多场因素对糙米破碎影响实验研究

房凯文 田 勇 曹宪周 张 宁 安红周

(河南工业大学，郑州 450001)

水稻是我国主要粮食作物之一，从播种直至端上餐桌需经历收获、运输、干燥、流通、储存和加工等多个阶段，在这个过程中外力和自身属性等原因，会导致裂纹以及破碎的产生，对糙米品质影响较大[1,2]。稻谷在收获、流通、加工中的破碎率高达20%，并且70%以上的碎米产生在砻谷脱壳和碾白工序[3]。因此，研究糙米碾白破碎的影响对提高粮食产量及企业经济效益十分重要。

目前，许多研究探讨了稻谷破碎的问题，如冯帅博[4]利用撞击实验平台研究不同撞击动量下糙米的撞击力学特性，结果表明碾白辊和糙米的撞击对糙米破碎起主要作用，碾白辊直径和转速增大导致糙米撞击力增大，破碎率升高；崔帆[5]应用EDEM离散元分析软件对糙米碾白过程进行仿真分析，发现糙米的挤压破碎是碾白破碎的主要原因，通过改变碾米机碾辊转速和碾白室间隙，可以有效降低糙米受到的挤压力；蔡祖光[6]对大米加工过程中增碎原因进行了分析并提出采用多级轻碾、多级轻抛和低温碾米等一系列改进方案；周显青等[7]进行了糙米的锥刺、三点弯曲、剪切、挤压实验，得出糙米断裂主要与厚度及胚乳特性有关；曾勇[8]采用数值模拟方法分析米粒碾白破碎特性，得出米粒碾磨前期以脆性断裂为主，后期主要为疲劳断裂。目前鲜有关于多场情况(温度、转速、时间)对糙米碾白破碎影响的报道。

本实验研究不同碾辊转速、碾白时间的低温碾米对糙米破碎率的影响，得到糙米破碎曲线；并结合碾白辊转速与糙米破碎率数据进行多项式回归分析，探究碾辊转速对多品种糙米的适用性，为后续糙米加工及糙米破碎研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

糙米：广东美香粘(籼稻，2018年收获)。初始含水率为11.08%，利用糙米调制设备将含水率控制在15.5%～16.5%。首先去掉碎米和病变颗粒，选取颗粒饱满，无垩白、无裂纹的籽粒，所得糙米在4 ℃环境下保存，并注意湿度适宜，湿度过高会导致水分渗入糙米表面不均，产生应力集中，从而使内部裂纹增多，破碎率增高，影响后续碾白结果。

1.2 实验设备

MNSW18-B低温碾米机(碾白室间隙为10mm，砂辊直径为Φ90 mm)，VFD-055B系列调频器，UT372非接触式转速计，MB90水分测定仪，VT04A可视红外测温仪。

1.3 方法

1.3.1 糙米含水率测量与调质

按照GB/T 10358—2008处理糙米，采用103 ℃恒重法得到糙米加工前含水量为11.08%。碾白时糙米最佳硬度为68～78 N，最佳温度为15～25 ℃，含水量15.5%～16.5%[9]。参考贾富国[10]的研究对实验样品加湿调质至含水量15.5%，在恒温恒湿实验箱中进行水分平衡。

1.3.2 糙米碾白压力计算分析

通常以碰撞、碾白压力、翻滚和轴向输送这四要素作为碾米机参数设计优化参考[11]。碰撞是糙米碾白过程中最基础的运动，连续碰撞使糙米在碾白室内运动并产生压力，称为碾白压力。碾白压力受多方面因素影响，顾尧臣[12]研究表明，改变碾白压力可以通过改变米粒流体密度ρ和米粒平均速度VP实现。计算公式为：

(1)

转速与频率相关公式为：

(2)

式中：n为电机转速；f为电流频率；p为电机极对数。电机端带轮与砂辊端带轮传动比为n1∶n2=3∶2，参考碾白压力计算方法[12]，结合式(2)可计算出砂辊转速与频率关系：n2=38.8f。

周显青[13]研究表明NS型螺旋槽砂辊碾米机的碾白压力为40～100 g/cm2，不同品种、含水率或不同机械设备对糙米造成的碾白压力不同。冯帅博等[4]研究表明含水率15%～16.5%的美香粘糙米碾白压力为55～98 g/cm2。计算可得碾米辊切线速度为11～15 m/s，转速为1 167～1 592 r/min。故可针对本次实验将转速梯度设置为5组，其相关参数见表1。

表1 低温下不同频率对应转速、线速度及碾白压力

1.3.3 碾白时间梯度设置

预实验确定实验碾白时间梯度，分别在不同转速下设置10、30、50、70、90 s的碾白时间，发现70、90 s的碾白效果与前3组相比差异较小，因此按照预实验数据将碾白时间设置为20、30、40、50、60 s。

1.3.4 转速标定分析

电机与变频器连接后，为确定转速准确性，需要对砂辊转速进行标定。UT372非接触式转速计转速量程为10～99 999 r/min，在1 000～9 999.9 r/min转速范围内分辨率为0.1 r/min。本次测量分别用800、1 000、1 200、1 400、1 600 r/min数据等梯度测量，计算误差约为1.81%，在实验允许误差范围内。

