油用牡丹籽粒破壳力学特性试验研究

姬江涛，陶 满，张志红，耿令新，谢金法，候小改

(河南科技大学 农业装备工程学院，河南 洛阳 471003)

0 引言

油用牡丹是一种新兴的木本油料作物，具有高产出、高含油率、高品质的特点。牡丹籽油更有着巨大的食用价值和药用价值，含有多种对人体有益的物质和元素。其中，不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸α-亚麻酸含量丰富，已远远超过称为“黄金液体”的橄榄油[1-6]。

目前，国外对于牡丹的研究几乎是一片空白，仅有一些日本学者研究了中日两国牡丹花瓣中花青素的差异[7]。国内在牡丹籽油萃取工艺方面取得了丰硕的成果，衍生出了众多的萃取方法：易军鹏等研究了牡丹籽油超临界二氧化碳萃取工艺，李加兴等研究了水酶法提取牡丹籽油工艺，杨倩研究了亚临界萃取牡丹籽油的工艺等[8-9]。除此之外，赵海军研究了牡丹籽种仁脱皮去苦技术，马素敏[10-11]研究了脱臭工艺条件对牡丹籽油反式脂肪酸形成及品质的影响，而对于牡丹籽脱壳方法的研究还很少见报道。

牡丹籽要萃取油，脱壳是首道工序，也是牡丹籽加工的技术难题之一。关于牡丹籽脱壳机械，国内仅有锦州俏牌机械有限公司研制的微调式牡丹籽脱壳机[12]。其采用的是定砂轮和动砂轮配合摩擦，将牡丹籽壳磨碎的方法，虽然整仁率高，但脱壳率低且需要将牡丹籽分级，对牡丹籽仁磨损严重，造成了巨大的浪费，设备造价也过于昂贵，不能满足牡丹籽加工发展的需要。分析其原因，主要是由于没有正确的脱壳理论作指导。因此，本文研究牡丹籽的压缩力学特性，意在探明牡丹籽如何破壳，为进一步研制新型的牡丹籽脱壳机提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料及设备

1)新鲜的油用牡丹种子：产地为河南洛阳。

2)设备：DNS系列电子万能试验机；DH-101-3BS型电热恒温热风干燥箱；TD51001电子天平(分度值0.01g)；游标卡尺(200mm×0.01mm)。

3)工具：托盘、密封袋、标签、数码相机等。

1.2 试验方法

油用牡丹籽粒破壳的难易程度不仅与外界的加载条件有关，更与自身的物理特性密不可分，如形状、尺寸及含水率等[13]。本文采用单因素试验对各个因素进行试验，分析其对油用牡丹籽粒破壳力的影响。

1.2.1 油用牡丹籽粒形状的确定

成熟后的牡丹籽粒形状各异，大致可分为椭圆形和扁平型。随机挑选100粒牡丹籽观察，共进行5次试验，得椭圆形占15%，扁平形占85%。

1.2.2 油用牡丹籽粒尺寸的确定

牡丹籽粒大小不一，通过对牡丹籽粒进行测量，将其分为3个等级，分别为A级、B级、C级，其等级对应尺寸如表1所示。

表1 牡丹籽的分级

Table 1 The quality grade of peony seeds mm

级别长度范围宽度范围厚度范围A5.5～8.325.4～7.13.94～5.87B8.32～10.187.1～8.825.87～7.56C10.18～13.348.82～10.367.56～9.3

1.2.3 油用牡丹籽粒含水率的确定

牡丹籽粒在破壳前一般先需要对其进行干燥，将其含水率降到一定的安全贮存范围。参照其他粮食作物，其安全含水率为14%左右。为了便于比较和更加全面地了解含水率对牡丹籽破壳的影响，考虑到牡丹籽干燥时的不均匀性和储藏后水分的流失，本次试验选取含水率为5%、8%、11%、14%、17%等5个水平的牡丹籽。

1.2.4 油用牡丹籽粒加载方向的确定

2011年以来，学校依据课程建设目标，以“奠基学生一生幸福必备的素养”，即道德素养、人文素养、科学素养、健康素养、艺术素养为核心，采用国家课程校本化、校本课程特色化、实践活动课程化的实施途径，尝试构建了具有五一特色的“幸福素养”课程体系。

根据牡丹籽的形状，可将平行于牡丹籽根顶连线方向作为长度，定为X向，宽度定为Y向，厚度定为Z向。试验机加载方向如图1、图2所示。

图1 椭圆形

图2 扁平型

1.2.5 油用牡丹籽粒加载速度的确定

油用牡丹籽粒属于农业物料的范畴，其加载速率的确定应控制在合理的范围内。参照板栗、油茶果、蓖麻果、核桃等力学特性的研究[14]，并结合牡丹籽粒自身的尺寸，本文将加载速率定为5～25 mm/min，并等距分配，分别为5、10、15、20 、25mm/min。

