中值50為63 N，90為80 N。研究了稻米加工過程兩大重要工藝參數-溫度和含水率對籽粒破裂載荷的影響，發(fā)現破裂載荷隨溫度升高而下降，隨含水率下降而增大；相比溫度，含水率對破裂載荷影響更大。當稻米從高溫高含水率（60℃，21%）到低溫低含水率（16℃，14%）時，其由橡膠態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)，相應地破裂載荷從35增加到80 N。統(tǒng)計學意義下稻米壓縮破裂載荷數值接近生產實際，更能精確指導稻米加工過程優(yōu)化和產品品質提高。

干燥；應力分析；玻璃化轉變；熱風干燥；稻米；統(tǒng)計學分析

0 引 言

水稻是中國重要的糧食作物，收獲后稻谷將經歷干燥、倉儲和碾米等加工過程，其籽粒在加工過程中受到不同程度的壓縮應力[1-4]。例如，在水稻熱風干燥中，稻谷籽粒內部存在熱濕梯度，并由此產生壓縮應力（擠壓作用）或拉應力[5-8]。在稻谷倉儲中，下層稻米籽粒將受到上部籽粒重力擠壓，而產生壓縮應力；而在碾米過程中，稻米籽粒也將受到一定的擠壓[9-10]。在這些加工過程中，過大壓縮載荷將造成籽粒發(fā)生破裂（爆腰，即應力裂紋）[11-14]，從而降低稻米整米率和經濟價值。因此，稻米籽粒壓縮破裂載荷是稻谷收獲后加工過程一個重要的物性參數，其數值明確對加工過程控制和優(yōu)化是十分必要的。

近年來，針對稻谷干燥爆腰機理[15-17]，前人先后提出應力理論包括熱濕梯度理論、楔應力理論、收縮理論，以及玻璃化轉變理論[18]。在應力理論中，爆腰（應力裂紋）產生的判據一般為：稻粒在干燥和冷卻過程中內部積累熱濕內應力（）大于稻谷抵抗破裂的最大載荷（即破裂載荷）時，應力裂紋將產生。在玻璃化轉變理論中，格里菲思斷裂判據為彈性儲能（2p，為裂紋長度）應當超過一個特定的值（斷裂能）[19]。無論應力理論還是玻璃化轉變理論，稻谷籽粒溫度和含水率都是影響籽粒干燥內應力性質（拉應力或壓應力）和大小的重要因素。同理，稻谷籽粒破裂載荷（）也受溫度和含水率影響。

壓縮破裂載荷作為稻谷籽粒物性參數，隨著籽粒個體不同而有所差異[20]。稻谷籽粒生長環(huán)境，生長時間，收割天氣等不同，籽粒內部成分和含水率不同，物性有差異。國內外研究人員已測量了不同糧食品種（如稻谷、玉米）籽粒的壓縮、剪切破裂載荷等數值[21-23]。然而，稻谷干燥、倉儲和碾米加工處理的是大量稻谷籽粒。前人的稻米籽粒壓縮破裂載荷測量試驗偏重于籽粒個體，樣本量少，將其數值應用于大量籽粒加工過程可能存在偏差。另外，玻璃化轉變對破裂載荷影響也未見相關研究。

因此，本文擬從統(tǒng)計學角度，對稻米籽粒壓縮破裂載荷進行再認識，其目的為：統(tǒng)計學意義下稻米破裂載荷數值明確和表征，以便更好地應用稻米實際加工過程；研究玻璃化轉變基本要素-溫度和含水率，對稻米壓縮破裂載荷的影響。

1 試驗材料、儀器及方法

1.1 試驗材料和儀器

試驗原料為天優(yōu)3301，秈型感溫三系雜交水稻，產自海南省三亞地區(qū)，2016年7月15日收獲；收獲后的稻谷密閉包裝后在2～4 ℃的條件下進行空運和儲藏。帶殼初始濕基含水率為23%，剝殼后稻米初始濕基含水率為22%，淀粉質量分數為65.4%±3.81%，蛋白質質量分數為8.60%±0.01%。稻谷籽粒含有大量淀粉和蛋白質高分子聚合物，在干燥過程易發(fā)生玻璃化轉變現象。

