荞麦碾搓脱壳砂盘技术参数优化

李进才，赵习姮，赵建城，郭慧敏，王 超

(1.天津大学化工学院，天津 300072； 2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072； 3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

荞麦碾搓脱壳砂盘技术参数优化

李进才1，赵习姮2，赵建城3，郭慧敏1，王 超3

(1.天津大学化工学院，天津 300072； 2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072； 3.中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

为提高荞麦(FagopyrumesculentumMoench)碾搓脱壳生产效益，以整半仁率为脱壳指标，对砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙等技术参数进行了正交优化试验，并用5个荞麦品种进行了优化技术参数的验证试验。结果表明，荞麦碾搓脱壳砂盘的工作面宽度、转速和剥壳间隙对整半仁率均有显著影响，其中以剥壳间隙影响最大，其次是工作面宽度；粒度3.8～4.2 mm、4.2～4.6 mm、4.6～5.0 mm荞麦碾搓脱壳的砂盘优化技术参数(工作面宽度-转速-剥壳间隙)，分别为8 cm-813 r/min-3.6 mm、8 cm-813 r/min-3.8 mm、8 cm-813 r/min-4.2 mm，对应的整半仁率在55%、59%、62%以上。该研究结果对荞麦脱壳技术研发及脱壳生产工艺调整等有指导意义。

荞麦籽粒；碾搓脱壳；砂盘工作面宽度；转速；剥壳间隙；整半仁率

荞麦(FagopyrumesculentumMoench)籽粒为三棱锥形，壳较坚韧，仁脆易碎，壳仁间隙较小，机械脱壳效率较低。近年来，我国荞麦应用及深加工发展迅速，但落后的脱壳技术与设备成为目前制约我国荞麦产业发展的一个主要环节[1-3]。荞麦碾搓脱壳设备便宜，操作简单，在实际生产中应用广泛，但存在仁破碎率较高或部分籽粒不能脱壳问题，生产效益较低。脱壳砂盘是荞麦碾搓脱壳生产线中的关键部件，由刘艳辉等[4]的研究结果可以看出，磨盘工作面宽度对苦荞脱壳的整半仁率有显著影响；刁斯琴等[5]通过砂盘转速和剥壳间隙的单因素试验，研究了剥壳间隙对荞麦整半仁率的影响规律，结果表明，优化碾搓脱壳砂盘技术参数可以有效降低仁破碎率；陈伟等[6]也报道砂盘剥壳间隙很小的变化，会使出米率有很大差异。由此可见，荞麦碾搓脱壳的生产效率与砂盘的工作面宽度、转速和剥壳间隙均有密切关系；但是，这些因素是同时对荞麦产生碾搓作用，会互有影响与制约。为提高荞麦碾搓脱壳生产效益，本研究对砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙的技术参数进行了正交优化。

1 材料与方法

1.1 供试材料

荞麦碾搓脱壳砂盘技术参数优化试验的供试荞麦材料为山西中北部栽培的“晋荞1号”；优化技术参数验证试验的供试荞麦材料为“晋荞1号”(A)，以及山西中北部栽培的“日本荞麦”(B)、“浑源荞麦”(C)、“平鲁甜荞”(D)和“左权荞麦”(E)等5个荞麦品种。由于这5个荞麦品种粒度为3.8～5.0 mm的籽粒占90%以上[7]，供试荞麦材料用孔径3.8、4.2、4.6、5.0 mm的圆孔筛筛分后，取粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦进行砂盘技术参数优化试验和优化技术参数验证试验。

1.2 试验设计

荞麦碾搓脱壳砂盘技术参数优化试验，选取砂盘工作面宽度、砂盘转速和砂盘剥壳间隙3个处理因素，各处理因素设计3个水平，如表1所示。粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦脱壳砂盘技术参数优化试验方案，均采用正交试验L9(34)确定9个组合处理，如表2所示。

