葡萄籽物理特性试验研究

周 亚，张东峰*，马建龙，韩棒斌

（1.宁夏大学 机械工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750021）

随着人们健康理念的不断增强，人们对食用油品质也有了更高的追求，葡萄籽油中含丰富的亚油酸和多种不饱和脂肪酸，更加符合现代的健康理念[1]。葡萄籽破壳环节是整个葡萄籽油生产加工中的关键环节。

传统的葡萄籽榨油是对整个葡萄籽进行压榨提取，这种方式出油率较低。该研究提出的新型葡萄籽榨油技术是先对葡萄籽进行破壳，然后进行壳仁分选，最后直接对分选出的籽仁进行榨油。这种方法比传统的方法出油率提高一倍，而葡萄籽的物理特性则是影响其破壳的关键问题。本文主要研究宁夏地区葡萄籽的物理特性，为设计葡萄籽破壳分选技术提供理论依据。

1 材料与方法

该研究选取测试的葡萄籽为宁夏地区红酒庄园酿酒后的从酒糟（葡萄渣）中分离出来的葡萄籽。酿酒葡萄大多数为赤霞珠、蛇龙珠、梅乐等不同品种，葡萄渣中一般有葡萄梗、葡萄籽、葡萄皮等。

仪器有游标卡尺、推拉力计、万能材料试验机、精密电子天平、红外水分干燥仪、扫描电镜等。

游标卡尺为东莞三量量具有限公司生产的数显式游标卡尺，精度为0.01 mm，量程为0～150 mm。

推拉力计为东莞三量量具有限公司生产的SL-500型数显式推拉力计，精度为0.1 N，量程为0～500 N。

万能材料试验机是由苏州牧象检测设备有限公司生产的MXS-20T 型微机控制电子万能试验机，其精度和量程为0.001～1 000 mm/min。

电子天平是由爱来宝（济南）生物技术有限公司生产的赛多丽斯BSA224S 型，精度为0.1 mg，最大承重为220 g。

扫描电镜为北京中科科仪股份有限公司生产的KYKY-EM8100 型扫描仪，分辨率可达到3 nm，放大倍数为15～8 000，自由可调。

为确保试验的准确性，将采用多次测试和统一均化分析的统计学方法进行试验。试验过程中将对每一种参数都进行多次重复测试，这样可以减少由随机误差产生的影响。对每一次测试出的数据进行平均分析处理，最终得出准确可靠的葡萄籽物理特性参数。

2 主要试验指标

试验测定的特性有葡萄籽的形状、几何尺寸、葡萄籽含水率、千粒重、籽仁所占葡萄籽的质量分数、破壳所需最大破壳力和微观结构等。与破壳分选机设计有关的物理特性主要有形状与外形尺寸、含水率、破壳所需的破壳力等。在决定破壳分选机工件部件参数时，经常采用统计学方法测定种子的上述特性[2]。

葡萄籽的形状与尺寸影响葡萄籽在破壳分选时的流动性与填充度，同时也决定了筛选时筛网的大小和形状等参数。在设计破壳机时，葡萄籽的形状直接决定了破碎元器件的几何尺寸以及配合尺寸。

观察葡萄籽的微观结构可以直接分析出葡萄籽的结构特点，了解葡萄籽壳和籽仁的结构关系以及葡萄籽内部是否存在可能干涉破壳的各种微观杂质异物等，同时也对后续破壳方法的设计提供了理论支持。

千粒重是正确计算破壳喂入量的必要依据。在后续设计破壳分选机时，千粒重可以为确定机器破壳室容积尺寸的大小提供依据，也可以作为破壳元器件受力分析的数据基础。

葡萄籽的含水率是正确计算破碎力大小的必要条件，为破壳分选机破碎辊的设计提供依据[3]。在测定破壳分选设备的最优工作参数时，含水率是一个重要影响因素，含水率不同，破壳的效果也不同。

葡萄籽的破壳力是直接影响破壳分选机作业效果的参数，故葡萄籽的破壳力可以作为破壳分选机工作的一个性能指标。在设计破壳机时，葡萄籽的破壳力可以用于确定破壳元器件的尺寸、运行速度、电机的选型等等。

葡萄籽在葡萄渣中的质量分数试验可以估算宁夏地区葡萄籽的产量以及葡萄籽分选机的喂入量。

3 试验测定与分析

3.1 葡萄籽的形状与尺寸

由于不同品种的葡萄籽在形态上存在差异性，故葡萄籽的形状和尺寸目前没有统一的标准来衡量。本文选取的试验对象，形状为扁平的纺锤形，试验测定其宽度、厚度，统计其粒径大小分布规律[4]。从试验的葡萄籽中随机选取100 粒葡萄籽，用游标卡尺测量并绘制统计图，见图1～2。

