加工番茄籽粒的物理特性

冉兵　王麗紅　陳紹杰　坎雜　李成松

摘要：番茄產業被譽為新疆“紅色產業”的龍頭，每年產生醬后皮渣20余萬t，深加工潛力巨大。番茄籽粒物理特性與醬后皮渣分離技術密切相關。因此，以新疆地區廣泛種植的加工番茄品種里格爾87-5籽粒為試驗材料，采用標準測定方法測定加工番茄籽粒的三軸幾何尺寸、比重、千粒質量、滑動摩擦角和恢復系數等有關物理特性，為加工番茄醬后皮渣機械化分離產品設計和數值模擬提供依據與原始物理參數。

關鍵詞：加工番茄；籽粒；醬后皮渣分離技術；物理特性；試驗研究

中圖分類號： S226.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）02-0275-03

收稿日期：2014-03-20

基金項目：國家自然科學基金（編號：31160347）。

作者簡介：冉兵（1989—），男，甘肅會寧人，碩士研究生，主要從事現代機械設計研究。E-mail：810120254@qq.com。

通信作者：王麗紅，博士，副教授，主要從事現代農業裝備的研究與開發。E-mail：wlh_shz@163.com。番茄是世界蔬菜類中產量最高的品種[1]，目前全球三大番茄制品加工產區為美國加州河谷產區、地中海地區（主要包括意大利、法國、西班牙、葡萄牙和希臘5國）和中國。2012年中國新疆地區加工番茄種植面積約5.87萬hm2，產量為579.46萬t，占全國總產量的84.80%，生產番茄醬 62.87萬t[2]，產生醬后皮渣20余萬t（約占番茄總量的3%～5%）[3]。醬后皮渣深加工潛力巨大，但目前皮渣主要依靠人工分離，生產效率低，勞動強度大，大量的皮渣被作為牲畜飼料或肥料，未及時清運的皮渣則被廢棄掉，既浪費資源，又污染環境。醬后皮渣機械化分離可提高企業的生產效率，有利于番茄產業鏈的延伸，提高番茄的附加值。Kaur等利用立式攪拌與沉淀池相結合的分離方式實現皮渣中籽、皮分離[4]；劉伯堂研究了脫水干燥和干法皮籽分離組合生產的揉搓分離方法[5]；王麗紅等創造性地采用將離心篩分和斜板沉降相結合的雙作用醬后皮渣分離方法[6]。番茄籽粒物理特性參數是醬后皮渣機械化分離技術研究的基礎，我國有關水稻、油菜、芡實和蓮子等幾何形態及物理特性研究報道較多[7-10]，但有關番茄籽粒相關物理特性的研究報道較少。本研究針對目前在新疆地區廣泛種植的里格爾87-5加工番茄品種的籽粒進行研究，獲得番茄籽粒的三軸尺寸、比重、千粒質量、滑動摩擦角和恢復系數等物理特性，為加工番茄醬后皮渣機械化分離關鍵部件的設計和數值模擬邊界參數的確定提供依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗在石河子大學機電學院兵團農業機械重點實驗室進行，采用新疆地區廣泛種植的里格爾87-5加工番茄籽粒，測得試驗所用籽粒的含水率為10%。去除雜質和不完整粒后，隨機選取番茄籽粒作為待測粒，存放于試驗樣品盒中。

1.2試驗方法

加工番茄籽粒的幾何尺寸（三軸尺寸）、基本物理特性參數（千粒質量、比重）、滑動摩擦特性（接觸材料為玻璃板、PVC板、不銹鋼板）和恢復系數（接觸材料為玻璃板、PVC板、不銹鋼板，厚度3 mm）的測定方法嚴格按照相關標準及文獻[11]中的規定方法進行，測定時隨機抽取番茄籽粒，多次重復，結果取其平均值。

1.2.1幾何尺寸的測定隨機選取80粒番茄籽粒，用數字游標卡尺分別測量其長、寬、厚三軸尺寸（圖1），每個尺寸重復測定3次并求其平均值，確定尺寸分布范圍與平均值。因醬后皮渣中番茄籽粒的篩分分離主要依靠寬度尺寸差異實現，根據國標篩孔目數規定以及番茄籽粒寬度尺寸分布范圍制作相應篩分試驗機，將番茄籽粒按寬度尺寸進行分級，并為篩分分離提供依據。

1.2.2基本物理特性參數測定

1.2.2.1千粒質量的測定根據GB 5519—2008《谷物與豆類 千粒重測定》，千粒質量是指包含水分在內的1 000粒試樣質量，測量時從樣品中隨機選取5份完整番茄籽粒，每份500粒，用DT-1002A電子秤（精度0.01 g）稱其質量，每份樣品平行測定2次，按公式（1）計算千粒質量。

mH=m0×1 000/N。（1）

式中：mH為番茄籽粒千粒質量，g；m0為完整粒的質量，g；N為m0中完整粒的粒數，粒。

1.2.2.2比重的測定比重是指在規定溫度和操作條件下，糧食、油料凈體積的質量與同體積水的質量之比，依據GB/T 5518—2008《糧油檢驗 糧食、油料相對密度的測定》，試驗選用的試劑、儀器、用具分別為20%乙醇（95%乙醇21 mL加蒸餾水79 mL）、DT-1002A電子秤、量筒（分度值0.1 mL）。在室溫（22±5） ℃下，向量筒中注入20%乙醇10 mL，然后加入試樣約5 g，稍加搖動，逐出氣泡，待液面平穩后，立即讀取液體上升的體積數，重復測量3次，按公式（2）計算加工番茄籽粒比重。