对正交试验L9(34)优选出的砂盘技术参数，用A、B、C、D、E的5个荞麦品种进行验证试验，重复3次。

表1 不同粒度荞麦脱壳砂盘技术参数优化试验的处理因素与水平

表2 荞麦脱壳砂盘技术参数优化正交试验方案L9(34)

处理序号处理因素及其水平工作面宽度转速剥壳间隙111121223133421252236231731383219332

1.3 试验指标

砂盘技术参数优化试验和优化技术参数验证试验的观测指标均为整半仁率，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦脱壳后，分别用孔径1.8、2.0、2.2 mm的圆孔筛筛分，筛上留存的为荞麦整半仁和未脱壳籽粒，捡出未脱壳籽粒，整半仁率=脱壳后整半仁质量÷脱壳前荞麦质量×100%。

1.4 试验设备

试验设备主要有TK300型荞麦脱壳机、RF300A型电机变频器和EMT260B型数字转速表。

1.5 数据分析

优化试验L9(34)和验证试验结果，采用Excel 2000软件进行数据分析。处理因素对整半仁率影响的显著性用F检验法进行检验，以“**”和“*”分别表示在F<0.01和F<0.05水平显著。验证试验结果数值表示为“平均值±标准误差”，不同品种间的差异显著性检验采用Duncan法，以不同英文字母a、b和c表示在P<0.05水平差异显著。

2 结果与分析

2.1 粒度3.8～4.2 mm荞麦脱壳砂盘技术参数

粒度3.8～4.2 mm荞麦脱壳砂盘技术参数正交优化试验结果与分析如表3所示。由正交试验L9(34)整半仁率的统计分析得知：砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙对整半仁率均有显著影响(F<0.05)，其中以剥壳间隙的影响最大(F<0.01)，其次为工作面宽度(F<0.01)；各处理因素优水平为工作面宽度8 cm，转速813 r/min，剥壳间隙3.6 mm，砂盘优化工艺参数为:工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙3.6mm。

粒度3.8～4.2 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数(工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙3.6 mm)验证试验结果如图1所示，5个荞麦品种A、B、C、D和E脱壳的整半仁率均在55%以上，但不同品种之间有差异，其中品种A低于D，品种B低于C、D和E(P<0.05)，其他品种之间差异较小(P>0.05)。

表3 粒度3.8～4.2 mm荞麦脱壳砂盘技术参数优化正交试验L9(34)的结果及其分析

注：**和*分别表示F检验在1%和5%水平显著。

图1 粒度3.8～4.2 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数

2.2 粒度4.2～4.6 mm荞麦脱壳砂盘技术参数

粒度4.2～4.6 mm荞麦脱壳砂盘技术参数正交优化试验结果与分析如表4所示。由正交试验L9(34)整半仁率的统计分析得知：砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙对整半仁率均有显著影响(F<0.05)，其中以剥壳间隙的影响最大(F<0.01)，其次为工作面宽度(F<0.05)；各处理因素优水平为：工作面宽度8 cm，转速813 r/min，剥壳间隙3.8 mm。砂盘优化技术参数为：工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙3.8 mm。

粒度4.2～4.6 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数(工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙3.8 mm)验证试验结果如图2所示。5个荞麦品种A、B、C、D和E脱壳的整半仁率均在59%以上，但不同品种之间有差异，其中品种A低于D，品种B低于C、D和E(P<0.05)，其他品种之间差异较小(P>0.05)。

表4 粒度4.2～4.6 mm荞麦脱壳砂盘技术参数优化正交试验L9(34)的结果及其分析

注：**和*分别表示F检验在1%和5%水平显著。

图2 粒度4.2～4.6 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数

2.3 粒度4.6～5.0 mm荞麦脱壳砂盘技术参数

粒度4.6～5.0 mm荞麦脱壳砂盘技术参数正交优化试验结果与分析如表5所示。由正交试验L9(34)整半仁率的统计分析得知：砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙对整半仁率均有显著影响(F<0.05)，其中以剥壳间隙的影响最大(F<0.01)，其次为工作面宽度(F<0.01)；各处理因素优水平为：工作面宽度8 cm，转速813 r/min，剥壳间隙4.2 mm。砂盘优化技术参数为：工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙4.2 mm。

