小麦籽粒压缩特性的实验研究

程绪铎，杜小翠，高梦瑶，冯家畅

(南京财经大学 食品科学与工程学院，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210046)



小麦籽粒压缩特性的实验研究

程绪铎，杜小翠，高梦瑶，冯家畅

(南京财经大学 食品科学与工程学院，江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心，江苏 南京 210046)

摘要：使用Brookfield质构仪对两个品种小麦(宁麦13，鲁原502)籽粒在短轴和中轴上进行了压缩试验，测定并计算出小麦籽粒的压缩特性，分析了含水率对小麦籽粒压缩特性的影响，给出了小麦籽粒压缩破坏力与含水率关系模型。实验及计算结果表明：随着含水率的增加，小麦籽粒的破坏力减小，与含水率呈线性关系，破坏能、表观接触弹性模量、破坏应力等减小，然而，破坏应变增大。小麦品种的籽粒尺寸越大，其压缩特性(破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、破坏应力)越大，小麦含水率达到一定程度时(宁麦13含水率为18.01 % w.b.，鲁原502含水率为16.92 % w.b.) ，籽粒结构软化，压缩时不出现破裂。

关键词：小麦；籽粒；含水率；压缩特性

小麦在收获、储运及干燥的过程中受到压缩与撞击，受到压力的小麦籽粒会产生变形，甚至发生破裂，从而降低种子的发芽率、危及储藏安全、降低其加工产品的质量[1]。研究小麦籽粒受压缩载荷时的破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量等压缩特性可为粮食的收割、储藏、运输、加工等设备的设计及干燥工艺设计提供技术参数，从而减少小麦在此过程中的损失[2]。

国内外对粮食的籽粒压缩特性的研究始于20世纪60年代。Shelef等[3]用拉伸压缩仪对小麦籽粒进行单轴压缩实验，得到压缩力与变形量的关系，给出了小麦籽粒变形量与压缩力的关系曲线。Brass等[4]利用拉伸压缩仪对玉米籽粒进行压缩，结果表明：玉米籽粒的压缩特性随结构的不同而变化，不同的结构承受撞击的能力不同。玉米籽粒破裂的过程是首先在内部结构尖冠上发生，然后依次是胚、粉质淀粉、角质淀粉，最后是种皮破裂。Kamst和Bonazzil[5]对稻米进行了应力松弛实验，揭示了稻米的粘弹性，研究结果表明：表观弹性模量和压缩强度与变形速率成正比关系，与温度及含水率成反比关系，温度的影响主要发生在含水率较低的稻米。马小愚等[6]采用自制的物料压缩性能测试仪对大豆籽粒进行实验，实验结果表明含水率对籽粒的屈服力及破坏力的影响极其显著。丁林峰等[7]采用拉伸压缩仪研究了稻谷籽粒的压缩特性，实验结果给出了不同品种稻谷籽粒的压缩力与变形曲线，表观接触弹性模量和最大破坏力等压缩特性参数，实验结果表明不同品种稻谷籽粒的最大破坏力和表观接触弹性模量差异明显。程玉来等[8]采用万能实验机对辽宁省生产的17个品种的小麦籽粒的腹面和侧面进行了压缩和剪切实验，得出了小麦籽粒的抗破碎力、剪切力值，给出了抗破碎力、剪切力与品质性状的关系。程绪铎等[9]利用质构仪研究了压缩速率与压缩方位对大豆籽粒压缩特性参数的影响。以上研究只是对小麦籽粒压缩特性某一方面的研究，不够系统，实验条件不明确。因此，本文以产自江苏和山东的两个品种小麦为例，利用质构仪系统测定其籽粒的破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、破坏应力，并给出小麦籽粒压缩特性与含水率关系的模型。

1材料与方法

1.1实验材料

本试验选用两个品种小麦：宁麦13，产地江苏淮安；鲁原502，产地山东济宁。原始含水率及籽粒尺寸见表1。

表1　样品含水率及尺寸

1.2实验仪器

BROOKFIELD质构仪：CT3(50 kg，美国生产)，HG202-2(2A/2AD)干燥箱(南京市盈鑫实验仪器有限公司生产)，AL204型分析天平(上海市嘉定粮油仪器有限公司生产)，JSFD-粮食粉碎机(上海市嘉定粮油仪器有限公司生产)。

