压缩速度与压缩方位对大豆籽粒压缩特性的影响

程绪铎 黄之斌 唐福元 刘帅东 曾 莼 愈 杰

(南京财经大学食品科学与工程学院1，南京 210046)

(粮食储运国家工程实验室2，南京 210046)

作为散粒体的大豆，在其干燥、运输、储藏过程中，均受到压缩载荷，由此使大豆籽粒内部产生应力，应力使籽粒产生形变和裂纹。产生裂纹的大豆籽粒在储藏过程中容易受到微生物和昆虫的侵蚀，影响储藏安全［1－2］。产生形变和裂纹的大豆籽粒降低了其发芽率，且影响其加工质量。大豆籽粒的表观弹性模量和接触刚度以及最大破坏力、最大破坏能、破坏点的变形量等是由其内部结构决定的。它表征大豆籽粒在受压时抵抗其变形和破裂的能力，准确的掌握上述参数，可为粮仓和运输设备结构设计、为大豆通风干燥系统设计提供理论依据，也可为大豆加工机械的设计提供理论依据［3］。

国内外对谷物籽粒压缩特性从20世纪80年代起就有研究［4－6］。袁月明等［7］研究了玉米籽粒的力学性质，结果表明不同品种的玉米籽粒沿不同方位的抗破裂能力有显著差异，玉米籽粒的抗破裂能力主要取决于角质胚乳和种皮的力学特性;当含水率降低时，籽粒的破裂力有所增加，但形变量减小。但是玉米的成分复杂，不容易确定压缩方位，所以玉米籽粒压缩时，平行试验之间的误差较大。Kamst等［8］进行了稻米的应力松弛试验，研究表明稻米是线性黏弹性体，弹性模量和挤压强度随变形速率增大而增大、随温度及含水量增大而减少，在含水量较低时温度影响较大。张洪霞等［9］对大米的压缩进行了研究，如弹性模量、破坏力及破坏应力，并得到不同品种大米的弹性模量不同，并且差异显著，最大破坏力差异极为显著。李诗龙等［10］研究了油菜籽的形态、结构、细胞组织、散体的密度、摩擦因数、弹性模量和泊松比以及渗透性和吸附性等物理特性，但是对油菜籽的压缩特性没有进行系统的研究。张洪霞［11］采用平板加载压头对稻谷籽粒进行应力松弛试验，获得了稻米籽粒应力松弛特性的力学指标，并研究了含水率对稻米籽粒应力松弛特性的影响，通过多项式回归分析建立了稻米籽粒应力松弛各力学指标随含水率变化关系的数学模型，得到结论:不同含水率稻米的松弛模量随含水率的增加而减小，并提出稻米的粘弹性，除了与含水率有关以外，还与温度有关。Zoerb［12］研究了马齿状玉米、小麦、豌豆、豆类植物在不同含水量下缓慢加载的特性，研究表明谷物挤压强度的影响参数是含水量、温度、加载速度和加载位置，但是并没有具体的数据表明加载速度不同及压缩方位的变化对挤压强度的影响规律。大豆籽粒受到不同压缩速度和方位的压缩所表现出来的压缩性质是不同的，到目前为止，国内外并没有加载速度和压缩方位对大豆的压缩特性影响的研究报导，本试验从这两个方面对大豆籽粒的压缩特性进行研究，给出其对大豆籽粒压缩特性的变化规律。

1 材料和方法

1.1 试验材料

大豆:2011年东北黑龙江产秋大豆，外观形状近似椭圆状，温度18 ℃，水分10.69%w.b。

1.2 试验仪器和设备

CT3质构仪:美国Brookfield公司。300游标卡尺:中国桂林量具刃具厂。

1.3 试验方法

1.3.1 试验样品准备

初步选取黑龙江2011年产大豆，在温度为18℃，湿度为60%的气候箱内放置5～6 d。样品水分均匀后，取出少量样品，用105℃恒质干燥法，测得大豆含水量为10.69%w.b。选取1 000粒大小和形状相似的大豆(除去虫蚀和裂纹粒)作为样品库。

1.3.2 试验设备配置选择

选取压缩模式，压缩范围为50 kg。

压缩底座为TA－RT－KIT，压缩探头为 TA10，直径12.7 mm，长度35 mm，圆柱状。

压缩速度为 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，压缩距离为 2.5、3、3、3.5 mm，压缩触发点为 10 g。

