儲(chǔ)藏條件對(duì)大豆籽粒力學(xué)特性的影響

程緒鐸 嚴(yán)曉婕 黃之斌

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046)(糧食儲(chǔ)運(yùn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室2，南京 210046)

大豆籽粒的結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)藏時(shí)受到很多因素的影響，如溫度、含水率、空氣濕度、儲(chǔ)藏時(shí)間、儲(chǔ)藏壓力等對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響，特別對(duì)儲(chǔ)藏一段時(shí)間后的大豆籽粒，由于溫度、水分、壓力的影響，籽粒內(nèi)部脂肪和蛋白質(zhì)的混合狀態(tài)將被改變，它的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)一些儲(chǔ)藏大豆的筒倉(cāng)，堆高大，儲(chǔ)藏溫度高、含水率大、時(shí)間久，儲(chǔ)藏的大豆籽粒變軟，彈性變小，產(chǎn)生裂紋與破碎，在大豆堆深處，常常發(fā)生走油、赤變等嚴(yán)重影響大豆儲(chǔ)藏及加工品質(zhì)的現(xiàn)象。大豆籽粒壓縮時(shí)的最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量等是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，它表征大豆籽粒在受壓時(shí)抵抗其變形和破裂的能力。準(zhǔn)確的掌握上述參數(shù)，可為糧倉(cāng)和運(yùn)輸設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、為大豆通風(fēng)干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，也可為大豆加工機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

國(guó)外對(duì)于谷物的籽粒壓縮力學(xué)特性的研究從20世紀(jì)60年代開始[1-2]。Zorerb等[1-2]研究了馬齒狀玉米、小麥、豌豆、豆類植物在不同含水量下緩慢加載的特性，研究表明谷物擠壓強(qiáng)度的影響參數(shù)是含水率、溫度、加載速度和加載位置及物料尺寸。國(guó)內(nèi)對(duì)大豆籽粒的壓縮力學(xué)特性已有一些研究，劉傳云等[3]對(duì)大豆的表觀接觸彈性模量進(jìn)行了測(cè)定，僅測(cè)定了單一含水率、單一溫度的大豆籽粒的表觀接觸彈性模量。劉志云等[4]對(duì)大豆的接觸彈性模量進(jìn)行了測(cè)定，但他們將大豆視為圓柱體，這樣的假定與大豆籽粒的實(shí)際形狀差別較大；馬小愚等[5]測(cè)定了大豆籽粒壓縮力學(xué)特性，他們僅測(cè)定了單一溫度的大豆籽粒的最大破壞力；采用了自制力學(xué)性能測(cè)試裝備，壓縮時(shí)加載的速度偏大，難以準(zhǔn)確揭示大豆籽粒靜態(tài)壓縮力學(xué)特性。研究對(duì)不同儲(chǔ)藏時(shí)間(60、90、120、150 d)、不同含水率(12.0%、13.5%、15.0%)、不同儲(chǔ)藏溫度(20、25、30 ℃)的大豆籽粒進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)定了大豆籽粒的最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應(yīng)變，分析了儲(chǔ)藏時(shí)間、含水率、溫度對(duì)大豆籽粒壓縮力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆：2012年?yáng)|北黑龍江產(chǎn)秋大豆，外觀形狀近似橢圓狀，見圖1，用游標(biāo)卡尺測(cè)定大豆的長(zhǎng)(X)，寬(Y)，高(Z)，得到大豆的尺寸，如表1所示。

表1 大豆籽粒的幾何尺寸

1.2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

CT3質(zhì)構(gòu)儀：美國(guó)Brookfield公司; 300游標(biāo)卡尺：中國(guó)桂林量具刃具廠。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

