杏核壓縮力學特性的研究

張黎驊，秦 文*，馬榮朝

(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)

杏核壓縮力學特性的研究

張黎驊1,2，秦 文2,*，馬榮朝2

(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)

為了進一步改進杏核加工裝備的設計與制造，利用LDS-W10A型微機控制的力學實驗機進行含水率及施壓方向對杏核脫殼特性影響的研究，并建立相應的數學模型。實驗表明，當含水率在5.97%～30.14%時，分別沿X軸、Y軸和Z軸施壓時，含水率對破碎力和能耗影響較為明顯(P＜0.10)；沿X軸、Y軸對杏核施壓時，隨著含水率的增加，杏核所需破碎力和能耗逐漸減小。在相同含水率的條件下，杏核沿不同施壓方向所需破碎力和能耗有顯著差異，其中，沿X軸所需破碎力和能耗最大，分別為992N和1304.48mJ，沿Y軸所需破碎力和能耗最小，分別為268N和294.80mJ。相對于沿X、Y軸，沿Z軸施壓杏仁更容易破裂；而且含水率越高，則核仁越容易破裂。所以，杏核脫殼應選擇沿Y方向施壓，并在脫殼前對杏核進行適當的干燥以避免核仁被破壞。

杏核；含水率；脫殼特性；數學模型

Abstract：In order to further improve the design and manufacture of apricot seed processing machinery, we used a LDS-W10A type microcomputer controlled mechanical testing machine to explore the effects of material moisture content and pressure direction on apricot seed cracking characteristics. Meanwhile, corresponding mathematical models were established. The results showed that moisture content varying between 5.97% and 30.14% had a significant effect on both rupture forces and energy consumptions(P< 0.10) along theX-axis,Y-axis andZ-axis of apricot seeds. Increasing moisture content resulted in lower rupture forces and energy consumptions alongX-axis andY-axis. Both required rupture forces and energy consumptions along different directions for cracking apricot seeds with the same moistures exhibited a significant difference, and the largest required rupture force and energy consumption were alongX-axis, 992 N and 1304.48 mJ, respectively and the required rupture force and energy consumption alongY-axis were the smallest, 268 N and 294.80 mJ, respectively. Compared withX-axis andY-axis, apricot seeds compressed alongZ-axis were more easily ruptured and the higher the moisture content, the more easily apricot seeds were ruptured. Consequently, apricot seeds should be compressed alongY-axis and be dried properly in advance so as to prevent almond breaking.

Key words：apricot seed；moisture content；cracking characteristic；mathematical model

杏(Prunus armeniacaL.)是一種很好的食品加工原料。近年來我國鮮杏總產約60多萬t，其中年產杏核4.49萬t[1]。據調查，在美國，杏仁的系列加工制品多達1000多種。杏仁富含磷、鉀、鈣、鎂、硼、鋅、硒等礦質元素，含蛋白質25%～27%，17種氨基酸(總量為26.725%)，總糖4.1%，杏仁苷2%～4%[2]，同時含有豐富的油脂，其含油量在50%左右[3-4]，且95%以上為亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，是制造高級護膚化妝品、優質食用油，也是高級潤滑油的優質原料[4-5]。所以，深入研究杏核加工技術對發展我國杏產業有著舉足輕重的意義。

目前，國內學者余雅瓊[2]研究了杏仁蛋白的提取與物性，盛小娜[4]研究了提取甜杏仁油及水解蛋白的方法，國外學者 Gezer等[6]研究了杏核與杏仁的物理特性等，而對于杏核含水率對脫殼特性影響的研究還很少見報道。

對于杏核加工來說，脫殼是一道關鍵且困難的工序，傳統的人工砸殼取仁的方法不僅效率低、產能小，而且破仁率高。雖然我國已研制了一些杏核的脫殼機械，但是其中多數脫殼效率低，脫殼后破仁率高，損失大，遠遠不能滿足杏核加工發展的需要[7-10]。分析其主要原因是由于對杏核壓縮力學特性的影響因素研究深度不夠，從而導致杏核脫殼機械設計的不合理[11]。因此，本次研究主要測定含水率和施壓方向對破碎力、變形量以及能耗的影響，建立相應的數學模型并進行回歸方程的顯著性檢驗，為進一步提高杏核脫殼機的破殼性能和降低杏仁破碎率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

測試中所用的杏(Prunus armeniacaL.)由四川省雅安市郊農戶提供。將杏子去除果肉，取出杏核，挑選出完好的杏核并進行清洗、裝袋密封，在4℃條件下貯藏以備實驗之用。

1.2 儀器與設備

游標卡尺(200mm×0.01mm) 美國邦克工具有限公司；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。

