花生脫殼力學特性的實驗研究

張黎驊，張 文，秦 文,*，李明霞

(1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 610044；2.四川農業大學信息與工程技術學院，四川 雅安 625014)

花生是一種高營養的食品，含有蛋白質2 5%～36%，脂肪可達40%以上，還含有豐富的VB2、VPP、VA、VD、VE、鈣和鐵等[1]。花生的營養價值比糧食類高，可與雞蛋、牛奶、肉類等一些動物性食物媲美，是近年特別為人們所關注的優質食品和食用油來源。對花生進行深加工時，都必須對其進行脫殼，花生脫殼是一個非常復雜的過程，處理不當會造成大量花生粒損傷和破裂、嚴重影響其加工產品的品質。目前劉紅力等[2]對花生破殼力學特性進行了初步研究。為進一步深入研究花生脫殼的力學特性，本研究對花生進行三因素三水平重復區組試驗，以期得到花生脫殼的最佳參數組合。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

花生為四川紅米花生(Arachis hypogaeaL.)，是四川花生主栽品種。

LDS-W10A型微機控制電子拉壓實驗機 杭州艾斯達特檢測儀器有限公司；20-T(AS) 電熱恒溫干燥箱 南通聯豐計量技術有限公司；JD2000-2電子天平 北京中儀友信科技有限公司。

1.2 方法

1.2.1 花生殼厚度的測量

選取四川紅米花生3組，每組30個樣本，用游標卡尺測量花生殼頂部、腰部、柄部各部位的厚度并記錄[3-5]。

1.2.2 花生施壓的力學實驗

用LDS微機控制電子拉壓實驗機進行不同方向花生受壓的力學實驗，對含水率為15.8%(濕基)的四川紅米花生分別沿x、y、z三維方向以10mm/min速度進行施壓至破殼[6-11]。并測定花生破裂時的破損力。

破損力測定的方法如下：采用壓力實驗機以不同速度對花生施壓，當壓頭接觸到花生時，其顯示器開始顯示壓力數據；直到花生因受力增大開始破裂時，壓力驟減而自動停機，記錄壓力峰值；每次實驗時任意選用含水率相同的10顆花生，最后取實驗結果的平均值[2,9,12]。

1.2.3 花生受壓正交試驗

對四川紅米花生進行了以花生破損力為目標參數，以含水率、施壓速率和施壓方向為因素進行了三因素三水平有重復觀測值的正交試驗，試驗按L9(34)排列。試驗重復兩組，每組做5次，取平均值。因素水平表如表1所示[13]。試驗數據采用Matlab軟件進行回歸分析和SAS軟件進行極差和方差分析[14-15]。

表1 正交試驗因素水平表Table1 Factors and levels in the orthogonal array design

2 結果與分析

2.1 花生殼厚度測定與分析

四川紅米花生殼不同部位厚度的測量值和方差分析結果如表2、3所示。

表2 四川紅米花生殼厚度測量結果Table2 Thickness of peanut shell measured at different positions

表3 四川紅米花生殼厚度方差分析表Table3 Variance analysis for the thickness of peanut shell measured at different positions

經過F檢驗，得到F=F0.05(2,87)=4.88，F＜F0.05，這表示各處理間的數據沒有顯著差異，即可以證明不同部位的殼厚差異不明顯。因此，可將花生殼厚看成是均勻的。

2.2 花生壓力分析

紅米花生準靜態施壓實驗方法參考文獻[10]、[16]，其壓力與變形關系曲線如圖1所示。

圖1 花生受力與變形量的關系曲線Fig.1 Curves between loading force and degree of deformation of peanut shell

由圖1可知，在一定范圍內，花生所受壓力與變形量之間呈線性增長關系，表明此刻發生了彈性變形。隨著壓力的逐漸增加，彈性變形和塑性變形同時發生。在加載的后期階段，塑性變形是主要的。當壓縮至花生承受某一載荷時，花生殼開始出現裂紋，此時花生的強度降低，圖中的曲線開始下降。此時，所對應的最大壓力即為花生破損力。