1.3实验原理

椭圆形谷物籽粒的压力与变形量关系曲线有两种情况，一种是曲线上有屈服点与破裂点，另一种是曲线上有破裂点但没有屈服点，PI点为曲线斜率变换点，两种情况的曲线如图1所示。

图1　凸形物料的力与变形量曲线

(1)用游标卡尺测定小麦籽粒的三轴长度，见图2，X轴为长轴，Y轴为中轴，Z轴为短轴。对Z轴进行压缩，由(1)式、(2)式和(3)式计算给出小麦籽粒与两压力平面接触部分的曲率半径R，R′和参数cosθ如下

R=[(X/2)2+(Z/2)2]/Z

(1)

R′=[(Y/2)2+(Z/2)2]/Z

(2)

cosθ=(1/R′-1/R)/(1/R′+1/R)

(3)

图2　小麦籽粒尺寸示意图

(2)小麦籽粒为椭圆形状，按照ASAES368.4DEC2000(R2006)[10]标准，选取压缩底座型号为TA-RT-KIT、压缩探头型号为TA10进行压缩实验。

(3)按照ASAES368.4DEC2000(R2006)标准，每种样品取20次以上进行重复压缩试验才得到有效结果，在本文的实验中，每个含水率的样品选取30粒进行重复压缩。

(4)根据实验测出的30个样品的压缩力与变形量数据，绘出压缩力与压缩变形量的关系曲线，曲线最高点对应的力是压缩破坏力，此点对应的横坐标数值是压缩破坏变形量，小麦籽粒破坏变形量与原长的比值为破坏应变，压缩破坏变形量之前的压缩作用力与变形量曲线与横轴之间的面积是压缩破坏能。

(4)其中，E为弹性模量(MPa)，F为加载载荷(N)，D为变形量(m)，μ为泊松比，R、R′为小麦籽粒上、下的曲率半径(m)，K为中间参数[由cosθ和ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准中的表2查出]，泊松比μ选为0.4。

(6)小麦籽粒破裂时小麦与压力板接触面的半长轴a与半短轴b按下面的公式计算：

(5)

(6)

其中，FR是破坏力，m， n可查表2得到。

小麦籽粒的破坏应变计算公式：

(7)

1.4实验方法

(1)实验样品的准备：除去原始小麦样品中的杂质，取部分样品，采用105 ℃恒质干燥法测定小麦初原含水率。按照下面的方法调制小麦的含水率：依据(8)式计算出调制到目标含水率所要增加的蒸馏水质量，增加的蒸馏水加入小麦中，密封袋密封加水的小麦，放置在15 ℃人工气调箱中，一周后，选取1 000粒大小和形状相似的小麦籽粒作为样品库。实验时将样品拿出放在室温条件下2h，然后进行试验。

(8)

其中：Q为所需增加蒸馏水的质量(kg)，Wi为小麦的质量(kg)， Mi为调节前小麦含水率(%w.b.)， Mf为调节后小麦含水率(%w.b.)。

(2)实验样品压缩特性测定的环境温度选定：测定实验样品的压缩特性的实验室装有空调，温度设定为20 ℃， 实验前需将样品拿出放在实验室2h后进行实验。

(3)压缩籽粒方位的确定：因小麦籽粒的形状及质构仪定位方式的限制，只能对小麦籽粒进行短轴(Z轴)和中轴(Y轴)方向的压缩。实验前，选取10粒小麦进行预实验。小麦籽粒短轴(Z轴)、中轴(Y轴)方向的压缩示意图如图3所示，探头压缩小麦籽粒时，要尽量使小麦籽粒短轴或中轴垂直于压缩平台，这样可以最大程度的减少试验数据的误差。

图3　短轴、中轴压缩示意图

(4)实验设备配置选择：1)选定压缩模式，压缩力范围为50kg；2)承受压力底座型号为TA-RT-KIT，压缩探头型号为TA10，探头为圆柱状，其直径为12.7mm，长度为35mm；3)压缩速率为0.02mm/s，压缩路程为1.5mm，压缩力触发点为10g；4)每次开机实验时，质构仪试机预热0.5h。

