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        糙米破碎多因素試驗(yàn)研究

        2022-10-28 01:18:30張興振曹憲周王鑫宇
        糧食與飼料工業(yè) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        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(jià)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(jìn)行了大量的研究。李陽等[1]使用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行了稻谷外殼拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究。李耀明等[2]進(jìn)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(yùn)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(jī)械力時(shí)應(yīng)力裂紋的生成擴(kuò)展機(jī)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(jī)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(kuò)展。馮帥博等[8]進(jìn)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?yàn)樽矒魟恿?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(jìn)行破碎率測定和裂紋估計(jì)。Shimizu等[11]通過對不同品種谷粒樣品進(jìn)行先增加含水率再烘干的試驗(yàn),然后對糙米裂紋進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并對裂紋的尺寸分布進(jìn)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(jìn)行擠壓破碎試驗(yàn),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(yàn)

        1.1 試驗(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

        圖1 TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀

        1.2 試驗(yàn)方法

        本試驗(yàn)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(yàn),每組選取20粒糙米。8組試驗(yàn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

        (a)形變量33%

        從糙米靜態(tài)破碎試驗(yàn)結(jié)果圖可以看出,試驗(yàn)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(jìn)行波動。

        表1是糙米靜態(tài)破碎試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

        表1 糙米靜態(tài)破碎試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

        為探究形變量對糙米破碎力是否產(chǎn)生顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,對其進(jìn)行單因方差分析。由于所進(jìn)行的8組試驗(yàn)中存在未破碎顆粒,故在8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取10個(gè)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(yàn)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(jì)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(jìn)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(yàn)結(jié)果見圖3,含水率13.6%糙米靜態(tài)破碎試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果圖分析可以看出:當(dāng)形變量低于34%時(shí)均存在沒有破碎的糙米;而當(dāng)形變量達(dá)到或超過34%時(shí),糙米破碎率將達(dá)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(jìn)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(jì)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(yàn)設(shè)備

        試驗(yàn)設(shè)備采用自制的撞擊力試驗(yàn)平臺,主要由頭槌、傳感器、機(jī)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?jì)算機(jī)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(yàn)臺

        2.2 試驗(yàn)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(yàn)共進(jìn)行4組,每組選取20顆糙米進(jìn)行糙米動態(tài)破碎試驗(yàn)。

        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(yàn),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(yàn)結(jié)果進(jìn)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(dá)到22 mm時(shí),糙米破碎率已經(jīng)達(dá)到100%。糙米達(dá)到破碎時(shí)所受撞擊力波動范圍比較大。達(dá)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(yàn)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(dá)到破碎時(shí)所受撞擊力波動范圍比較大的原因有以下兩點(diǎn):(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(shí)間段內(nèi),糙米在前一段時(shí)間已經(jīng)破碎,而糙米與頭槌在后半段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)接觸施加力,從而造成測得的力比實(shí)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(yàn)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(yàn)方法

        通過對糙米破碎試驗(yàn)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(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),外觀顏色均勻的糙米達(dá)到破碎所需要的力比較大,而外觀顏色發(fā)白的糙米達(dá)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(jìn)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(shí),難破碎糙米的縱向截面圖;圖11(b)為受到壓縮時(shí),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(jìn)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(qiáng)度取決于淀粉間的結(jié)合力,受到外部載荷作用時(shí),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(qiáng)度降低。

        (a)廣東天優(yōu)3618

        4 結(jié)論

        (1)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)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(dá)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(jìn)行波動。

        (2)形變量對糙米的破碎力不具有顯著的統(tǒng)計(jì)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(jì)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(yàn)表明,糙米達(dá)到破碎時(shí)所受撞擊力值范圍波動比較大,達(dá)到破碎最小撞擊力為54.997 N,達(dá)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(jìn)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。

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