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        海南檳榔果實幾何與物理參數(shù)的測量分析

        2021-02-04 05:12:40傅琪彥符秀娟陳俊波林麗珍丁兆建
        科技創(chuàng)新與應用 2021年7期
        關鍵詞:測量

        傅琪彥,符秀娟,陳俊波,林麗珍,丁兆建

        (1.海南職業(yè)技術學院,海南 ???570216;2.瓊臺師范學院,海南 海口 571127)

        1 概述

        海南檳榔產量占全國的97%以上。海南東部的主要檳榔產區(qū)是瓊海市、萬寧市和陵水縣,中部產區(qū)是屯昌縣、瓊中縣和五指山市;西部產區(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致經(jīng)濟整體下行,但檳榔被列入新冠病毒肺炎的中藥配方對檳榔產業(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-點鹵水調味等,其中對檳榔果的切片加工效果直接決定了產品的最終外觀和價值,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,而市場提供的自動切片機械適應性不強、正品產率不高,外觀質量欠佳,因而產品貶值導致廠家不愿采用。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,加強對檳榔果幾何尺寸和物理參數(shù)這些基礎數(shù)據(jù)的研究,將有利于切片加工機械的設計和改善產品品質,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)定點供應的海南檳榔,測量經(jīng)過不同烘干時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,果實的外形尺寸與裝夾定位有關,果實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,摩擦系數(shù)、抗壓強度和硬度的主要影響因素是對應檳榔烘干時間的脫水量。

        2 實驗結果與討論

        2.1 幾何參數(shù)的測量

        檳榔屬棕櫚科植物,果實大致呈橢球形,果皮較軟呈淡綠色至黃棕色,斷面可見網(wǎng)狀溝紋的纖維,能快速風干變硬。實驗前將個別干癟及不成熟的檳榔剔除,隨機選取篩選后的檳榔樣本100 粒,用游標卡尺測量檳榔的長度、腰徑(包括寬度和高度)。烘干實驗中,稱取檳榔鮮果置于電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干。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,冷卻后測量其長度、腰徑(即高度和寬度)以及重量,如此重復烘干到第5 次時,樣品前后兩次質量差不大于3mg,得到絕干重。檳榔樣本隨烘干時間其外形尺寸變化的測量平均值如表1。

        圖1 檳榔烘干時間與外形尺寸的關系

        圖2 檳榔烘干12 小時后的尺寸分布

        根據(jù)表1 中樣本組1 的測量結果繪圖如圖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,烘干時徑向收縮遠小于橫向,橫向收縮各向均勻。果實樣本烘干12 小時后幾何尺寸的統(tǒng)計分布如圖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,實際烘干時使果實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 小時后測量其重量Mn,求出相應的脫水率。烘干12 小時后干果脫水率為79%,而且同一批樣本的結果差異不大。檳榔干果脫水率隨烘干時間的變化如圖3。

        圖3 檳榔干果的脫水率隨烘干時間的變化

        圖4 檳榔干果的密度與脫水率的關系

        密度:檳榔密度的測量方法采用阿基米德定律法。測量的原理是,物質的密度ρ 等于其質量除于體積,即ρ檳榔=M/v,準確稱量得到檳榔的質量M,然后通過排水法測量檳榔的體積 v,就可求出 ρ檳榔。實驗步驟是,(1)稱取檳榔的質量 M;(2)稱取裝有水的容器的質量 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,稱出此時裝有檳榔和水的容器質量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。

        檳榔干果的內部是空心結構,為準確測量檳榔的密度ρ物,需要將檳榔剖開再進行密度測量。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。實驗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。測量結果如圖4,由此得到檳榔干果脫水率為78%時密度平均值為0.627g/cm3。

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

        靜摩擦系數(shù)與檳榔的脫水率明顯相關。脫水率為43%時靜摩擦系數(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,檳榔在有機玻璃、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。

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

        3 結論

        對海南檳榔果的幾何和物理參數(shù)進行了實驗測量分析,得到以下結果:

        圖5 檳榔干果在平板上的摩擦系數(shù)與脫水率的關系

        圖6 檳榔干果不同脫水率時的抗壓強度

        (1)烘干檳榔重量下降到鮮果重量的22%即脫水率為78%時,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,根據(jù)阿基米德定律法測出檳榔的密度約為0.627g/cm3;利用斜面法測量了檳榔在有機玻璃、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;抗壓強度的測量均值為16 MPa。

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