2 试验与分析

2.1 加载方向对油用牡丹籽粒破壳力的影响

随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温将其干燥到含水率为11%，从中挑选扁平形的B等级油用牡丹籽粒进行试验。固定试验机压头加载速率为15mm/min，分别对油用牡丹籽粒的X向、Y向、Z向进行加载，每组试验重复5次取平均值。根据试验结果，绘制油用牡丹籽粒沿不同加载方向加载时破壳力与位移之间的关系图，如图3所示。

图3 油用牡丹籽粒沿不同方向加载时破壳力与位移之间的曲线图

分析油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图可知：牡丹籽粒在准静态压缩试验刚开始时，加载力与位移呈正比，即牡丹籽粒所受到的压力与变形量之间为线性增长的关系，此时牡丹籽粒主要发生了弹性形变。随着试验机上压头的不断下移，加载力逐渐增大，直线开始向曲线转变，说明弹性形变和塑性形变同时发生。当加载力达到牡丹籽壳纤维组织所能承受的极限时，再继续增大加载力，牡丹籽壳中的纤维组织便出现断裂，抗压能力瞬间急速降低，此时所需要的破壳力减小，牡丹籽粒外壳出现破裂。在此阶段曲线上，最高点对应的加载力即为牡丹籽的破壳力。

根据不同加载方向下的油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录每次试验下牡丹籽粒破壳时的破壳力值，并计算试验结果的平均值，结果如表2所示。

表2 油用牡丹籽粒沿不同方向加载时的破壳力

由表2可以看出：油用牡丹籽粒的破壳力随着加载方向的不同而表现出显著的差异，破壳力之间存在如下关系：FX向加载

图4 不同加载方向下牡丹籽的裂纹情况

2.2 加载速率对油用牡丹籽粒破壳力的影响

随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温将其干燥到含水率为11%，从中挑选扁平形的B等级油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方向为X向，调整试验机使其以5个不同的加载速度对油用牡丹籽粒进行加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破壳力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表3所示，对试验结果进行单因素方差分析如表4所示。

表3 油用牡丹籽粒在不同加载速率时的破壳力

F0.05(4，20)=2.87F0.01(4，20)=4.43。

表4 油用牡丹籽粒破壳力与加载速率之间的方差分析表

Table 4 Analysis of variance between shelling force of peony seeds and loading rate

方差来源平方和自由度均方F回归41044102641.54剩余4942024.7总和459824

表4中，F=41.54>F0.01(4，20)，说明加载速率对油用牡丹籽粒的破壳力影响极为显著。由表3可知：加载速率不同，牡丹籽粒的破壳力值也不同。利用SPSS软件，对表3中的数据进行回归分析，得到油用牡丹籽粒破壳力关于试验机加载速率的回归方程为

y=-0.078x2+4.11x+61.18

(1)

其中，y为破壳力(N)；x为加载速率(mm/min)。

油用牡丹籽粒破壳力和加载速率之间的关系曲线如图5所示。

图5 油用牡丹籽粒破壳力和加载速率之间的关系曲线

由图5可知：破壳力随着加载速率的增加不断升高，当加载速率超过20 mm/min后，破壳力增速趋于平缓。其主要原因是：加载速率越大，牡丹籽的外壳破裂程度就越充分，破壳时所要克服的阻力就越大。当加载速率增加到一定程度时，破壳所要克服的阻力达到极限后不再增加，破壳力也不再增加。

2.3 牡丹籽形状对油用牡丹籽粒破壳力的影响

随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温将其干燥到含水率为11%，从中挑选B等级油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方向为X向，试验机加载速度为15 mm/min，对扁平形和椭圆形的牡丹籽粒分别进行加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破壳力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表5所示。对2组不同几何形状的牡丹籽粒破壳力进行方差分析，从而判断牡丹籽粒的形状对破壳力的影响程度，结果如表6所示。