粒度4.6～5.0 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数(工作面宽度8 cm-转速813 r/min-剥壳间隙4.2 mm)验证试验结果如图3所示。5个荞麦品种A、B、C、D和E脱壳的整半仁率均在62%以上，但不同品种之间有差异，其中品种A低于C和D，品种B低于C、D和E(P<0.05)，其他品种之间差异较小(P>0.05)。

表5 粒度4.6～5.0 mm荞麦脱壳砂盘技术参数优化正交试验L9(34)的结果及其分析

注：**和*分别表示显著性F检验在1%和5%水平显著。

图3 粒度4.6～5.0 mm荞麦脱壳砂盘优化技术参数

3 讨论

3.1 砂盘工作面宽度对整半仁率的影响

砂盘工作面宽度与荞麦籽粒受碾搓路径长成正比，较宽的砂盘工作面一方面有利于提高脱壳效率，另一方面也会增加仁破损率，整半仁率是两个方面的综合体现。在本研究的砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙3个处理因素的各3水平试验范围内，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦脱壳优选砂盘工作面宽度，均以较大砂盘工作面宽度8 cm优于较小工作面宽度4和6 cm(见表3～表5)。当然，也不一定是砂盘工作面宽度越大越好，如湿润苦荞麦碾磨脱壳的整半仁率就是砂盘工作面宽度5 mm大于7 mm[4]。

3.2 砂盘转速对整半仁率的影响

砂盘转速与脱壳生产效率密切相关，但砂盘转速越高荞麦籽粒瞬时受力也越大，较高的砂盘转速一方面有利于提高脱壳效率，另一方面也会增加仁破损率，整半仁率是两个方面的综合体现。在本研究的砂盘工作面宽度、转速和剥壳间隙3个处理因素的各3水平试验范围内，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦脱壳砂盘优选转速，均以较低转速813 r/min优于较高转速986 r/min和1 174 r/min(见表3～表5)。如果砂盘转速设定进一步降低，虽然仁破损率会减少，但生产效率也会降低，整半仁率并不一定会提高。从刁斯琴等[5]的研究报道可以看出，粒度4.6～4.8 mm荞麦在较优剥壳间隙4.0 mm下，碾磨脱壳砂盘转速以1 038 r/min整半仁率较高，砂盘转速低于985 r/min时整半仁率则逐渐下降。湿润苦荞麦碾磨脱壳的砂盘转速过高或过低，也导致了整半仁率的下降[4]。

3.3 砂盘剥壳间隙对整半仁率的影响

砂盘剥壳间隙与荞麦籽粒的碾搓受力大小成正比，与工作面宽及转速的影响一样，较小的砂盘间隙一方面有利于提高脱壳效率，另一方面也会增加仁破损率。陈伟等[6]报道砂盘剥壳间隙仅0.2 mm的微小变化，出米率相差近20%。粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦碾搓脱壳砂盘优选剥壳间隙，分别以3.6、3.8、4.2 mm较好(见表3～表5)，刁斯琴等[5]也报道优选的粒度4.6～4.8 mm荞麦碾搓脱壳的砂盘剥壳间隙为4.0 mm。

另外，计算即可得知，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的荞麦碾搓脱壳，平均粒度与较优剥壳间隙的差值分别为0.4、0.6、0.6 mm，表明较小粒度的荞麦碾搓脱壳以相对较大的剥壳间隙为宜，反之较大粒度的荞麦碾搓脱壳以相对较小的剥壳间隙为宜。这是由于，三棱锥形荞麦的壳仁间隙，特别是棱角处的壳仁间隙，一般与粒度大小成正比；所以，较大粒度的荞麦以相对较小剥壳间隙进行碾搓脱壳时，脱壳效率较高，但仁破损率并不会同比例增大。

