儲藏壓力對大豆籽粒壓縮特性的影響研究

唐福元 黃之斌，2 嚴(yán)曉婕，2 程緒鐸，2

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院1，南京 210046)

(糧食儲運國家工程實驗室2，南京 210046)

大豆籽粒的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性在收獲后容易受到很多因素的影響，如溫度、水分、空氣濕度、儲藏時間、儲藏壓力等對其結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響，特別對儲藏一段時間后的大豆籽粒，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)和力學(xué)特性將發(fā)生變化?，F(xiàn)在國內(nèi)一些儲藏大豆的筒倉，堆高大，儲藏時間久，在大豆堆深處，常常發(fā)生走油、赤變等嚴(yán)重影響大豆儲藏及加工品質(zhì)的現(xiàn)象。所以對大豆籽粒進行壓縮試驗研究，掌握其抵抗壓力的特性，對儲糧安全是非常必要的。

國外對于糧食的籽粒壓縮力學(xué)特性的研究從20世紀(jì) 60年代就開始了[1－2]。Zorerb等[1]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度的影響參數(shù)是含水量、溫度、加載速度和加載位置及物料尺寸。國內(nèi)對大豆籽粒的壓縮特性已有一些研究，劉傳云等[3]對大豆的表觀接觸彈性模量進行了測定，他們僅測定了短軸方向的壓縮特性，但沒有測定中軸、長軸方向的壓縮特性；劉志云等[4]對大豆的接觸彈性模量進行了測定，但他們將大豆視為圓柱體，這樣的假定與大豆籽粒的實際形狀差別較大；馬小愚等[5]測定了大豆籽粒力學(xué)性質(zhì)，采用了自制力學(xué)性能測試裝備，壓縮時加載的速度偏大，難以準(zhǔn)確揭示大豆籽粒靜態(tài)壓縮特性。對不同儲藏壓力下(87、115、150、161、211、300 kPa)儲藏 6個月后的大豆籽粒進行X軸(長軸)、Y軸(中軸)、Z軸(短軸)壓縮試驗，測定了大豆的表觀接觸彈性模量、最大破壞力、最大破壞能、破壞點的變形量，分析了隨著儲藏壓力的增加，大豆籽粒壓縮的最大破壞力，最大破壞能，表觀彈性模量的變化規(guī)律。為筒倉中大豆儲藏壓力提供閾值。

1 試驗材料與儀器

1.1 試驗材料

2011年東北黑龍江產(chǎn)秋大豆，外觀形狀近似橢圓狀，幾何尺寸見表1，儲藏溫度15℃，含水率10.68%。

表1 大豆籽粒的幾何尺寸

1.2 試驗儀器和設(shè)備

LHT－1型糧食回彈模量儀:南京土壤儀器廠有限公司；HG202－2(2A/2AD)電熱干燥箱:南京盈鑫實驗儀器有限公司；AL204分析天平、JSFD粉碎機:上海嘉定糧油儀器有限公司；CT3質(zhì)構(gòu)儀:美國Brookfield公司。

2 試驗原理與方法

2.1 糧堆加壓儲藏試驗原理

大豆樣品裝入回彈模量儀圓柱筒里，頂部加蓋防潮布并施加載荷，在豎直壓力作用下大豆樣品無側(cè)向膨脹，豎直方向上長度受壓縮短，體積減小，但密度隨之增大[6]。

開始試驗后，大豆樣品受到來自傳壓板的豎直壓應(yīng)力 σ1，鋼筒側(cè)面的側(cè)壓應(yīng)力 σ2、σ3，底座對大豆垂直向上的支持壓應(yīng)力σ4。筒中大豆樣品應(yīng)力分布如圖1所示。儀器圖如圖2所示。