表5 不同形状的油用牡丹籽粒的破壳力

表6 油用牡丹籽粒破壳力与形状的方差分析表

Table 6 Analysis of variance between shelling force and shape of peony seeds

方差来源平方和自由度均方F值回归921.61921.627.63剩余266.8833.35总和1188.49

F0.05(1，8)=5.32F0.01(1，8)=11.26。

表6中，F=27.63>F0.01(1，8)，说明牡丹籽粒形状对破壳力的影响极为显著。由表5可知：椭圆型的牡丹籽破壳力比扁平形的要小些。其原因主要是：两种形状的牡丹籽在几何尺寸(长度、宽度和高度)相近时，试验机压头与其接触面积存在一定的关系，即S扁平>S椭圆，接触面积越小，牡丹籽壳受到的应力越集中，越容易破壳。另外，通过测量两种形状的牡丹籽在X方向壳与仁之间的间隙发现，间隙t椭圆>t扁平，间隙越大，越易破壳。

2.4 牡丹籽尺寸对油用牡丹籽粒破壳力的影响

随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温将其干燥到含水率为11%，从中挑选扁平形的油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方向为X向，试验机加载速度为15 mm/min，对A、B、C等3种等级的油用牡丹籽粒分别进行加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破壳力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表7所示，对试验结果进行单因素方差分析如表8所示。

表7 不同尺寸的油用牡丹籽粒的破壳力

表8 油用牡丹籽籽粒破壳力与尺寸的方差分析表

Table 8 Analysis of variance between shelling force and size of peony seeds

方差来源平方和自由度均方F值回归5114.822557.477.185剩余397.61233.133总和5512.414

F0.05(2,12)=3.89F0.01(2,12)=6.93。

表8中，F=77.185>F0.01(2,12)，说明牡丹籽粒的大小对破壳力的影响极为显著。由表7可知：油用牡丹籽粒的破壳力随着牡丹籽粒的大小等级变化而变化，牡丹籽粒的尺寸越大，籽粒越饱满，其相应的破壳力越大；反之，牡丹籽粒的尺寸越小，其对应的破壳力越小。其主要原因是：饱满的籽粒壳仁之间间隙较小，果壳较厚，坚实度高。除此之外，试验机压头与果壳的接触面积的大小对破壳力的大小也有一定的影响，显然SA级

2.5 牡丹籽含水率对油用牡丹籽粒破壳力的影响

随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温将其干燥到含水率5%、8%、11%、14%和17%等5个不同水平的含水率，从中挑选扁平形的B等级油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方向为X向，试验机加载速度为15 mm/min，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破壳力值，每组含水率试验重复5次取平均值，结果如表9所示，对试验结果进行单因素方差分析如表10所示。

表9 不同含水率的油用牡丹籽粒破壳力

表10 油用牡丹籽粒破壳力与含水率的方差分析表

Table 10 Analysis of variance between shelling force and moisture content of peony seeds

方差来源平方和自由度均方F值回归72345.04418086.26263.0346剩余1375.22068.76总和73720.2424

F0.05(4,20)=2.87F0.01(4,20)=4.43。

表10中，F=263.034 6>F0.01(4,20)，说明牡丹籽的含水率对破壳力的影响极为显著。由表9可知：不同含水率的牡丹籽其破壳的难易程度是不同的。用SPSS软件，对表9中的数据进行回归分析，得到油用牡丹籽粒破壳力关于籽粒含水率的回归方程为

y=0.83x2-6.06x+70.53

(2)

其中，y为破壳力(N)；x为含水率(%)。

油用牡丹籽粒破壳力和含水率之间的关系曲线如图6所示。

图6 油用牡丹籽粒破壳力和含水率之间的关系曲线

由图6可知：油用牡丹籽粒破壳力随着含水率的降低而急速减小。其主要原因是：含水率较低时，牡丹籽粒的壳较脆，其抵抗变形和破碎的能力就越弱，越容易破壳。因此，在对油用牡丹籽粒进行脱壳时，含水率不宜太高，否则不易脱壳。

3 结论

1)影响牡丹籽破壳力的主要因素为加载方向、加载速率，以及牡丹籽粒的形状、大小和含水率。

2)从X、Y、Z等3个不同的方向对牡丹籽施加载荷，其破壳力规律如下：FX

3)方差分析表明：加载速率及牡丹籽粒形状、大小和含水率对破壳力的影响极为显著。破壳力随着加载速率的增加不断升高，当加载速率超过20 mm/min后，破壳力增速趋于平缓；椭圆型的牡丹籽比扁平形的破壳力要小，更易破壳；牡丹籽尺寸越小，越易破壳；破壳力随着含水率的增加而增加。

4)通过试验，建立了破壳力与加载速率和含水率之间的函数模型。牡丹籽破壳力和加载速率之间的函数关系式为y=-0.078x2+4.11x+61.18，牡丹籽破壳力和含水率之间的函数关系式为y=0.83x2-6.06x+70.53。

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