3.4 不同荞麦品种整半仁率的差异

不同荞麦品种的含水率有差异，由此会造成壳韧性的不同，不同荞麦品种的壳仁间隙及仁硬度等也差异[7]。因此，反映碾搓脱壳效率和仁破损率的整半仁率指标，在5个荞麦品种A、B、C、D和E之间的也有差异(见图1～图3)。但是，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的各荞麦品种采用砂盘优化技术参数脱壳时，整半仁率分别都在55%、59%、62%以上，表明砂盘优化技术参数适用于不同荞麦品种的碾搓脱壳。

4 结论

据以上试验结果及其分析可知，荞麦碾搓脱壳砂盘的工作面宽度、转速和剥壳间隙对整半仁率均有显著影响，其中以剥壳间隙影响最大，其次为工作面宽度，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm荞麦碾搓脱壳的砂盘优化技术参数(工作面宽度-转速-剥壳间隙)，分别为8 cm-813 r/min-3.6 mm、8 cm-813 r/min-3.8 mm、8 cm-813 r/min-4.2 mm，其优化技术参数对荞麦脱壳技术与设备研发，以及荞麦脱壳生产工艺调整等具有指导意义。

[1] 胡志超．加强荞麦脱壳加工设备研究开发促进荞麦加工产业化发展[J]．中国农机化，2004(3)：11-13．

[2] 徐树科．荞麦的营养功能、应用及其脱壳工艺和设备[J]．粮食与饲料工业，2004(12)：17-19．

[3] 向达兵，彭镰心，赵 钢，等．荞麦栽培研究进展[J]．作物杂志，2013(3)：1-6．

[4] 刘艳辉，杜文亮，吴英思．苦荞麦脱壳工艺及主要参数的优化[J]．农机化研究，2008(12)：131-133．

[5] 刁斯琴，杜文亮，隋建民，等．剥壳间隙对荞麦整半仁率的影响规律[J]．食品与机械，2013，29(3)：191-193，221．

[6] 陈 伟，杜文亮，魏 鹏，等．剥壳间隙周向均匀性对荞麦剥壳的影响[J]．农机化研究，2017(9)：19-24．

[7] 李进才，赵习姮，赵建城，等．荞麦籽粒的物理学特性研究[J]．食品与机械，2016，32(7)：1-4，79．

(责任编辑：俞兰苓)

Optimization of technical parameters for sand wheel of extrusion-grind hulling in buckwheat (FagopyrumesculentumMoench) seeds

LI Jin-cai1, ZHAO Xi-heng2, ZHAO Jian-cheng3, GUO Hui-min1, WANG Chao3

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 300083, China)

In order to improve production efficiency of buckwheat extrusion-grind hulling, the orthogonal optimization tests of technical parameters was carried out by taking the whole-half kernel percentage as measuring index, working face width, rotational speed and shucking gap of the sand wheel as design variables. Five buckwheat cultivars were used to perform the confirmatory tests of optimized technical parameters. The results showed that:the face width, rotational speed and shucking gap imposed significant effect on the whole-half kernel percentage, specifically the shucking gap had the greatest impact, followed by the face width. The optimized technical parameters of extrusion-grind hulling method for three groups of buckwheat categorized by their grain sizes (grain size ranging between 3.8-4.2 mm, 4.2-4.6 mm, or 4.6-5.0 mm) were as follows (working face width-rotational speed-shucking gap): 8 cm-813 r/min-3.6 mm, 8 cm-813 r/min-3.8 mm, 8 cm-813 r/min-4.2 mm, and the resulted corresponding whole-half kernel percentage were over 55%, 59%, 62% respectively. These research results provide valuable information for the research and development, and production process adjustment of buckwheat hulling techniques.

buckwheat seeds; extrusion-grind hulling; working face width of sand wheel; rotational speed; shucking gap; whole-half kernel percentage

2017-02-16；

2017-04-22

农业部公益性行业(农业)科研专项(201303069)。

李进才(1960-)男，副教授，博士，主要从事食品贮藏与加工方面的研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.001

S517；TS210.4

A

1003-6202(2017)05-0001-05