1.3 方法

1.3.1 含水率的測量

首先，人工將樣本核殼和核仁分離出來并適當破碎，用精度為0.001g的天平稱量其初始總質量，然后將杏核放在20-T(AS)恒溫干燥箱中105℃放置24h以上，取出并稱得絕干質量[12]。則濕基含水率(me)為：

式中：m1為濕物質質量/g；m2為絕干質量/g。

1.3.2 破碎力-位移曲線的測量

圖1 杏核的施壓方向Fig.1 Compression axes of apricot seeds

用LDS微機控制力學實驗機以10mm/min速度對杏核進行不同的含水率、不同方位施壓實驗，杏核的X、Y和Z方向如圖1所示。當壓頭接觸到杏核時，其顯示器開始顯示壓力數據，直到杏核因受力增大開始破裂時，壓力急速降低而自動停機，記錄破碎力-位移曲線及壓力峰值。每次實驗時任選含水率相同的10顆杏核，最后取實驗結果的平均值[12-14]。

1.3.3 能耗的測定

杏核被破壞時所需的能量可由計算破碎力-變形曲線下方面積得到[15]，其計算公式為：

式中：F為破碎力/N；S為破壞時的變形量/mm。

1.3.4 杏仁破碎率的測定

在本次壓縮實驗后，對每個杏仁采用放大鏡觀察是否產生破碎的裂紋，并由式(3)計算杏核的破碎率(C)。

式中：n1為損傷杏仁數；n0為杏仁實驗數。

2 結果與分析

2.1 對杏核外形尺寸的測量與分析

四川杏核不同部位尺寸的測量值如表1所示。

表1 杏核外形尺寸及質量Table 1 Dimensional properties and masses of apricot seeds

由表1可知，在長度方向上極差為6.73mm；在寬度方向上極差為4.32mm；在厚度方向上極差為2.47mm。因此，在脫殼處理時，為保證脫殼品質對杏核應分級處理。對含水率對杏核的外形尺寸的影響的數據分析[16]結果如表2所示。由F檢驗的結果表明含水率對杏核長、寬、厚度尺寸的影響均顯著(P＜0.05)。杏核的長、寬、高尺寸與含水率之間呈線性正相關，其原因主要是杏核吸收水分而膨脹所致。

表2 含水率對杏核外形尺寸影響的分析結果Table 2 Analytical results of the effects of moisture content on apricot seed shape

2.2 杏核壓縮力-位移曲線的測量與分析

圖2 杏核沿不同方向的壓縮力-位移曲線Fig.2 Rupture force versus displacement curves of apricot seeds under compression loading along different axes

含水率為5. 97%的杏核從不同方向，以10mm/min速度壓縮時的力-位移曲線如圖2所示。杏核沿X、Y、Z軸施壓時，杏核的壓縮力-位移曲線明顯不同。其中，杏核沿Y軸施壓時主要以彈性變形為主；沿Z軸施壓時主要以塑性變形為主；沿Y、Z軸施壓時，杏核均沒有明顯的生物屈服點[10]。杏核沿X軸施壓時，開始階段為彈性變形，隨后才進入塑性變形，并且出現了明顯的生物屈服點A。

當選取不同的含水率和不同的加壓軸時，杏核最大破碎力、變形量、能耗以及杏仁破碎率等脫殼力學特性的測量結果如表3所示。

表3 含水率對杏核脫殼力學特性的影響及杏仁破碎率Table 3 Effect of moisture content on cracking mechanical properties of apricot seeds and almond breaking rate

由表3可知，在本次壓縮實驗后對每個杏仁采用放大鏡觀察，結果表明沿X軸和Y軸加載時，核仁均沒有產生裂紋。然而，沿Z方向施壓時，其破碎率隨著含水率的增加而增加，在含水率為30.14%時，破碎率達到最大值76.7%。在含水率為5.97%時，破碎率為最小值23.3%。主要原因是在Z軸方向杏核殼與杏仁之間間隙太小，導致脫殼施壓時將杏仁壓破。

2.3 含水率對杏核破碎力的影響

圖3 含水率對杏核破碎力的影響Fig.3 Effect of moisture content on required rupture force for apricot seeds

圖3所示為在不同含水率和加壓方向下所需的臨界破碎力。在沿X、Y軸施壓時，杏核所需的破碎力隨著含水率的增加而減小。在含水率從5.97%增加到30.14%時，X軸破碎力從992N下降到492N，Y軸破碎力從416N減少到268N。主要由于杏核在高含水率時，核殼變軟所致。而沿Z軸，含水率在5.97%～23.71%之間時，其破碎力隨含水率的增加而減小，含水率在23.71%～30.14%之間，其破碎力隨含水率的增加而增加。造成這一現象的原因是因為沿Z軸加壓時，杏仁在高含水率時，進一步吸水膨脹并將其與殼的徑向間隙填滿，因而導致了破碎力有所增加。