每次开机试验前，将质构仪试机预热30 min。

1.3.3 试验压缩方位［Z 轴(短轴)、Y 轴(中轴)、X轴(长轴)］

开机预热完成后，要对不同压缩位置进行压缩最大破坏力的可能范围进行试验。一般选择10粒大豆进行预试验。在选样过程中要选择长宽高相差很小的样品。Z轴、Y轴、X轴不同方位的压缩的示意图如图1所示，在压缩过程中，要保证大豆放置的方位和压缩角度尽可能一样，这样可以最大程度的减少误差。

图1 Z轴、Y轴、X轴压缩试验示意图

1.3.4 试验测定方法

用游标卡尺测定大豆的长(X)，宽(Y)，高(Z)，示意图如图2，以Z轴压缩为例，用式(1)～式(3)计算出大豆的曲率半径RZ、R'Z和参数cosθ。

图2 大豆尺寸测定方法示意图

大豆为椭圆形状籽粒，根据ASAE S368.4DEC 2000(R2006)标准压缩工具选定条件，选择压缩底座为TA－RT－KIT，压缩探头为TA10进行压缩。

根据 ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准，每种样品必须重复20次以上才得到有效结果，因此，本次试验每种压缩方式各选择重复压缩30次［5］。

根据以上的试验数据，以ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准要求，用赫兹公式计算大豆的表观接触弹性模量E。

式中:E为大豆表观接触弹性模量/MPa;F为大豆加载载荷/N;D为大豆的变形量/m;μ为大豆泊松比;RZ、R'Z为大豆上接触面的曲率半径/m;R、R'为大豆下接触面的曲率半径/m;K1、K2为中间常数［由cosθ可在 ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准中对应查询］。

由于大豆与挤压平板两接触面曲率半径几乎相同，所以经过简化后，大豆的表观接触弹性模量公式为:

2 结果与分析

2.1 不同速度和方位压缩时大豆形变与载荷的关系分析

2.1.1 Z轴方向、不同速度压缩时变形与载荷的关系

30个大豆样品压缩试验中，取相同点的数据平均数，作出压缩速度为 0.02、0.1、0.5、1.0 mm/s 条件下，不同压缩方位大豆压缩载荷与变形量的关系曲线，如图3所示。大豆的压缩没有明显的屈服点，

当压缩载荷达到最大破坏力时，大豆产生破裂。

图3 Z轴压缩变形与压缩载荷关系图

2.1.2 Y轴方向、不同速度压缩时变形与载荷的关系

沿Y轴方向，不同压缩速度条件下，压缩载荷随压缩变形的增大而增大，如图4所示。Y轴方向压缩没有明显的屈服点，当压缩载荷达到最大破坏力时，大豆的两片子叶裂开而破碎。

图4 Y轴压缩变形与压缩载荷关系图

2.1.3 X轴方向、不同速度压缩时变形与载荷的关系

沿X轴方向，不同压缩速度条件下，压缩载荷随压缩变形的增大而增大，如图5所示。X轴方向压缩没有明显的屈服点，当压缩载荷达到最大破坏力时，大豆的两片子叶裂开而破裂，不同压缩速度下，大豆籽粒破裂时，压缩的变形不同。

图5 X轴压缩位移与压缩载荷关系图

2.2 不同速度和方位压缩时大豆的压缩参数

对30个大豆样品进行压缩试验，得到样品破裂点的最大载荷、最大破坏能及变形量，根据30个大豆样品的长宽高，由式(1)～式(3)计算出其曲率半径RX、R'X和cosθ，通过查表和插值法计算出K。根据公式(5)，载荷 F 与 D⒊2呈线性关系［4］。运用软件对质构仪获得的载荷与变形量数据进行分析处理;并选取达到PI前的5个点进行一个样品压力与型变量进行回归分析，再对30个样品进行M值分析，得出斜率M。并通过公式算出大豆的表观接触弹性模量。

2.2.1 Z轴压缩时，不同压缩速度条件下的压缩参数

Z轴压缩时，得到大豆的各种参数如表1、表2所示，压缩速度为0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z 轴压缩破裂时最大荷载分别为 117.40、131.38、156.56、163.51 N，并且在同一方位压缩是，随着压缩速度的增加，最大破坏力逐渐增加。破裂时最大破坏能分别为 70.29、77.49、83.88、93.40 MJ，在同一方位压缩是，随着压缩速度的增加，最大破坏能逐渐增加。表观弹性模量分别为312.25、239.05、204.76、181.84 MPa，在同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，表观弹性模量减小。