圖1 大豆樣品應(yīng)力分布

圖2 LHT－1型糧食回彈模量實物圖

2.2 糧堆加壓儲藏試驗方法

裝樣:將回彈模量儀裝樣筒清理干凈，連續(xù)勻速的倒入樣品，將樣品表面鋪平之后，蓋上傳壓板，并加蓋防潮布，保證傳壓板上表面與裝樣筒上端齊平。

保持橫梁拉桿垂直，轉(zhuǎn)動平衡錘調(diào)整杠桿至水平，用M16螺母固定平衡錘。

旋轉(zhuǎn)傳壓螺釘與傳壓板接觸，調(diào)整0～30 mm百分表的觸頭位置，注意百分表的預(yù)壓量達29 mm，調(diào)零。

根據(jù)試驗要求，對LHT－1型糧食回彈模量儀1號加載300 kPa的壓力砝碼，對LHT－1型糧食回彈模量儀2號加載150 kPa的壓力砝碼。

隨著試樣的下沉，杠桿向下傾斜，為防止杠桿傾斜影響加荷精度，調(diào)節(jié)調(diào)平手輪，使杠桿處于水平位置。

按時間讀取百分表的讀數(shù)，記錄時間、沉降量2個數(shù)據(jù)，直到儲藏試驗結(jié)束。

2.3 糧堆加壓儲藏的壓力計算

采用微元法求樣品在試驗過程中所受的平均豎直壓應(yīng)力，裝樣筒半徑是R，糧堆高度是H，筒壁和糧食間摩擦系數(shù)為μ，糧食內(nèi)摩擦角為φ。裝樣筒內(nèi)大豆堆表面下深度y處大豆微元受力示意圖如圖3所示。

圖3 裝樣筒內(nèi)糧食微元受力

作用于微元體上豎直方向的力相互平衡，合力等于零:

式中:pv為大豆微元體的豎直壓應(yīng)力，ph為大豆微元體的側(cè)向壓應(yīng)力，ρ為糧食的容重，g為重力加速度，A為筒的橫截面面積。

大豆在筒內(nèi)受壓時處于主動應(yīng)力狀態(tài)，側(cè)向壓應(yīng)力與豎直壓應(yīng)力的比為:

式(2)代入式(1)得:

對(3)式進行積分得大豆樣品深度y處的豎直壓應(yīng)力為:

式中:p0為上表面壓應(yīng)力。

2.4 大豆籽粒壓縮試驗原理

將大豆籽粒放置在質(zhì)構(gòu)儀底座上，上部的圓截面的探頭向下壓縮大豆，質(zhì)構(gòu)儀記錄下變形量和對應(yīng)的載荷。由壓縮的載荷與變形量的曲線，可給出大豆籽粒的最大破壞力，最大破壞能，破裂時的變形量，大豆籽粒的表觀接觸彈性模量計算方法如下:按ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)要求[7]，用赫茲公式計算大豆的表觀接觸彈性模量E。

式中:E為大豆表觀接觸彈性模量/MPa；F為大豆加載載荷/N；D為大豆的變形量/m；μ為大豆泊松比；RH，R＇H為大豆上接觸面的曲率半徑/m；R，R＇為大豆下接觸面的曲率半徑/m；K1，K2為中間常數(shù)(由 cosθ在 ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)查出)[7]。

由于大豆與擠壓平板兩接觸面曲率半徑幾乎相同，所以經(jīng)過簡化后，大豆的表觀接觸彈性模量公式為:

2.5 大豆籽粒壓縮試驗方法

用游標(biāo)卡尺測定大豆的尺寸，見圖4，灰色填充處代表胚。

用游標(biāo)卡尺測定大豆的長(L)，寬(W)，高(H)，見圖3，灰色填充處代表胚。用公式(7)、(8)、(9)計算出大豆的曲率半徑RH，R′H和cosθ.

