糙米破碎多因素试验研究

2022-10-28张兴振曹宪周王鑫宇

粮食与饲料工业 2022年5期

张宁，张兴振，曹宪周，王鑫宇，张超，王星

(河南工业大学，河南郑州 450001)

稻谷是我们日常生活中重要的主食之一，从收获到成为大米需要经过一系列的加工流程，过程中会产生碎米，其中大部分碎米发生在砻谷与碾白[1-3]。碾白是糙米加工的关键步骤，碾白过程中由于碾白压力的影响会造成加工过程中糙米的破碎[4-5]。大米的整精米率是评价大米质量常用的重要指标[6]。国内外研究人员对此进行了大量的研究。李阳等[1]使用质构仪进行了稻谷外壳拉伸力学性能试验研究。李耀明等[2]进行了水稻谷粒的挤压力学性能研究，指出谷壳在降低谷粒收获、加工、储运的损伤程度具有重要作用。冯帅博[7]使用质构仪探究了糙米受机械力时应力裂纹的生成扩展机理，发现正常收获的糙米籽粒内部已经存在不连续微裂纹，在受到机械力作用后，糙米籽粒内部形成连续微裂纹，且以胚乳中心部位呈辐射状向表皮扩展。冯帅博等[8]进行了糙米动态力学破碎研究，指出影响糙米撞击力因子的主次顺序为撞击动量>含水率>品种。杨作梅等[9]探究了不同含水率对谷子籽粒压缩力学性质与摩擦特性的影响。Courtois等[10]对未经处理的稻谷样品进行破碎率测定和裂纹估计。Shimizu等[11]通过对不同品种谷粒样品进行先增加含水率再烘干的试验，然后对糙米裂纹进行统计分析，并对裂纹的尺寸分布进行了分析。张洪霞等[12]研究了含水率对稻米籽粒挤压特性影响的研究。

本研究通过质构仪对糙米进行挤压破碎试验，主要探究形变量对糙米破碎力影响，分析不同含水率对糙米破碎力是否存在显著影响，找出糙米破碎力范围，为后续深入研究影响糙米碾白加工破碎因素提供相关依据。

1 糙米静态力学破碎试验

1.1 试验设备

试验设备采用TMS-PRO质构仪，传感器量程为500 N，设备可以读取糙米破碎图线并以excel数据形式导出试验数据。试验装置如图1所示。

图1 TMS-PRO质构仪

1.2 试验方法

本试验所选用的糙米为丰两优系列。质构仪探头的下降速度为60 mm/s，糙米样品含水率为11.45%，根据糙米形变量设置8组试验，每组选取20粒糙米。8组试验的形变量为物料原形态的33%～40%。

1.3 结果与讨论

1.3.1形变对糙米破碎力影响

含水率为11.45%的糙米静态破碎试验统计如图2所示。

(a)形变量33%

从糙米静态破碎试验结果图可以看出，试验测得的糙米破碎力量值范围起伏比较大，最小值46.58 N，最大值120.08 N，总体在80 N范围内进行波动。

表1是糙米静态破碎试验结果统计表。

表1 糙米静态破碎试验结果统计表

为探究形变量对糙米破碎力是否产生显著的统计学差异，对其进行单因方差分析。由于所进行的8组试验中存在未破碎颗粒，故在8组试验数据中随机选取10个糙米发生破碎的数据，见表2。

表2 糙米静态破碎试验单因子方差分析选取数据

由单因子方差分析表(见表3)可知，P=0.106>0.05,所以形变量对糙米的破碎力不具有显著的统计学差异。

表3 单因子方差分析表

1.3.2含水率对糙米破碎力影响

为探究糙米含水率对糙米破碎力的影响，通过对糙米进行调质获得了含水率为12.76%和13.6%的糙米样品。

含水率12.76%糙米静态破碎试验结果见图3，含水率13.6%糙米静态破碎试验结果见图4。

(a)形变量32%

通过对调质后含水率为12.76%和13.6%的糙米静态破碎试验结果图分析可以看出：当形变量低于34%时均存在没有破碎的糙米；而当形变量达到或超过34%时，糙米破碎率将达到100%。