在彈性變形范圍，參考文獻[7]方法擬合花生受力與變形量的線性回歸方程為：

2.3 花生施壓力學特性的主要影響因素

2.3.1 施壓方向對花生破損力的影響

由圖1可知，紅米花生從不同方向施壓時，花生所需的破損力是明顯不同的。沿x向施壓時花生所需的破損力最小(36.34N)，而沿y向施壓時，花生所需的破損力最大(48.59N)，而且變形也大，容易使花生米破裂，所以，y方向是影響花生脫殼品質最不利的因素。

對3個方向出現最大破損力處進行單因素方差分析，得到F=16.3574＞F0.01(2,12)=6.93，說明花生施壓方向對花生最大破損力影響顯著。

2.3.2 含水率對花生破損力的影響

由圖2可知，花生破損力與濕基含水率(4.85%～32%)呈顯著相關(在x方向：F=22.4510＞F0.01(3,16)=5.29；在z方向：F=23.4404＞F0.01(3,16)=5.29)，最小破損力發生在含水率為15.8%，因為花生的含水率越低，花生殼的脆性越大，其能夠抵抗破裂的能力就越小。所以，花生含水率在15.8%情況下脫殼其能量消耗最小。但含水率過高時(大于濕基含水率25%)，花生殼較軟容易變形，不易破裂。

含水率和破損力之間為非線性關系，在x方向時，其回歸方程為：

式中：F為花生破損力/N；M為花生濕基含水率/%。

2.3.3 施壓速率對花生破損力的影響

圖3 施壓速率與花生破損力的關系曲線Fig.3 Effect of loading rate on breaking force of peanut shell

從圖3可以看出，當含水率在15.8%時，花生破損力與施壓速率是顯著相關(F=7.1511＞F0.01(3,16)=5.29)，隨著施壓速率的增加，花生破損力明顯下降。其線性回歸方程為：

當含水率為7.35%時，花生破損力與施壓速率無顯著相關(F=0.9842＜F0.05(3,16)=3.24)。

2.4 正交試驗分析

由表4可知，最優水平組合為A3B1C2。即花生施壓方向為頂面(x向)、施壓速率為30mm/min、含水率15.8%。經實驗驗證，其破損力為22.53N，小于試驗組9的破損力。

表4 正交試驗結果及極差分析Table4 Orthogonal experimental results and range analysis

表5 方差分析表Table5 Variance analysis for the breaking force of peanut shell with various cracking conditions

由表5可知，模型誤差與實驗誤差差異極顯著，說明實驗因素間交互作用極顯著，因此，其因素間交互作用有待于進一步研究[18]。F檢驗結果表明，施壓方向、施壓速率、花生含水率對花生破損力都有極顯著影響；區組間差異不顯著。

為找出各因素最優水平組合，還需進行處理間的多重比較。其分析結果如6表所示。

表6 各處理平均數多重比較表(LSD法)Table6 Multiple comparison analysis for the orthogonal experimental results (LSD method)

由文獻[18]可知，各處理均值標準誤為：

式中：MSe為實驗誤差的平方均值；r為模型誤差的自由度；取值見表5。

由表6各處理平均數多重比較分析可知，除試驗組4與試驗組7、試驗組4與試驗組8、試驗組8與試驗組7處理平均破損力差異不顯著外，其余各處理破損力間差異極顯著。

3 結 論

3.1 花生在被壓縮時，均會經過彈性變形、塑性變形和突然破裂3個階段；但當花生過濕(含水率在25%以上)時，花生一直呈彈性變形，而很難壓破。

3.2 花生施壓方向、施壓速率、花生含水率與花生破損力均為極顯著相關，要使花生脫殼破損力最小時，最優水平組合為花生施壓方向為頂面(x向)、施壓速率為30mm/min、含水率15.8%。

3.3 模型誤差與實驗誤差差異極顯著，說明實驗因素間交互作用極顯著，其因素間交互作用有待于進一步研究。

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