自制控溫裝置；BSA124S-CW電子天平（賽多利斯科學有限公司）；溫度計；CT3食品質構儀（美國Brookfield公司）；DL-101-3BS電熱恒溫鼓風干燥箱（天津市中環(huán)實驗電爐有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 不同含水率稻米樣本制備

為研究含水率對稻米壓縮破裂載荷的影響，需準備不同含水率稻米樣本，其制備流程如下：每次準備樣本時，取約250～300 g稻谷籽粒進行手工剝殼，然后選取顆粒飽滿、無裂紋的籽粒，并從中稱取約200 g稻谷籽粒。按照初始含水率22%計算，將稻谷籽粒平鋪于網篩（直徑300 mm），網篩置于實驗室窗臺（試驗條件為室溫20 ℃，相對濕度為52%）下自然晾曬。自然晾曬過程中，稻米籽粒水分緩慢蒸發(fā)，質量和含水率下降。每隔2 h測量稻谷質量，至預設含水率對應的稻谷質量時（=(?200′0.78)/，例如181.4 g對應于含水率14%、185.7 g于16%、190.3 g于18%、197.5 g于21%），停止晾曬，即制備成預設含水率的稻米樣本批次。該批次樣本制備后，放進密實袋密封以保持含水率穩(wěn)定，并及時進行籽粒破裂載荷試驗。需要指明的是，預設含水率為該批次約100粒的稻米整體含水率，各籽粒含水率有差異，單個籽粒實際含水率在后續(xù)試驗中測定。

1.2.2 單粒破裂載荷試驗

本文中，破裂載荷測量主要采用機械壓力試驗法[24-26]。圖1為破裂載荷試驗裝置示意圖，主要包括自制恒溫腔，CT-3食品質構儀,和計算機。試驗時，先將密封的稻米樣本放入自制恒溫腔約3 h，當稻米溫度達到預設溫度后，開始單粒破裂載荷試驗。取單粒稻米放置在壓縮載物臺正中，利用CT3對稻米籽粒進行壓縮試驗，其中質構儀中探頭和壓縮載物平臺也放置在自制恒溫腔內中，以保持籽粒溫度。經過前期反復試驗知，探頭的壓縮距離為0.2 mm時稻米發(fā)生破裂且稻米籽粒還相對完整，因此本研究中壓縮距離定為0.2 mm。記錄試驗時稻米籽粒的圧縮曲線和稻米溫度。

1.自制恒溫腔 2.載物臺 3.單粒稻米 4.CT-3食品質構儀主機 5.探針 6.計算機

1.2.3單籽粒含水率試驗

完成破裂載荷試驗后的單個稻米籽粒，進行編號（例如，第個稻米籽粒）并立即測量其質量M0，再將該稻米籽粒放置在試紙中，置于DL-101-3BS電熱恒溫鼓風干燥箱中。利用烘箱烘干法在103 ℃下烘干，每30 min取出該稻米籽粒并稱質量，直至恒質量M，然后計算第個稻米籽粒實際含水率X，X=(M0?M)/M0。然后，根據籽粒實際含水率進行歸類處理：當籽粒實際含水率在某個整數含水率±0.5%范圍，則該整數含水率視為籽粒名義含水率（方便歸類）。例如，籽粒實際含水率在14%±0.5%內，則籽粒含水率視為14%。類似地，16%±0.5%為16%，17%±0.5%為17%，18%±0.5%為18%。

1.2.4 統(tǒng)計分析

對所有制備樣本中的每一個稻米籽粒，重復上述機械壓縮和含水率測量試驗，即得到稻米籽粒破裂載荷大樣本數據。根據稻米含水率和溫度進行歸類，對壓縮破裂載荷進行統(tǒng)計學分析。本研究中，保證每一溫度和含水率下，稻谷籽粒壓縮破裂載荷樣本數不少于30粒。

2 試驗結果與分析

2.1 稻米籽粒的壓縮破裂過程

圖2是濕基含水率為14%稻米籽粒在16 ℃（室溫）條件下進行機械壓縮試驗，所獲得的不同載荷變化曲線。從圖2a中可以看出，隨著壓縮過程進行，籽粒所受載荷逐漸增大；當載荷達到峰值時（54 N）開始迅速降低，此載荷峰值即為稻米籽粒壓縮破裂載荷。圖3為采用燈光透射法獲得的多個濕基含水率為14%的稻米籽粒進行破裂載荷試驗后的圖像，可明顯看到籽粒中的大裂紋。