表1 Z轴压缩参数的平均值、标准差和标准误

表2 不同压缩速度下，Z轴压缩参数的平均值和标准差

2.2.2 Y轴压缩时，不同压缩速度条件下的压缩参数

Y轴方向压缩时，得到大豆的各种压缩参数如表3、表 4 所示。压缩速度为 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Y 轴压缩破裂时最大荷载为 89.76、92.65、109.58、147.68 N，同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，最大破坏力逐渐增加。压缩破裂时最大破坏能分别为 56.26、59.09、73.43、85.99 MJ，同一方位压缩是，随着压缩速度的增加，最大破坏能逐渐增加。压缩时表观弹性模量分别为 175.64、153.51、142.53、134.49 MPa，同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，表观弹性模量减小。

表3 Y轴压缩参数的平均值、标准差和标准误

表4 不同压缩速度下，Y轴压缩参数的平均值和标准差

2.2.3 X轴压缩时，不同压缩速度条件下的压缩参数

X轴方向压缩时，得到大豆的各种压缩参数如表5、表6 所示，压缩速度为0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，X 轴压缩破 裂时最大载荷为 106.43、111.18、125.25、146.28 N，在同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，最大破坏力逐渐增加。压缩破裂时最大破坏能分别为45.26、68.03、83.83、114.77 MJ，在同一方向压缩时，随着压缩速度的增加，最大破坏能逐渐增加。表观弹性模量分别为 187.62、186.99、184.18、153.51 MPa，同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，表观弹性模量减小。

表5 X轴压缩参数的平均值、标准差和标准误

表6 不同压缩速度下，X轴压缩参数的平均值和标准差

2.3 不同压缩方位压缩速度下，压缩参数的比较

不同的压缩位置和不同的压缩速度条件下压缩大豆，大豆破裂点时最大破坏力不同，如图6所示，Z轴、Y轴、X轴方向上压缩，破裂点的最大破坏力随着压缩速度的增加而增加。

图6 不同压缩方位和压缩速度下，大豆籽粒破碎时最大破坏力的变化

不同压缩位置和压缩速度条件下，大豆籽粒压缩破裂时最大破坏能不同，如图7所示，Z轴、Y轴、X轴方向上压缩，随着压缩速度的增加，压缩最大破坏能逐渐增加。

图7 不同压缩方位和压缩速度下，大豆籽粒破碎时最大破坏能的变化

不同的压缩位置和压缩速度条件下，大豆的表观弹性模量变化如图8所示，Z轴、Y轴和X轴压缩时，表观弹性模量随着压缩速度的增大而减小。

图8 不同压缩方位和压缩速度下，大豆籽粒表观弹性模量的变化

3 结论

3.1 压缩速度为 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z轴、Y轴、X轴方向压缩时，Z轴压缩破裂时最大荷载分别为117.40、131.38、156.56、163.51 N，Y 轴压缩破裂时最大荷载为 89.76、92.65、109.58、147.68 N，X 轴压缩破裂时最大载荷为 106.43、111.18、125.25、146.28 N。并且在同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，最大破坏力逐渐增加。

3.2 压缩速度为 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，沿 Z轴、Y轴、X轴方向压缩时，Z轴压缩破裂时最大破坏能分别为 70.29、77.49、83.88、93.40 MJ，Y 轴压缩破裂时最大破坏能分别为 56.26、59.09、73.43、85.99 MJ，X轴压缩破裂时最大破坏能分别为45.26、68.03、83.83、114.77 MJ。并且在同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，最大破坏能逐渐增加。

3.3 压缩速度为 0.02、0.10、0.50、1.00 mm/s，Z轴、Y轴、X轴不同方位压缩时，Z轴压缩时表观弹性模量分别为 312.25、239.05、204.76、181.84 MPa，Y轴压缩时表观弹性模量分别为 175.64、153.51、142.53、134.49 MPa，X 轴压缩时表观弹性模量分别为 187.62、186.99、184.18、153.51 MPa。并且在同一方位压缩时，随着压缩速度的增加，表观弹性模量减小。

3.4 通过对大豆长(X轴)、宽(Y轴)、高(Z轴)3个不同方位上的压缩试验得知:Y轴、X轴、Z轴压缩的最大破坏力、最大破坏能依次增大，表观弹性模量依次变小。Z轴压缩，大豆的破裂是子叶中间断裂，Y轴和X轴压缩，大豆的破裂是两片子叶之间裂开。

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