表4 含水率對杏核破碎力影響的分析結果Table 4 Modeling of the effects of moisture content on required rupture forces for apricot seeds along different directions

采用SAS軟件對實驗結果進行分析，得到含水率及破碎力的關系如表4所示[17-19]。統計分析后可以發現，在X軸、Y軸和Z軸上，含水率對破碎力的影響顯著(P＜0.05)，而且含水率對破碎力之間存在二階非線性的函數關系。

2.4 含水率對杏核變形量的影響

圖4 含水率對杏核變形量的影響Fig.4 Effect of moisture content on apricot seed deformation

圖4為含水率及加壓方向對杏核破壞時變形的影響。沿X軸、Y軸施壓時，杏核的變形量隨著含水率的增加而增加。而且沿X軸杏核的變形要比其他兩軸大。這表明與其他兩軸相比杏核沿X軸方向更有彈性，而且更不容易破碎。隨著含水率從5.97%增加到30.14%，沿X軸方向加壓時，變形量從2.63mm增加到3.72mm；沿Y軸施壓時，變形量從1.94mm增加到2.20mm；沿Z軸加壓時，隨著含水率的增加，變形量從2.49mm逐漸下降到2.31mm，然后又上升到2.97mm。沿Z軸加壓時產生這種趨勢的原因是由于在高含水率的情況下，殼和核仁間無徑向間隙，以及杏核所需破碎力不斷增加。

表5 含水率對杏核變形量影響的分析結果Table 5 Modeling of the effects of moisture content on apricot seed deformation along different directions

采用SAS軟件對實驗結果分析，得到含水率及變形量的關系如表5所示。統計分析后可以發現，在X軸、Y軸和Z軸上，含水率對變形量的影響是顯著的(P＜0.05)，而且含水率對破碎力之間存在二階非線性的函數關系。

2.5 含水率對杏核能耗的影響

圖5 含水率及加壓軸對杏核脫殼能耗的影響Fig.5 Effect of moisture content and compression direction on required energy consumption for cracking apricot seeds

從表6和圖5可以看出，在X軸和Y軸上，隨著含水率從5.97%增加到30.14%，杏核破碎所需的能耗逐漸減少。產生這種趨勢的原因可以歸因于破碎力的減少幅度大于杏核位移的增加幅度從而使能耗減少，而且沿X軸破碎杏核比從另外兩軸需要更多的能耗。而在Z軸上，含水率從5.97%增加到30.14%杏核所需的能耗從702.18mJ逐漸減小到455.10mJ，而后增加到626.67mJ。產生這種現象的原因是當含水率增加到23.71%時，從Z軸施加的破碎力和變形量均增加。

含水率對杏核破碎能耗影響的統計分析結果如表6所示，分別沿X軸、Y軸和Z軸施壓時，含水率對杏核的能耗影響較為明顯(P＜0.10)，而且含水率對能耗之間存在二階非線性的函數關系。

3 結 論

3.1 在相同含水率的條件下，杏核沿不同施壓方向所需破碎力和能耗有顯著差異，其中，沿X軸對杏核施壓破裂所需的破碎力和能耗為最大，分別為992N和1304.48mJ；沿Y軸施壓所需的破碎力和能耗為最低，分別為268N和294.80mJ。因此在建立杏核施壓脫殼原理時，選擇沿Y軸施壓比沿另外兩個方向更合理。

3.2 當含水率在5.97%～30.14%時，含水率、施壓方向對破碎力、變形量及能耗影響較為顯著(P＜0.10)，而且破碎力、變形量及能耗均與含水率之間存在二階非線性的函數關系。

3.3 從杏核施壓造成核仁破裂的角度來講，相對于沿X、Y軸，沿Z軸施壓杏仁更容易破裂；在相同的施壓方向上，含水率越高，則核仁越容易破裂，所以杏核在脫殼前應適當的進行干燥以避免核仁在施壓脫殼時破碎率過高。

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Mechanical Properties of Apricot Seeds under Compression Loading

ZHANG Li-hua1,2，QIN Wen2,*，MA Rong-chao2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 610044, China；2. College of Information and Engineering Technology, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

S565.2

A

1002-6630(2010)17-0143-05

2010-06-14

四川教育廳青年基金項目(2006B011)

張黎驊(1969—)，男，副教授，博士研究生，研究方向為農產品加工機械與裝備。E-mail：zhanglihua69@126.com

*通信作者：秦文(1967—)，女，教授，博士，研究方向為農產品加工與貯藏。E-mail：qinwen1967@yahoo.com.cn