圖2 含水率14%稻谷籽粒在溫度16 ℃的壓縮曲線

圖3 壓縮試驗后稻米籽粒裂紋

圖2b和2c為濕基含水率同為14%的其他稻米籽粒在16 ℃條件下得到的載荷變化曲線，破裂載荷分別為65和79 N，是圖2a中籽粒的54 N的1.46和1.2倍。比較圖2a、2b和2c，可以發(fā)現同一含水率稻米籽粒在相同的試驗條件下所得到的破裂載荷不同，而且數值差別較大。推測其原因為，由于每粒稻谷的生長微環(huán)境有差別，導致稻谷組成成分、成熟度等不同，因而單個稻米籽粒破裂載荷不同。試驗結果表明，稻米籽粒破裂載荷相差較大，之前有文獻[22]用一個固定數值來代表破裂載荷方法不可取，用數值范圍來代表破裂載荷也不夠準確；為了更好表征稻米籽粒破裂載荷，本文采用統(tǒng)計方法來研究籽粒破裂載荷。

2.2 稻米籽粒破裂載荷統(tǒng)計分布

圖4顯示了濕基含水率為14%和21%稻米籽粒在16 ℃下的破裂載荷分布圖。類似于工程常用的粒徑分布圖概念，破裂載荷分布圖定義為指不同破裂載荷范圍內的稻米籽粒的個數所占的比例。圖4a中，橫坐標為籽粒破裂載荷，左側縱坐標為個數比例，定義為該破裂載荷對應的稻米籽粒數占含水率14%稻米籽粒數的比例；右側縱坐標為累積比例，定義為小于某上限破裂載荷籽粒數占含水率14%稻米籽粒數的比例。從圖4a中可以看出，破裂載荷分布范圍為55～85 N，峰值個數比例（圖4a中個數比例最大值）為23.8%，對應破裂載荷約為65 N。類似粒徑分布圖，50定義為累積比例為0.5對應的破裂載荷，用于表達稻米籽粒的平均破裂載荷（圖4a中點所示），其值為63 N，其物理意義為當施加63 N載荷于含水率14%稻米籽粒時，約50%稻米籽粒會發(fā)生破裂。90為累積比例為0.9對應破裂載荷，也稱大端破裂載荷（圖4a中點所示），其值為80 N。圖4中，破裂載荷分布跨度Span，定義Span=(90?50)/50，其值為0.270。分布跨度Span越小，載荷分布越集中。

注：A、B分別為平均破裂載荷、大端破裂載荷。

圖4b顯示了含水率為21%稻谷米粒在16℃下的破裂載荷分布圖。從圖4b可以得到，破裂載荷分布范圍為35～70 N，峰值個數比例為30%，對應破裂載荷約為50 N。平均破裂載荷50=47 N，大端破裂載荷90=60 N，Span=0.277。相對于圖4a，平均破裂載荷下降25.4%，跨度相差2.6%。

2.3 稻米籽粒破裂載荷分布影響因素

稻米籽粒含有大量淀粉和蛋白質等高分子聚合物，隨著干燥過程中溫度和含水率變化，籽粒內部將發(fā)生玻璃化轉變。劉木華等[27-28]應用玻璃化轉變理論分析稻米籽粒內部應力分布，發(fā)現干燥過程中，籽粒表面層為玻璃態(tài)，承受拉應力；而中心層為橡膠態(tài)，承受壓應力。爆腰易發(fā)生在玻璃層和橡膠層之間的交界面，并且交接面位置/形狀在干燥過程中，隨溫度和含水率動態(tài)變化。本文研究的籽粒破裂載荷，可應用于籽粒橡膠層抵抗壓應力情景。本節(jié)內容為結合玻璃化轉變理論，研究玻璃化轉變基本要素-溫度和含水率對籽粒破裂載荷的影響。

