海南檳榔果實幾何與物理參數的測量分析

傅琪彥，符秀娟，陳俊波，林麗珍，丁兆建

（1.海南職業技術學院，海南 海口 570216；2.瓊臺師范學院，海南 海口 571127）

1 概述

海南檳榔產量占全國的97%以上。海南東部的主要檳榔產區是瓊海市、萬寧市和陵水縣，中部產區是屯昌縣、瓊中縣和五指山市；西部產區是白沙縣、東方市和儋州市[1]。盡管2020 年的新冠病毒全球蔓延導致經濟整體下行，但檳榔被列入新冠病毒肺炎的中藥配方對檳榔產業是重大利好。

干果的加工方法各有不同，具體工藝流程為：清洗-炮制-上光-烘干-切片-取芯-點鹵水調味等，其中對檳榔果的切片加工效果直接決定了產品的最終外觀和價值，是檳榔加工中極為重要的一環。檳榔切片目前主要采取手工鍘刀剖切，存在效率低、工作強度大、成本高和食品衛生安全不易控制的問題。依靠手工的原因在于檳榔受地理氣候環境因素影響，果形尺寸及物理參數存在差異，外觀大多不規則，而市場提供的自動切片機械適應性不強、正品產率不高，外觀質量欠佳，因而產品貶值導致廠家不愿采用。由于檳榔的切片與檳榔幾何參數和物理參數密切相關，加強對檳榔果幾何尺寸和物理參數這些基礎數據的研究，將有利于切片加工機械的設計和改善產品品質，但目前這方面的研究數據還不多見[2]。

本文采用加工企業定點供應的海南檳榔，測量經過不同烘干時間后檳榔干果的幾何尺寸和部分物理參數的分布。根據檳榔切片的工藝特點，果實的外形尺寸與裝夾定位有關，果實厚度和硬度則影響切片力的大小，因此涉及到如重心、摩擦系數、抗壓強度和硬度等參數。其中重心與檳榔果的長度、寬度、高度和密度有關，摩擦系數、抗壓強度和硬度的主要影響因素是對應檳榔烘干時間的脫水量。

2 實驗結果與討論

2.1 幾何參數的測量

檳榔屬棕櫚科植物，果實大致呈橢球形，果皮較軟呈淡綠色至黃棕色，斷面可見網狀溝紋的纖維，能快速風干變硬。實驗前將個別干癟及不成熟的檳榔剔除，隨機選取篩選后的檳榔樣本100 粒，用游標卡尺測量檳榔的長度、腰徑（包括寬度和高度）。烘干實驗中，稱取檳榔鮮果置于電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干。溫度保持在80℃，每次烘干4h 后從干燥箱中取出，放入置有吸潮硅膠的干燥皿中，冷卻后測量其長度、腰徑（即高度和寬度）以及重量，如此重復烘干到第5 次時，樣品前后兩次質量差不大于3mg，得到絕干重。檳榔樣本隨烘干時間其外形尺寸變化的測量平均值如表1。

圖1 檳榔烘干時間與外形尺寸的關系

圖2 檳榔烘干12 小時后的尺寸分布

根據表1 中樣本組1 的測量結果繪圖如圖1。烘干過程中檳榔長度變化不大，但腰徑變化較大，其中高度和寬度的變化基本相同，這是由于檳榔纖維呈長度方向分布，烘干時徑向收縮遠小于橫向，橫向收縮各向均勻。果實樣本烘干12 小時后幾何尺寸的統計分布如圖2。可以看出，盡管檳榔尺寸分布較分散，但其長度、寬度和高度以及果肉厚度均有一個集中分布的區域。長度的分布區間為40-60mm，平均值略為 45mm；腰徑分布為15-25mm，隨檳榔長度增加，腰徑并不明顯增加；檳榔的果殼厚度變化不大，平均在3mm。

2.2 物理參數的測量

脫水率：脫水率定義為（M新鮮-Mn/M新鮮）×100%。考慮到檳榔干果的纖維性和咀嚼效果，檳榔不能烘干至完全沒有水分，實際烘干時使果實重量下降到鮮果重量的25%-30%，即干果脫水率為75%-70%為宜。參考食品中水分的測定方法[3]，稱取檳榔鮮果M新鮮，烘干工藝如前述，每次烘干n 小時后測量其重量Mn，求出相應的脫水率。烘干12 小時后干果脫水率為79%，而且同一批樣本的結果差異不大。檳榔干果脫水率隨烘干時間的變化如圖3。