1.3.5 加工前样品质量测定分装

本次实验每组转速进行平行实验3次，每次进料1.5 kg。质量测定前对计重秤进行标定，确保标定结果准确，将质量测定完成的样品放进实验袋并做好标记备用。

1.3.6 加工温度检测

每组实验加工时均须保证低温环境即15～25 ℃，采用FLUKE VT04A可视红外测温仪在线检测，当温度升至临界点时，加大风量及时降温，保证整个加工过程温度属于低温可控状态。碾白室外界温度由中央空调控制，制冷温度为16 ℃，外界温度始终比碾白室内部略低，保证加工过程不受影响。

1.3.7 加工后样品破碎率统计

按照GB/T 5503—2009《粮油检验 碎米检验法》对实验后样品进行数据统计。每次实验样品各取90 g，分为3组进行统计，计算平均破碎率即为加工后每组样品实际破碎率。

1.3.8 数据测定及处理

每次实验重复3次，测定结果以平均值计算。数据结果统计、回归分析及曲线拟合等结果均利用Origin软件处理得到。

2 结果与分析

2.1 低温多场-糙米破碎率曲线分析

低温多场-糙米破碎率曲线如图1所示。进行糙米碾白实验时，碾白辊转速与糙米破碎率曲线呈现出指数相关趋势，随着砂辊转速提高，糙米破碎率逐步增加。1 200～1 400 r/min时曲线斜率变化较小，因为此时碾白压力还未超出糙米最大断裂值，当转速达到1 500 r/min后，压力值超出糙米最大断裂值，所以曲线斜率陡然上升。1 200～1 500 r/min阶段曲线趋势大致相同，随着糙米碾白时间增加，糙米破碎率略有上升，但当转速升高至1 600 r/min后，碾白时间50、60 s的糙米破碎率显著增加，这是由于转速升高和碾白时间加长均会导致碾白室腔内温度上升，两者叠加使温度上升更加明显，使糙米表面水分减少，具体表现为糙米脆性增加，高速撞击下破碎率上升。

图1 低温多场-糙米破碎率曲线

2.2 碾白辊转速-破碎率参数回归分析

运用Origin对图1中碾白时间30 s曲线进行拟合，将其各个转速下数据导入Origin，设置响应值为破碎率，预测变量为砂辊转速，回归模型类型选择立方型。碾白时间30 s时，破碎率M与砂辊转速S之间的三次回归方程见式(3)，方差分析表见表2，拟合曲线结果图见图2。

图2 Origin拟合曲线结果图

表2 多项式回归分析方差分析表

M=596.0-1.254S+0.000 873S2-0.000 000S3

(3)

由表2可以看出P=0.004<0.05，表明回归方程显著。图2表明曲线拟合度极高，其拟合相关指数与调整系数均接近100%，说明建立的回归模型完全正确。因此，拟合的三次回归方程可以较为真实地反映实验数据的变化规律。

2.3 糙米破碎实验数据单因子方差分析

对不同转速、不同碾白时间的糙米破碎率进行单因子方差分析分析。原假设所有样本的均值都相等，备选假设至少有一个均值不同，显著性水平α=0.05。由表3可见，P=0.000<0.01，故砂辊不同转速对糙米破碎率影响具有极其显著的统计学差异。主要原因是不同转速产生的碾白压力不同，导致破碎率也不同。由表4可知P=0.960>0.05，砂辊不同碾白时间对糙米破碎率影响不具有显著的统计学差异。主要原因是不同碾白时间碾白室腔体内温度不同，对糙米品质影响较大，但尚未达到影响糙米破碎的温度。

表3 不同转速糙米破碎率方差分析表

表4 不同碾白时间糙米破碎率方差分析表

2.4 不同糙米破裂力对比与转速选择

不同碾米机械设备加工不同品种糙米时，获得相同碾白效果的碾辊转速必然不同，但具体参数值目前尚无建立数据库的文献。数据库建立难点主要是组合参数过多，需要投入大量人力、财力和时间。但其优点也显而易见，工厂加工前检测含水率、识别品种，可根据设备型号匹配最佳碾白参数，最大限度保证品质。表5为已有研究测得相关糙米破裂力数值，整理结合以供参考[14,15]。

表5 不同品种糙米破裂力

以泰优398为例，调质含水量至15%左右，利用质构仪测得压缩破裂力在63.56～90.42 N之间，使用自制撞击锤测定碰撞动态破裂力为44.269 N，当用MNSL21.5型立式单辊碾米机加工时，碾白室间隙固定在10 mm时，转速为950 r/min时，平均压缩力为57～95 N，1 120、1 250 r/min时压缩力分别为100～170 N和110～190 N，可以看出加工样品采用950 r/min转速较为合适。当采用MNSW18型碾米机加工时，转速选定1 200～1 300 r/min相对理想。

3 结论

根据低温多场-破碎率曲线分析，当转速在1 200～1 400 r/min范围内时曲线斜率变化较小，当转速达到1 500 r/min后，曲线斜率陡然上升，主要判断依据是相应碾白压力是否超过糙米断裂临界应力值。由低温多场-破碎率曲线分析，砂辊转速在1 200～1 500 r/min阶段曲线趋势大致相同，但当转速升高至1 600 r/min后，50、60 s所在曲线破碎率显著增加，是因为转速升高和碾白时间加长均会导致碾白室腔内温度上升，两者叠加使温度上升更加明显，使糙米表面水分减少，具体表现为糙米脆性增加，高速撞击下破碎率上升。砂辊不同转速对糙米加工破碎率有显著的影响，但碾白时间对破碎率影响相对较小。