2.3.1 含水率對稻谷籽粒破裂載荷分布影響

圖5顯示了不同含水率稻米籽粒在溫度16和60℃下破裂載荷分布圖。從圖5a中可以看出，隨著稻米籽粒含水率降低，破裂載荷分布曲線整體右移，峰值個數比例對應破裂載荷增加，其值為50、55、60、65 N?；趫D5中載荷分布曲線，可以計算得到：當稻米籽粒含水率為21%、18%、16%、14%，平均破裂載荷50依次為47、51、58、63N，大端破裂載荷90依次為60、65、74、80 N，跨度依次為0.277、0.275、0.276和0.270?？梢姡跍囟?6 ℃下，隨著含水率從21%降低至14%，稻米籽粒大端破裂載荷90增加了33.3%，即承壓能力增加，但破裂載荷跨度變化2.5%，相差不大。

圖5 不同含水率稻米籽粒在不同溫度下破裂載荷分布

圖5b顯示了不同含水率稻米籽粒在溫度60 ℃下破裂載荷分布圖。類似于圖5a，隨著稻米籽粒含水率降低，破裂載荷分布曲線整體右移，峰值個數比例對應破裂載荷增加，其值為31、33、45、50 N。類似地，中值破裂載荷50依次為27、33、42、49 N，大端破裂載荷依次為35、42、52、60 N，跨度依次為0.296、0.272、0.238和0.224?？梢?，在溫度60℃下，隨著含水率從21%降低至14%，稻米籽粒大端破裂載荷90增加71.4%，破裂載荷跨度減小24.3%。

圖6顯示了16和60 ℃下稻米籽粒大端破裂載荷90與稻米含水率之間的關系圖?？梢钥闯?，大端破裂載荷90隨含水率增加而減小，兩者之間存在近似線性關系。原因可能為隨著稻米籽粒含水率減少，籽粒體積收縮，籽粒內部淀粉和蛋白質等高分子聚合物進一步緊密結合，籽粒內部結構密實，承壓能力增大。

圖6 大端破裂載荷與含水率線性關系圖

2.3.2 溫度對稻谷籽粒破裂載荷分布影響

圖6也顯示了溫度對稻米破裂載荷的影響。同一濕含量下，溫度越高，稻米大端破裂載荷降低。圖6中，含水率21%下，大端破裂載荷從60降至31 N，降幅達30%；而在含水率14%時，大端破裂載荷從80降至60 N，降幅為25%。

溫度和含水率對稻米籽粒破裂載荷影響，可以用玻璃化轉變理論解釋。根據玻璃化轉變理論的觀點，從稻米玻璃化轉變溫度圖（圖7）中可知，稻米在溫度16 ℃處于玻璃態(tài)，內部淀粉高聚物分子鏈段都不能運動，整體表現為類似玻璃的剛性固體，膨脹系數和擴散系數低，但彈性模量大。在溫度60 ℃時，稻米籽粒處于橡膠態(tài)，分子鏈段發(fā)生運動，表現為高彈性固體，膨脹系數和擴散系數高，但彈性模量小[29-31]。當稻米籽粒由玻璃態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)時，彈性模量降低；在相同載荷下，橡膠態(tài)允許形變大，但抵抗破裂的最大載荷（破裂載荷）減小。

圖8分別顯示了不同含水率（14%、16%、18%、21%）和溫度（16、30、45和60 ℃）的稻米籽粒中值和大端破裂載荷三維分布。以圖8b中的大端破裂載荷為例，稻米籽粒在低溫低濕情況下，破裂載荷較高；而高溫高濕情況下，破裂載荷明顯降低。當稻米從高溫高含水率（60 ℃，21%）到低溫低含水率（16 ℃，14%）時，其由橡膠態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)，相應地破裂載荷從35 N增加到80 N。稻米烘干過程中，內部應力超過破裂載荷將導致應力裂紋（爆腰）。圖8中載荷分布結果為稻米烘干過程降低爆腰率提供方向：一方面，在較低溫度下烘干，以提高稻米破裂載荷值；另一方面，通過干燥-緩蘇工藝減小稻米積累的內部應力，使之小于稻米破裂載荷。同理，在烘干稻米后續(xù)倉儲過程中，低溫儲藏的稻米不易爆腰。

圖7 稻米籽粒玻璃化轉變溫度圖[10]