選取黑龍江2012年產(chǎn)大豆3600 粒形狀相似的大豆(除去蟲蝕和裂紋粒)，裝36袋，每袋100粒，分3組，每組12袋，第1組含水率調(diào)制為12%，第2組含水率調(diào)制為13.5%，第3組含水率調(diào)制為15%，密封好袋子。每組取4袋，共12袋，放在溫度設(shè)置為20 ℃的氣候箱內(nèi)；每組取4袋，共12袋，放在溫度設(shè)置為25 ℃的氣候箱內(nèi)；每組取4袋，共12袋，放在溫度設(shè)置為30 ℃的氣候箱內(nèi)。

儲(chǔ)藏60、90、120、150 d，在溫度設(shè)置為20、25、30 ℃的3個(gè)氣候箱內(nèi)各取3袋，含水率分別是12%、13.5%、15%。每袋任取30粒做壓縮試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)備配置選擇

選取壓縮模式，壓縮范圍為50 kg。

壓縮底座為TA-RT-KIT，壓縮探頭為TA10，直徑12.7 mm，長(zhǎng)度35 mm，圓柱狀。

壓縮速度為0.02 mm/s，壓縮距離為3 mm，壓縮觸發(fā)點(diǎn)為10 g。

每次開機(jī)試驗(yàn)前，將質(zhì)構(gòu)儀試機(jī)預(yù)熱30 min。

1.3.3 試驗(yàn)壓縮方位(中軸)

開機(jī)預(yù)熱完成后，要對(duì)不同壓縮位置進(jìn)行壓縮最大破壞力的可能范圍進(jìn)行試驗(yàn)。一般選擇10粒大豆進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。在選樣過程中要選擇長(zhǎng)寬高相差很小的樣品。中軸方位的壓縮的示意圖如圖1所示，在壓縮過程中，要保證大豆放置的方位和壓縮角度盡可能一樣，這樣可以最大程度的減少誤差。

圖1 中軸(Y軸)壓縮試驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與分析

在每一袋中取30個(gè)大豆籽粒進(jìn)行重復(fù)壓縮試驗(yàn)[6-8]。大豆破裂時(shí)，對(duì)應(yīng)的載荷是最大破壞力，力對(duì)位移的積分是最大破壞能，形變與原長(zhǎng)的比是最大破壞應(yīng)變。

2.1儲(chǔ)藏條件對(duì)大豆籽粒最大破壞力的影響

由表2、圖2～4可見，儲(chǔ)藏60 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞力的變化范圍分別為：106.85～99.83 N、104.52～93.40 N、97.46～90.19 N；儲(chǔ)藏90 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞力的變化范圍分別為：106.03～98.53 N、104.33～93.14 N、97.40～89.75 N；儲(chǔ)藏120 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞力的變化范圍分別為：105.89～95.26 N、101.00～90.48 N、87.51～83.17 N；儲(chǔ)藏150 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞力的變化范圍分別為：99.19～84.05 N、92.19～82.75 N、90.95～81.50 N。

表2 大豆籽粒的最大破壞力/N

圖2 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞力的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間60 d)

圖3 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞力的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間150 d)

圖4 儲(chǔ)藏時(shí)間、含水率對(duì)最大破壞力的影響(儲(chǔ)藏溫度25 ℃)

儲(chǔ)藏溫度和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞力隨含水率的增加而減小; 含水率和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞力隨儲(chǔ)藏溫度的增加而減小; 含水率和儲(chǔ)藏溫度一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞力隨儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而減小。這個(gè)結(jié)果表明：儲(chǔ)藏時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，含水率大，大豆籽粒強(qiáng)度降低，抵抗破裂的力減小。

2.2儲(chǔ)藏條件對(duì)大豆籽粒最大破壞能的影響

由表3、圖5～圖7可見，儲(chǔ)藏60 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞能的變化范圍分別為：160.80～150.71 mJ、128.62～126.73 mJ、114.84～108.92 mJ；儲(chǔ)藏90 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞能的變化范圍分別為：140.92～127.65 mJ、135.62～117.15 mJ、106.04～97.37 mJ；儲(chǔ)藏120 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞能的變化范圍分別為：117.91～114.41 mJ、115.54～111.15 mJ、110.29～95.36 mJ；儲(chǔ)藏150 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%, 儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞能的變化范圍分別為：113.01～96.80 mJ、109.06～95.15 mJ、104.63～90.52 mJ。