图1 葡萄籽厚度分布

图2 葡萄籽宽度分布

由图1～2 可知，葡萄籽的宽度、厚度均呈正态分布，宽度分布主要集中在3.4～4.0 mm，厚度主要集中在2.4～3.0 mm。

葡萄籽粒径的宽度、厚度经均值计算后，结果见表1。

表1 种子的几何尺寸

由图1～2 可知，葡萄籽种子的形状和外形尺寸具有明显的差异性。葡萄籽的平均宽度为3.70 mm，平均厚度为2.73 mm。

3.2 葡萄籽的微观结构

运用扫描电子显微镜，对葡萄籽剖面进行扫描。放大倍数不同，不仅可以观察葡萄籽内部构造，也能观察到葡萄籽内部细胞排列结构。剖面扫描图见图3～6。

由图3 可以清晰地看到，葡萄籽的结构包括种皮、外壳、籽仁和木质夹层。种皮凹凸不平地分布在外壳上；外壳厚度不均匀，形状复杂不规则；籽仁上密布油脂空隙，且籽仁、外壳和木质夹层之间相互连接紧密，交错糅杂在一起，这对后续的分离清选带来一定的干扰；木质夹层排列混乱，表层崎岖不平且中间有孔隙，故其结构强度不高。

图3 葡萄籽剖面20 倍放大图

由图4 发现，外壳的细胞呈长条状，竖直排列且排列较为均匀紧密，细胞的这种排列方式使葡萄籽的外壳质地坚硬。

图4 葡萄籽外壳500 倍放大图

由图5 可知，葡萄籽仁内遍布着蜂巢状隔层，在每个隔层中都含有油脂分子团。油脂分子团表面不光滑，遍布凸起，且各油脂分子团的形状大小各不相同。大多数油脂分子团并未充满整个隔层，与隔层壁存在空隙，因此这些油脂分子团便于提取。由图5 可证实，葡萄籽仁内含有大量油脂，且易于提取。

图5 葡萄籽籽仁500 倍放大图

由图6 可知，木质夹层细胞分子排列混乱，中间存在少量间隙，且没有油脂；同时，有大量碎屑存在，这是由于木质夹层的脆性大导致其易破碎。因此，在后续葡萄籽的破碎中可能出现木质夹层粉末化的现象。

图6 葡萄籽木质夹层100 倍放大图

3.3 葡萄籽的千粒重

千粒重表示种子的饱满程度，是种子物理特性的一个重要指标，与种子的饱满度、填充度、均匀性、粒径大小成正比。

该试验采用千粒法，分别从含水率7%葡萄籽样品中取N=1 000 粒葡萄籽，重复试验3 次，用精密电子秤测出其质量（单位：g），测得3 次重复差小于5%，取其平均数，得出含水率7%葡萄籽的千粒重。

经均值计算后得出，含水率在7%的葡萄籽的千粒重为24.39 g。

3.4 葡萄籽的含水率

含水率是种子所含水的质量与种子质量的百分比，是种子保持生命活力且能安全贮藏的含水量，与葡萄籽的破碎力成反比。

该试验按照《农作物种子检验规程：水分测定》中的方法进行测定。葡萄籽的含水率见表2。

表2 葡萄籽不同时期的含水率

3.5 葡萄籽的破壳力

破壳力指能破坏葡萄籽壳体的最小力。测试方法：随机抽取大小均匀的葡萄籽，按照含水率不同进行分类，使用万能试验台和SL-500 数显式推拉力计，挤压葡萄籽直到葡萄籽壳体破裂，读出最大峰值并记录。从每组葡萄籽中随机抽取多个依次测量，测量后根据测量结果绘制出葡萄籽破壳力明细表。该次试验分别以葡萄籽含水率7%，12%，17%，22%，27%等作为梯度进行测量。由表3 可知，含水率越高所需要的破壳力越小，在含水率最小处（自然条件下葡萄籽最小含水率在7%）需要最大的破壳力为35 N，即两者成反比。破壳力明细表见表3。

表3 葡萄籽破壳力明细表

3.6 葡萄籽在葡萄渣中的质量分数

通过测试葡萄渣质量和分离出的葡萄籽质量计算葡萄籽在葡萄渣中的质量分数。该次试验葡萄渣的含水率分为10%，20%和30%。为保证试验的准确性，从计算出的质量分数中去掉一个最大值和一个最小值，求平均值。试验后的结果见表4。

表4 葡萄籽占葡萄渣质量分数

由试验结果可知，由于葡萄籽和葡萄渣吸水系数的不同，导致随着葡萄渣含水率的上升，葡萄籽在葡萄渣中的质量分数下降。

4 结论

本文研究葡萄籽的外形尺寸、内部组织结构、破壳力的大小、含水率等相关物理特性，通过试验分析发现：

（1）葡萄籽的含水率直接影响破壳力的大小，它们一般成反比。

（2）含水率为7%的葡萄籽，所需破壳力约为35.1 N；含水率为27%的葡萄籽，所需破壳力约为26.1 N。

（3）葡萄籽的厚度分布范围为2.0～3.2 mm，宽度分布为3.0～4.2 mm，且呈现出正态分布规律。由数据可知，葡萄籽大致呈纺锤形，宽度和厚度略微有差异。

（4）葡萄籽在葡萄渣中的质量分数不高，但依然跟含水率有一定关联。葡萄渣含水率为10%时，平均质量分数为23.21%；含水率为20%时，平均质量分数为17.5%；含水率为30%时，平均质量分数为15.58%。由数据可知，葡萄籽占葡萄渣的质量分数与葡萄渣的含水率成反比。这一结论为后续壳仁分离方法的设计提供了理论依据。

（5）由葡萄籽微观结构图可以看出，葡萄籽内部有木质夹层与籽仁互相嵌套，因此葡萄籽仁和这些夹层如何分离是葡萄籽破壳榨油的一个难点。