圖8 稻米籽粒中值和大端破裂載荷三維分布

3 結 論

稻米籽粒壓縮破裂載荷存在統(tǒng)計分布特性。通過壓縮測量試驗及大樣本分析，得到稻米籽粒在同一溫度、含水率下，其破裂載荷仍存在統(tǒng)計分布特性；在低溫低含水率（16 ℃，14%）時，稻米籽粒的中值破裂載荷50為63 N，大端破裂載荷90為80 N。

含水率和溫度是稻米籽粒壓縮破裂載荷的兩大重要影響因素。破裂載荷隨溫度升高而下降，隨含水率下降而增大；相比溫度，含水率對破裂載荷影響更大。

玻璃化轉變理論在解釋稻米破裂載荷變化發(fā)揮重要作用。文中，當稻米從高溫高含水率（60 ℃，21%）到低溫低含水率（16 ℃，14%）時，籽粒由橡膠態(tài)轉變?yōu)椴ＡB(tài)，相應地破裂載荷從35增加到80 N。

[1] 楊俊賢. 淺析稻谷存儲特性及儲存技術[J]. 糧食問題研究，2016(2)：40－42.

[2] 馮永，李萌. 改進顆粒組構力學模型模擬筒倉卸糧成拱細觀機理[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(20)：286－293.

Feng Yong, Li Meng. Simulation of meso-mechanism of silo unloading grain aching based on improved particle composition mechanical model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 286－293. (in Chinese with English abstract)

[3] 孟祥國，鄭先哲，張強. 稻谷及時干燥工藝對品質影響[J]. 農機化研究，2014，36(3)：149－153.

Meng Xiangguo, Zheng Xianzhe, Zhang Qiang. Rice drying in time process impact on the quality[J]. Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(3): 149－153. (in Chinese with English abstract)

[4] 馬興灶，方壯東，李長友. 基于分析法的糧食逆流干燥系統(tǒng)能效評價與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(22)：285－291.

Ma Xingzao, Fang Zhuangdong, Li Changyou. Energy efficiency evaluation and experiment on grain counter-flow drying system based on exergy analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 285－291. (in Chinese with English abstract)

[5] Cnossen A G. The glass transition temperature concept in rice drying and tempering: Effect on milling quality[J]. Transactions of the ASAE. 2000, 43(6): 1661－1667.

[6] Perdon A, Siebenmorgen T J, Mauronmoustakos A. Glassy state transition and rice drying: Development of a brown rice state diagram[J]. American Association of Cereal Chemists, 2000, 77(6): 708－713.

[7] 徐鳳英，黃木水，陳震，等. 稻谷烘干過程中的水分擴散特性與品質特性[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(15)：261－267.

Xu Fengying, Huang Mushui, Chen Zhen, et al. Moisture diffusion characteristics and quality characteristics of rice during drying[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 261－267. (in Chinese with English abstract)

[8] 楊國峰，陳江，王正. 空氣溫度和濕度對稻谷增濕效果的影響[J]. 食品科學，2010，31(7)：28－32.

Yang Guofeng, Chen Jiang, Wang Zheng. Effect of temperature and relative humidity on rice hygroscopicity[J]. Food Science, 2010, 31(7): 28－32. (in Chinese with English abstract)

[9] 胡慶蘭，闕婷婷，任西營，等. 玻璃化轉變在食品貯藏中的應用研究進展[J]. 中國釀造，2013，32(8)：1－4.

Hu Qinglan, Que Tingting, Ren Xiying, et al. Application and research progress of glass transition in food preservation[J]. China Brewing, 2013, 32(8): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[10] 劉木華，吳顏紅，曾一凡，等. 基于玻璃化轉變的稻谷爆腰產生機理分析[J]. 農業(yè)工程學報，2004，20(1)：30－34.

Liu Muhua, Wu Yanhong, Zeng Yifan, et al. Fissure formation in rice kernel based on glass transition theory[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[11] 吳中華，劉兵，王丹丹，等. 稻谷干燥緩蘇特性與裂紋產生規(guī)律研究[J]. 農業(yè)機械學報，2018，49(5)：368－374.

Wu Zhonghua, Liu Bing, Wang Dandan, et al. Drying-tempering characteristics and fissuring law of paddy rice kernel[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 368－374. (in Chinese with English abstract)

[12] Cnossen A G, Jimenez M J, Siebenmorgen T J. Rice fissuring response to high drying and tempering temperatures[J]. Journal of Food Engineering, 2003, 59(1): 61－69.