圖4 大豆尺寸示意圖

大豆為橢圓形狀顆粒，根據(jù) ASAE S 368.4 DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)壓縮工具選定條件，選擇壓縮底座為TA－RT－KIT，壓縮探頭為TA10進行壓縮。

加載速度:根據(jù)ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮速度越接近靜載荷越好，即壓縮速度越小越接近靜載荷，選取0.02 mm/s。

根據(jù) ASAE S368.4DEC2000(R2006)標(biāo)準(zhǔn)，每種樣品必須重復(fù)20次以上才得到有效結(jié)果，因此，本次試驗每種壓縮方式各選擇重復(fù)壓縮30次[8－9]。壓縮方位如圖5所示。

圖5 Z軸、Y軸、X軸壓縮試驗示意圖

3 大豆籽粒壓縮試驗結(jié)果與分析

根據(jù)公式(4)，在頂部加壓300 kPa的筒內(nèi)，大豆容重為780 kg/m3，大豆的內(nèi)摩擦角為27.35°，大豆與筒壁的摩擦系數(shù)為0.307[10]在頂部加壓150 kPa的筒內(nèi)，大豆容重為760 kg/m3，大豆的內(nèi)摩擦角為34.25°，大豆與筒壁的摩擦系數(shù)為0.32得到頂部加壓300 kPa筒內(nèi)取樣位置的壓力分別為300、211和161 kPa。頂部加壓150 kPa筒內(nèi)取樣位置的壓力分別為150、115和87 kPa。這些被取樣的大豆在相對應(yīng)的壓力下儲藏了6個月。

3.1 不同儲藏壓力下X軸(長軸)壓縮大豆籽粒的壓縮特性

在儲藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲藏6個月。每一個儲藏壓力的大豆，取30個樣品進行X軸(長軸)壓縮，得到大豆籽粒的最大破壞力、最大破壞能、變形量，并且通過計算得到大豆籽粒的表觀接觸彈性模量，結(jié)果如表2所示。

表2 大豆籽粒X軸(長軸)壓縮參數(shù)

表2的結(jié)果表明大豆籽粒壓縮的最大破壞力、最大破壞能、變形量、表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小。

儲藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，它的抵抗破壞的力和能將減小，彈性模量也減小，試驗結(jié)果表明了儲藏壓力對大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

3.2 不同儲藏壓力下Y軸(中軸)壓縮大豆的壓縮特性

在儲藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲藏6個月。每一個儲藏壓力的大豆，取30個樣品進行Y軸(中軸)壓縮，得到大豆籽粒的最大破壞力、最大破壞能、壓縮變形量，并且通過計算得到大豆籽粒的表觀接觸彈性模量，結(jié)果如表3所示。

表3的結(jié)果表明大豆籽粒壓縮的最大破壞力、最大破壞能、變形量、表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小。

表3 大豆籽粒Y軸(中軸)壓縮參數(shù)

儲藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，它的抵抗破壞的力和能將減小，彈性模量也減小，試驗結(jié)果表明了儲藏壓力對大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

3.3 不同儲藏壓力儲藏后，Z軸(短軸)壓縮大豆的壓縮特性

在儲藏壓力分別為 87、115、150、161、211、300 kPa條件下，大豆儲藏6個月。每一個儲藏壓力的大豆，取30個樣品進行Z軸(短軸)壓縮。大豆籽粒沒有明顯的破裂點，所以得不到最大破壞力、最大破壞能和最大變形量。其表觀接觸彈性模量如表4所示。

表4 大豆籽粒Z軸(短軸)壓縮的表觀接觸彈性模量

表4的結(jié)果表明表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小。

儲藏壓力增大，大豆籽粒的結(jié)構(gòu)損傷增大，彈性模量減小，試驗結(jié)果表明了儲藏壓力對大豆籽粒結(jié)構(gòu)的改變規(guī)律。

4 結(jié)論

4.1 在儲藏壓力為87～300 kPa條件下儲藏6個月，大豆籽粒長軸壓縮的最大破壞力隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍是101.51～85.30 N，最大破壞能隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為83.33～68.28 mJ。表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍是185.34～156.93 MPa。

4.2 在儲藏壓力為87～300 kPa條件下儲藏6個月，大豆籽粒中軸壓縮的最大破壞力隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍是91.81～76.77 N，最大破壞能隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為84.12～69.13 mJ。表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍是200.29～131.99 MPa。

4.3 在儲藏壓力為87～300 kPa條件下儲藏6個月，大豆籽粒短軸壓縮時沒有破裂點，表觀接觸彈性模量隨著儲藏壓力的增大而減小，變化范圍為288.8～206.73 MPa。

參考文獻

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