研究含水率对糙米破碎力是否存在影响，选取形变量为34%的糙米进行单因素方差分析，见表4。

表4 关于不同含水率糙米形变量为34%的单因子方差分析表

不同含水率糙米平均破碎力折线图见图5。

(a)含水率11.45%

由表4可知，P=0.272>0.05,所以含水率对于取形变量34%糙米的破碎力不具有显著的统计学差异。

从图5中可见，3种不同含水率的糙米平均破碎力均在80～90 N附近上下波动。

2 糙米动态破碎分析

2.1 试验设备

试验设备采用自制的撞击力试验平台，主要由头槌、传感器、机架三部分组成(见图6)。通过头槌撞击糙米，经由传感器将数据传输到计算机高速动态力值测量系统。该测量系统会记录碰撞过程中力的最大值。

图6 自制粮食撞击试验台

2.2 试验方法

挑选完整表面无裂纹的糙米样品，糙米动态破碎试验共进行4组，每组选取20颗糙米进行糙米动态破碎试验。

2.3 结果与讨论

不同撞击高度糙米所受撞击力见图7。通过分析，10 mm的条件下，糙米的破碎率为35%；15 mm的条件下，糙米的破碎率为65%；20 mm的条件下，糙米的破碎率为90%；25 mm的条件下，糙米的破碎率为100%。由此可以判定糙米破碎率为100%的条件为20～25 mm，增加条件为21 mm和22 mm的试验，见图8。

(a)10 mm 糙米所受撞击力

(a)21 mm糙米所受撞击力

通过对试验结果进行分析，21 mm的条件下，糙米的破碎率为85%；22 mm的条件下糙米的破碎率为100%。因此22 mm为糙米破碎率为100%的临界条件。

由表5和图9可以发现，头槌下落高度对糙米破碎率的影响十分显著。随着下落高度的提升，平均破碎力逐渐加大，糙米破碎率也随之提升。当下落高度达到22 mm时，糙米破碎率已经达到100%。糙米达到破碎时所受撞击力波动范围比较大。达到破碎最小撞击力为54.997 N，最大破碎力需要161.506 N。

表5 不同试验高度糙米破碎情况

图9 糙米动态破碎情况3D曲面

分析糙米达到破碎时所受撞击力波动范围比较大的原因有以下两点：(1)不同糙米颗粒之间的理化性质存在差异；(2)随着高度的提升，糙米所受的冲击力越来越大。在糙米与头槌接触的极短的时间段内，糙米在前一段时间已经破碎，而糙米与头槌在后半段时间内继续接触施加力，从而造成测得的力比实际糙米本身破碎所需的临界力要大。

3 糙米组织结构分析

3.1 试验设备

上海兆仪光电科技有限公司生产的ZYJ-1000E显微镜(见图10)，适用于不透明物体或透明物体表面几何形态与组织的显微观察。

图10 ZYJ-1000E显微镜

3.2 试验方法

通过对糙米破碎试验结果的分析可以发现，糙米破碎力波动范围比较大。此外，试验过程中发现，外观颜色均匀的糙米达到破碎所需要的力比较大，而外观颜色发白的糙米达到破碎所需要的力则相对较小。为了研究造成二者破碎力值差异的原因，对其进行切片，使用显微镜观察内部结构，探究其内部结构的差异。

3.3 结果与讨论

糙米纵向截面图如图11所示，其中图11(a)为受到压缩时，难破碎糙米的纵向截面图；图11(b)为受到压缩时，易破碎糙米的纵向截面图。从图中可以明显观察到不易破碎的糙米内部颜色均匀，而容易破碎的糙米内部存在明显的白色区域。

(a)不易破碎

通过对两者进行显微观察(见图12)可以发现，不易破碎的糙米整体结构一致性很高，由中心位置向四周呈辐射状态。易破碎的糙米内部结构已经发生了改变，破坏了内部结构的一致性，从而导致糙米承受破碎的能力下降。

(a)不易破碎

不同品种糙米扫描电镜断面影像见图13。通过扫描电子显微镜发现糙米内部断裂存在两种形式，一种是细胞间的断裂，一种是淀粉间的断裂，细胞之间的结合力大于淀粉间的结合力，故淀粉间断裂更容易发生[8]。由图13可知：糙米结构强度取决于淀粉间的结合力，受到外部载荷作用时，随着水分及撞击力的加大，糙米裂纹宽度加大，造成糙米内部结构强度降低。