[13] 馬薦，李成華，王丹陽. 干燥工藝參數對稻谷爆腰率增值的影響[J]. 沈陽農業(yè)大學學報，2009，40(1)：114－117.

Ma Jian, Li Chenghua, Wang Danyang. Experiment study on influence of drying parameters on additional crack percentage of rice in a deep fixed-bed[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2009, 40(1): 114－117. (in Chinese with English abstract)

[14] 任廣躍，王芳，張忠杰，等. 干燥溫度及緩蘇操作對稻谷爆腰的影響[J]. 食品研究與開發(fā)，2013，34(19)：112－114.

Ren Guangyue, Wang Fang, Zhang Zhongjie, et al. Effects of drying temperature and tempering on kernel cracking of paddy[J]. Food Research and Development, 2013, 34(19): 112－114. (in Chinese with English abstract)

[15] 潘登，張朝庭. 稻谷爆腰的機理及應對措施[J]. 農業(yè)機械，2012(30)：53－55.

[16] 吳中華，康寧，董曉林，等. 聲發(fā)射法無損檢測稻谷籽粒應力裂紋[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(16)：274－280.

Wu Zhonghua, Kang Ning, Dong Xiaolin, et al. Non-destructive detection of stress cracking in rice kernel by acoustic emission[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(16): 274－280. (in Chinese with English abstract)

[17] 吳明亮，湯楚宙. 稻谷爆腰機理及影響因素研究進展[J]. 糧油加工，2006(2)：60－63.

[18] Bindzus W, Livings S J, Gloria-Hernandez H, et al. Glass transition of extruded wheat,corn and rice starch[J]. Starch, 2002, 54(9): 393－400.

[19] 何平笙. 新編高聚物的結構與性能[M]. 北京：科學出版社，2009.

[20] Obata M, Ohtsuki K. A study on vertically loaded pile caps part-III: A method to calculate initial cracking load of four pile caps[J]. Transactions of the Architectural Institute of Japan, 1983, 324: 104－110.

[21] 戴飛，張鋒偉，趙武云，等. 種子玉米果穗芯力學特性試驗研究[J]. 中國農機化學報，2017，38(5)：1－5.

[22] 馬秋成，郭耿君，馬婕，等. 蓮仁力學特性參數測定及擠壓破碎特性試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(6)：263－271.

Ma Qiucheng, Guo Gengjun, Ma Jie, et al. Determination of mechanical characteristic parameters and extrusion crushing characteristics test for lotus seed kernel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(6): 263－271. (in Chinese with English abstract)

[23] 蔣敏敏，陳桂香. 基于應力路徑試驗的小麥糧堆力學特性和應力應變關系模型[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(7)：280－287.

Jiang Minmin, Chen Guixiang. Mechanical properties and stress strain model for bulk wheat based on stress path test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 280－287. (in Chinese with English abstract)

[24] 孫靜鑫，楊作梅，郭玉明，等. 谷子籽粒壓縮力學性質及損傷裂紋形成機理[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(18)：306－314.

Sun Jingxin, Yang Zuomei, Guo Yuming, et al. Compression mechanical properties and crack formation law of millet grain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(18): 306－314. (in Chinese with English abstract)

[25] 牛海華，趙武云，史增錄. 玉米籽粒力學特性的研究進展及應用[J]. 中國農機化學報，2011(2)：101－104.

Niu Haihua, Zhao Wuyun, Shi Zenglu. Progress of research and application in mechanical properties of corn kernel[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2011(2): 101－104. (in Chinese with English abstract)

[26] 王方艷，高升. 典型蘿卜力學特性的對比試驗研究[J]. 農機化研究，2019，41(4)：166－169.

Wang Fangyan, Gao Sheng. Comparative experimental study on mechanical properties of typical radish[J]. Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(4): 166－169. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉木華. 水稻干燥品質的模擬和控制機理研究[D]. 北京：中國農業(yè)大學，2000.

Liu Muhua. Study on Simulation and Control Mechanism of Rice Drying Quality[D]. BeiJing: China Agricultural University, 2000. (in Chinese with English abstract)

[28] 李棟. 稻谷干燥應力裂紋生成擴展及抑制的試驗研究和機理分析[D]. 北京：中國農業(yè)大學，2001.