圖3 檳榔干果的脫水率隨烘干時間的變化

圖4 檳榔干果的密度與脫水率的關系

密度：檳榔密度的測量方法采用阿基米德定律法。測量的原理是，物質的密度ρ 等于其質量除于體積，即ρ檳榔=M/v，準確稱量得到檳榔的質量M，然后通過排水法測量檳榔的體積 v，就可求出 ρ檳榔。實驗步驟是，（1）稱取檳榔的質量 M；（2）稱取裝有水的容器的質量 M1；（3）將支架置于桌面，用支架上的金屬絲固定住檳榔并放入水容器，使檳榔完全浸入水中但不接觸容器底，稱出此時裝有檳榔和水的容器質量M2。由于檳榔受到的浮力F浮力等于它的體積所排開的水的重量，因此 F浮力=ρ水vg=（M2-M1）g，g 為重力加速度，即 v=（M2-M1）/ρ水。所以ρ檳榔=M/v=（M/（M2-M1））ρ水。

檳榔干果的內部是空心結構，為準確測量檳榔的密度ρ物，需要將檳榔剖開再進行密度測量。由于檳榔干果浮于水面，即比重小于水的比重，需用硬的金屬絲扎緊檳榔放入水中。實驗前還需先在檳榔樣本表面涂抹石蠟，防止因吸水而引起誤差。測量結果如圖4，由此得到檳榔干果脫水率為78%時密度平均值為0.627g/cm3。

靜摩擦系數：測量了檳榔干果在幾種材料平板表面的靜摩擦系數。測定時將不同脫水率的檳榔置于材料平板上，通過旋動裝置逐漸抬高檳榔所在的平板一端，記錄檳榔剛好滑下時平板與水平面之間的夾角即摩擦角，每組樣本測量5 次然后取平均值，然后求出對應的靜摩擦系數μ=tanα，結果如圖5 所示。

靜摩擦系數與檳榔的脫水率明顯相關。脫水率為43%時靜摩擦系數變大，這可能是檳榔干燥后表面纖維有所外露，使粗糙度增大；隨著脫水率繼續增大，檳榔密度增大表面也變得緊密光滑，使靜摩擦系數變小。脫水率為78%時，檳榔在有機玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼平板上的靜摩擦系數分別為0.328、0.433、0.459 和0.309。

抗壓強度：檳榔的抗壓強度是單位面積的干果破壞前所能承受的最大壓力[4]。檳榔的抗壓強度決定切片力的大小，由于檳榔與木材均是纖維質材料，依據木材抗壓強度試驗方法對檳榔干果進行抗壓強度的測量。實驗方法是，由表1 所示的3 個樣本組中，將不同烘干時間的檳榔剖開，放在抗壓強度試驗機上對其均勻緩慢加載，直至檳榔試樣破壞，記錄檳榔的破壞載荷Pmax，由此求出抗壓強度σ=Pmax/A，式中A 是檳榔的受力面積。測量數據求平均值，得到的不同脫水率檳榔的抗壓強度如圖6。可以看出，在測量范圍內檳榔的抗壓強度與脫水率之間呈近似線性關系，烘干時間越長檳榔的脫水率越大，干果硬度越高，抗壓強度也隨之增大。

3 結論

對海南檳榔果的幾何和物理參數進行了實驗測量分析，得到以下結果：

圖5 檳榔干果在平板上的摩擦系數與脫水率的關系

圖6 檳榔干果不同脫水率時的抗壓強度

（1）烘干檳榔重量下降到鮮果重量的22%即脫水率為78%時，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm 之間，果殼厚度約3mm。

（2）檳榔脫水率為78%時，根據阿基米德定律法測出檳榔的密度約為0.627g/cm3；利用斜面法測量了檳榔在有機玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼上的靜摩擦系數分別為0.328、0.433、0.459 和0.309；抗壓強度的測量均值為16 MPa。