表3 大豆籽粒的最大破壞能/mJ

圖5 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞能的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間60 d)

圖6 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞能的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間150 d)

圖7 儲(chǔ)藏時(shí)間、含水率對(duì)最大破壞能的影響(儲(chǔ)藏溫度25 ℃)

儲(chǔ)藏溫度和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞能隨含水率的增加而減小; 含水率和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞能隨儲(chǔ)藏溫度的增加而減小; 含水率和儲(chǔ)藏溫度一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞能隨儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而減小。這個(gè)結(jié)果表明：儲(chǔ)藏時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，含水率大，大豆籽粒強(qiáng)度降低，抵抗破裂的能減小，即破裂大豆籽粒所需的功減小。

2.3儲(chǔ)藏條件對(duì)大豆籽粒最大破壞應(yīng)變的影響

由表4、圖8～圖10可見，儲(chǔ)藏60 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%,儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：0.356～0.383、0.365～0.404、0.382～0.412；儲(chǔ)藏90 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%,儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：0.393～0.415、0.405～0.423、0.416～0.439；儲(chǔ)藏120 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%,儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：0.422～0.448、0.429～0.457、0.434～0.460；儲(chǔ)藏150 d時(shí),大豆籽粒(含水率分別為:12.0%、13.5%、15.0%,儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃)的最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：0.439～0.466、0.446～0.469、0.455～0.472。

表4 大豆籽粒的最大破壞應(yīng)變

圖8 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞應(yīng)變的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間60 d)

圖9 儲(chǔ)藏溫度、含水率對(duì)最大破壞應(yīng)變的影響(儲(chǔ)藏時(shí)間150 d)

圖10 儲(chǔ)藏時(shí)間、含水率對(duì)最大破壞應(yīng)變的影響(儲(chǔ)藏溫度25 ℃)

儲(chǔ)藏溫度和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞應(yīng)變隨含水率的增加而增加; 含水率和儲(chǔ)藏時(shí)間一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞應(yīng)變隨儲(chǔ)藏溫度的增加而增加; 含水率和儲(chǔ)藏溫度一定時(shí)，大豆籽粒的最大破壞應(yīng)變隨儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而增加。這個(gè)結(jié)果表明：儲(chǔ)藏時(shí)間長(zhǎng)，溫度高，含水率大，大豆籽粒結(jié)構(gòu)軟化。當(dāng)受到外力壓縮時(shí)，大豆籽粒破裂時(shí)的應(yīng)變?cè)黾恿恕?/p>

3 結(jié)論

儲(chǔ)藏60 d，儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃，儲(chǔ)藏籽粒的含水率為12.0%～15.0%，大豆籽粒壓縮最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：106.85～90.19 N、160.80～108.92 mJ、0.356～0.412；儲(chǔ)藏150 d，儲(chǔ)藏溫度為20～30 ℃，儲(chǔ)藏籽粒的含水率為12.0%～15.0%，大豆籽粒壓縮最大破壞力、最大破壞能、最大破壞應(yīng)變的變化范圍分別為：99.19～81.50 N、113.01～90.52 mJ、0.439～0.472。

在相同的儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏時(shí)間條件下，大豆籽粒的壓縮最大破壞力、最大破壞能隨著含水率的增加而減小，最大破壞應(yīng)變隨著含水率的增加而增加。

在相同的含水率、儲(chǔ)藏時(shí)間條件下，大豆籽粒的壓縮最大破壞力、最大破壞能隨著儲(chǔ)藏溫度的增加而減小，最大破壞應(yīng)變隨著儲(chǔ)藏溫度的增加而增加。

在相同的儲(chǔ)藏溫度、含水率條件下，大豆籽粒的壓縮最大破壞力、最大破壞能隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而減小，最大破壞應(yīng)變隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而增加。

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