Li Dong. Experimental Study on the Development and Control of Stress Cracks of Rough Rice in Drying[D]. BeiJing: China Agricultural University, 2001. (in Chinese with English abstract)

[29] Zhou Yingwu, Wang Xiaowei, Sui Lili, et al. Effect of mechanical fastening pressure on the bond behaviors of hybrid-bonded FRP to concrete interface[J]. Composite Structures, 2018, 204(15): 731－744.

[30] Cnossen A G, Siebenmorgen T J, Yang W D, et al. An application of glass transition temperature to explain rice kernel fissure occurrence during the drying process[J]. Drying Technology, 2001, 19(8): 1661－1682.

[31] Gulati T, Datta A K. Coupled multiphase transport, large deformation and phase transition during rice puffing[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 139: 75－98.

Analysis of rice compression fracture load in processes with various temperatures and moisture content

Wu Zhonghua1,2, Wang Shanshan1, Dong Xiaolin1, Li Kai1, Zhao Lijuan1,2, Zhang Zhongjie3

(1.300222,; 2.300222; 3.100037,)

Harvested fresh rice kernels would encounter compress load with various intensities in the sequent drying, storage and milling processes. Excess compress load which exceed the fracture load of the rice kernel may cause rice cracking, which reduces the head rice yield and its economical value of the rice kernel. The compress fracture load is an important property parameter of paddy rice in sequent processing and it is necessary to know exactly the value of this parameter. In this paper, the compression fracture load of rice kernel was determined using the statistics analysis method. A series of mechanical compression experiments were conducted on the rice kernels with various moisture contents of 14%-21% and temperatures of 16-60 ℃ and the value of the compression fracture load in each experiment was recorded. Through the large sample statistics analysis, it was found that under the same temperature and moisture content, the compression fracture load of rice kernels had different values which may be caused by the various growing environment and the statistical distribution characteristics was demonstrated for the compression fracture load. In the view of statistics, the concept of the median and large compress fracture load were proposed and used to express the compression fracture load statistically. In the case of the moisture content of 14% and temperature of 16 ℃, the rice kernels was determined to have the median fracture load50 of 63 N and the large fracture load90 of 80 N. The effects of two important process parameters of the rice temperature and moisture content, on the compression fracture load of rice kernel were also investigated and it was found that the compression fracture load decreased with the increase of the rice kernel temperature, and increased with the decrease of the moisture content of the rice kernel, and the moisture content had a greater impact on the fracture load than the temperature. When the moisture content of the rice kernel was decreased from 21%, to 18%, 16% and 14% at the temperature of 16 ℃, the median compression fracture load50 was 47, 51, 58, 63 N and the large compression fracture load90 was 60, 65, 74, 80 N. When the moisture content of the rice kernel was decreased from 21%, to 18%, 16% and 14% at the temperature of 60 ℃, the median compression fracture load50 was 27, 33, 42, 49 N and the large compression fracture load90 was 35, 42, 52, 60 N. The glass transition theory played an important role in explaining the change of the fracture load of rice kernel. In this paper, when the rice kernel from a high temperature and high moisture content (60 ℃, 21%) status changes into a low temperature and low moisture content (16 ℃, 14%) one, it transits correspondingly from the rubber state into the glass state, and the large fracture load90 increased from 35 to 80 N. The fracture load of rice kernels obtained in the view of statistics have more accurate physical meaning and was helpful to rice process optimization and improvement of rice quality.

drying; stress analysis; glass transition; hot air drying; rough rice; statistical analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.035

S5

A

1002-6819(2019)-02-0278-06

2018-09-25

2018-12-17

國家自然科學基金項目（31471618）；國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0400904）

吳中華，博士，教授，主要從事濃縮干燥與粉體工程技術研究。 Email：wuzhonghua@tust.edu.cn

吳中華，王珊珊，董曉林，李 凱，趙麗娟，張忠杰. 不同溫度及含水率稻米籽粒加工過程破裂載荷分析[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(2)：278－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.035 http://www.tcsae.org

Wu Zhonghua, Wang Shanshan, Dong Xiaolin, Li Kai, Zhao Lijuan, Zhang Zhongjie. Analysis of rice compression fracture load in processes with various temperatures and moisture content[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(2): 278－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.02.035 http://www.tcsae.org