2实验与计算结果

2.1宁麦13籽粒压缩特性实验与计算结果

(1) 短轴(Z轴)方向压缩时籽粒压缩特性

不同含水率的小麦籽粒短轴(Z轴)方向的压缩特性如表3所示。 由于含水率18.01 %w.b.的小麦籽粒太软，其短轴方向上压缩时不破裂，故无法得到该含水率下小麦籽粒的压缩特性。

表3　不同含水率的宁麦13小麦籽粒在Z轴上的压缩特性

(2)中轴(Y轴)方向压缩时小麦籽粒的压缩特性

不同含水率的小麦籽粒中轴(Y轴)方向压缩的压缩特性如表4所示。

表4　不同含水率的宁麦13小麦籽粒在Y轴上的压缩特性

从表3、表4可以看出，随着宁麦13含水率的增加 (9.84%～15.5 %w.b.)，籽粒的压缩破坏力减小，短轴方向破坏力为98.15～83.87 N，中轴方向破坏力为106.63～70.83 N；籽粒的压缩破坏能减小，短轴方向破坏能为15.55～10.79 mJ，中轴方向破坏能为26.74～12.11 mJ；籽粒的压缩破坏应变增大，短轴方向破坏应变为0.088 7～0.134 3, 中轴方向破坏应变为0.073 8～0.130 1；籽粒压缩表观接触弹性模量减小，短轴方向弹性模量为343.86～258.37 MPa，中轴方向弹性模量为349.12～268.82 MPa；籽粒的压缩破坏应力减小，短轴方向破坏应力为77.55～60.82 MPa，中轴方向破坏应力为80.53～59.03 MPa。

(3)小麦籽粒破坏力与含水率的关系模型

在含水率为9.84%～15.50 %w.b.时，小麦籽粒的破坏力从98.15 N减少到83.87 N，几乎成线性负相关，根据结果可拟合短轴方向压缩破坏力与含水率的关系模型为

FR= -2.576 8w+124.06(R2=0.985 8)

(9)

在含水率为9.84%～18.01 %w.b.时，小麦籽粒的破坏力从106.63N减少到62.46N，几乎呈线性负相关，根据结果拟合中轴方向压缩破坏力与含水率的关系模型为

FR= -5.357 1w+156.3 (R2=0.975 9)

(10)

其中，w表示含水率(%w.b.)，w∈[9.84，18.01]；FR表示小麦籽粒的破坏力(N)。

2.2鲁原502籽粒压缩特性的实验与计算结果

(1)短轴(Z轴)方向压缩时籽粒压缩特性

不同含水率的小麦籽粒短轴(Z轴)方向的压缩特性如表5所示。由于含水率16.92 %w.b.的小麦籽粒太软，其Z轴方向上压缩时不破裂，所以无法得到该含水率下小麦籽粒的压缩特性。

表5　不同含水率的鲁原502籽粒在Z轴上的压缩特性

(2)中轴(Y轴)方向压缩时小麦籽粒的压缩特性

不同含水率的小麦籽粒中轴(Y轴)方向压缩的压缩特性如表6所示。

表6　不同含水率的鲁原502小麦籽粒在Y轴上的压缩特性

从表5和表6可以看出，随着鲁原502含水率的增加(9.62%～15.14 %w.b.)，籽粒的压缩破坏力减小，短轴方向破坏力为132.72～109.62 N，中轴方向破坏力为106.11～81.79 N；籽粒的压缩破坏能减小，短轴方向破坏能为18.54～14.72 mJ，中轴方向破坏能为15.36～12.72 mJ；籽粒的压缩破坏应变增大，短轴方向破坏应变为0.094 6～0.117 3, 中轴方向破坏应变为0.073 5～0.087 6；籽粒的压缩表观接触弹性模量减小，短轴方向弹性模量为366.24～287.54 MPa，中轴方向弹性模量为352.18～291.67 MPa；籽粒的压缩破坏应力减小，短轴方向破坏应力为88.97～71.04 MPa，中轴方向破坏应力为85.39～69.05 MPa。

(3)小麦籽粒破坏力与含水率的关系模型

在含水率为9.62%～15.14 %w.b.时，小麦籽粒的破坏力从132.72 N减少到109.62 N，几乎成线性负相关，根据结果拟合短轴方向压缩破坏力与含水率的关系模型为

FR= -4.241 9w+173.93(R2=0.980 9)