d=m1/m2=m1/V。（2）

式中：d為加工番茄籽粒比重；m1為試樣質量，g；m2為與試樣同體積（V，mL）的水的質量，g，m2=V×d水，d水為水的密度，取1 g/mL。

1.2.2.3摩擦角測定滑動摩擦角ψ表示散粒物料與接觸固體相對滑動時，散粒物料與接觸表面間的摩擦特性，試驗中采用斜面儀（圖2）測定加工番茄籽粒的滑動摩擦角，測定所用的表面材料有玻璃板、PVC板、不銹鋼板，具體方法如下：先將選定進行測試的加工番茄籽粒裝在無底紙盒內并放置在斜面儀上，保證番茄籽粒與斜面充分接觸，避免紙盒與斜面接觸，緩慢搖動手柄使斜面傾角逐漸增大，當物料開始在斜面上下滑時，該斜面的傾角為加工番茄籽粒的滑動摩擦角。測試番茄籽粒在不同材料測試板上的滑動摩擦角，每種情況重復測試5次。

1.2.2.4恢復系數的測定恢復系數是碰撞后法向分離速度與碰撞前法向接近速度的比值[12]，表示顆粒物料被碰撞后能恢復到其原始狀態（碰撞前）的性能，在農業工程領域中廣泛應用。本研究結合恢復系數的基本定義，采用FASTCAM-10K系列Model 500高速攝像機、自制跌落儀及PC機構建加工番茄籽粒恢復系數測試裝置（種子下落高度范圍為400～600 mm）。所有加工番茄籽粒運動錄像都通過高速攝像儀配套軟件Blasters MAS進行處理，對加工番茄籽粒的運動錄像進行解析，讀取加工番茄籽粒碰撞前的法向接近速度與碰撞后的法向分離速度，恢復系數計算公式為[13]：endprint

e=vn′/vn。（3）

式中：vn′為物料碰撞后的法向分離速度；vn為物料碰撞前的法向接近速度。

2結果與分析

2.1加工番茄籽粒的三軸尺寸

表1顯示，番茄籽粒長度分布范圍為2.80～4.80 mm，平均長度為3.78 mm；寬度分布范圍為2.10～3.68 mm，平均寬度為2.76 mm；厚度分布范圍為0.65～1.15 mm，平均厚度為0.85 mm。可見，番茄籽粒的長度、寬度、厚度分布主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之間，分別占總粒數的96.25%、97.50%、96.25%。根據加工番茄籽粒三軸尺寸制作圓孔篩板，由于自制篩板存在一定的尺寸差異，通過測量篩板最大方向尺寸，三級篩板的平均圓孔直徑分別為328、2.60、2.09 mm，篩分試驗各尺寸段加工番茄籽粒百分比如圖3所示。

從篩分試驗結果可以看出，各尺寸段所占百分比和種子寬度方向尺寸分布基本吻合。因此，加工番茄醬后皮渣篩分滾筒篩孔直徑設計可以參考種子寬度方向上最大尺寸。

2.2基本物理特性參數

由表2可以看出，加工番茄籽粒的千粒質量、比重的變異系數都較小，分別為0.5%、2.7%，其分散性相對較低。通過計算得到比重的期望值為6.44 g/mL，遠大于水的密度，在醬后皮渣分離中，進入介質水中將立即下沉。千粒質量的期望值為3.08 g，單粒質量僅為0.003 08 g，在紊動較大的流體中，受流體擾動比較大，不能呈現自由沉降狀態。

2.3加工番茄籽粒的滑動性能

由表3可知，加工番茄籽粒與PVC板的滑動摩擦角較大，為36.36°；與玻璃板的滑動摩擦角較小，為27.72°。在進行醬后皮渣機械化分離裝置設計時，可根據所選不同材料調整沉降室等關鍵部件的傾斜角度。

2.4恢復系數

加工番茄籽粒碰撞前后的高速攝像運動軌跡分析如圖4所示。每種材料重復測量3次，材料與水平面的夾角為30°。玻璃板、PVC板、不銹鋼板恢復系數分別為0.282～0.386、0.261～0.358、0.327～0.428。

3結論

本試驗結果顯示，加工番茄籽粒長度、寬度、厚度分布分

別主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之間。篩分試驗表明，醬后皮渣篩分滾筒篩孔直徑設計可以參考種子寬度方向上最大尺寸。加工番茄籽粒比重期望值為 6.44 g/mL，遠大于水的密度，在醬后皮渣分離中，番茄籽粒進入介質水中將立即下沉。千粒質量的期望值為3.08 g，單粒質量僅為0.003 08 g，在紊動較大的流體中，受流體擾動比較大，不能呈現自由沉降狀態。加工番茄籽粒與PVC板的滑動摩擦角較大，與玻璃板的滑動摩擦角較小，在醬后皮渣機械化分離裝置設計時，可根據所選不同材料，調整沉降室等關鍵部件的傾斜角度。加工番茄籽粒下落高度為400～600 mm，碰撞板厚度為3 mm，與水平面夾角為30°的條件下，玻璃板、PVC板、不銹鋼板的恢復系數分別為0.282～0.386、0.261～0.358、0327～0.428。

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