(11)

在含水率为9.62%～16.92 %w.b.时，小麦籽粒的破坏力从106.11N减少到69.90N，几乎成线性负相关，根据结果可拟合中轴方向压缩破坏力与含水率的关系模型为

FR= -4.747 4w+152.86(R2=0.972 2)

(12)其中，w表示含水率(%w.b.)，w∈[9.62，16.92]；FR表示小麦籽粒的破坏力(N)。

3两个品种小麦压缩特性的比较

对比表3～表6两个品种小麦的压缩特性发现，小麦籽粒的尺寸(长轴、中轴、短轴)越大，其压缩特性(破坏力、破坏能、破坏应变、弹性模量、破坏应力)越大。小麦含水率高到一定程度时(宁麦13含水率为18.01 %w.b.， 鲁原502含水率为16.92 %w.b.)籽粒结构软化，压缩时不出现破裂。

参考文献:

[1] 冯和平，毛志怀. 含水率、干燥温度和应力裂纹对玉米力学性能影响的实验研究[J]. 粮油加工与食品机械，2003(4): 48-50.

[2] D. Dariusz. Mechanical properties of single kernel of wheat in relation to debranning ratio and moisture content[J]. Acta Agrophysica，2004，4(2): 283-290.

[3] L. Shelef, N. Mohsehin. Evaluation of the modulus of elasticity of wheat grain [J].Cereal Chemistry. 1967, 44(6): 392-403.

[4] R. W. Brass，S. J. Marley, S. Roller. Low damage corn shelling cylinder[J]. Trans of the ASAE，1973，16(2):64-66.

[5] G. F. Kamst, C. Bonazzi, J. Vasseure, et al.. Effect of deformation rate and moisture content on the mechanical properties of rice grain [J]. Transactions of the ASAE, 2002, 45(1): 145-151.

[6] 马小愚, 雷得天. 大豆籽粒力学性质的试验研究[J]. 农业机械学报, 1988, 9(3): 69-75.

[7] 丁林峰，李耀明，徐立章. 稻谷压缩实验的接触力学分析[J]. 农机化研究, 2007, (12): 112-114.

[8] 程玉来，孙戌旺. 小麦籽粒抗剪切力与其品质性状的关系[J]. 农业工程学报, 2009, 25(6): 314-316.

[9] 程绪铎, 黄之斌，唐福元，等. 压缩速度与压缩方位对大豆籽粒压缩特性的影响[J]. 中国粮油学报, 2013, 28(2): 10-14.

[10] ASAE S368.4 DEC2000(2006) Compression test of food material of convex shape[S].ST Joseph: American Society of Agriculture and Biological Engineers, 2006.

Experimental Study on the Compression Properties of Wheat Grain

CHENG Xu-duo, DU Xiao-cui, FENG Jia-chang, GAO Meng-yao

(College of Food Science and Engineering，Collaborative Innovation Center for Modern Grain Circulation and Safety, Nanjing University of Finance and Economics, Nanjing, Jiangsu 210046, China)

Abstract:The Brookfield texture analyzer is used to take compression test to determine the compression properties of wheat grain of two varieties (Ningmai 13, Luyuan 502). The influence of the moisture content on compression properties of wheat grain is discussed. The relationship model between the compression destructive force and moisture content of wheat is given. The result shows that with the increase of moisture content, the destructive force decreases, taking on a linear relationship with water content, and with the increase of moisture content, the destructive energy, the elastic modulus and the destructive stress decrease, however, the destructive strain increases. The bigger the size of grain of wheat variety, the greater the compression properties.

Key words:wheat, grain, moisture content, compression properties

文章编号：1007-4260(2016)01-0071-05

中图分类号：TS210.4

文献标识码：A

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.01.019

作者简介：程绪铎，男，安徽安庆人，硕士，南京财经大学食品科学与工程学院教授，研究方向为粮食物理特性。E-mail: chengxuduo@hotmail.com

基金项目：公益性行业(粮食)科研专项(201313001)，国家自然科学基金(31371856)，国家科技支撑计划子课题(2013BAD17B01-3)和江苏高校优势学科建设工程 (WTTFY01)。

*收稿日期：2015-10-06

网络出版时间：2016-03-15 17:05网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160315.1705.019.html