儲藏期與儲藏壓力對稻谷籽粒壓縮特性的影響研究

唐福元 程緒鐸

(南京財經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院;江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210046)

稻谷為人類提供能量、維生素、礦物質(zhì)、稀有氨基酸，是三分之二世界人口的主食[1]。在我國，稻谷的種植面積約3×107畝，每年生產(chǎn)的稻谷約2.0×108t[2]。由于我國稻谷的種植面積廣闊與各地復(fù)雜的氣候條件，巨大數(shù)量的稻谷安全儲藏是一個重要問題。

儲藏期間，稻谷承受壓縮載荷，如果筒倉中稻谷堆很高，倉底部的稻谷承受的壓力就很大。這個壓力超過了稻谷籽粒的抗破裂的力值時，稻谷籽粒將會破裂，破裂的籽粒更容易受到微生物的攻擊[3]。盡管一些儲藏壓力不足以使籽粒破裂，但它造成籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使得籽粒的彈性、抗變形能力、抗破裂能力減小。籽粒的結(jié)構(gòu)損傷和破裂影響種子的發(fā)芽率及儲藏能力和烹飪質(zhì)量[4]。同時，儲藏的時間越長，稻谷籽粒結(jié)構(gòu)損傷越大。因此，研究儲藏壓力與儲藏時間對稻谷籽粒結(jié)構(gòu)損傷的影響是有意義的。

谷物籽粒壓縮特性的研究始于20世紀(jì)60年代。Prasad 等[5]研究稻谷籽粒準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時的壓縮特性，結(jié)果指出：含水量從12%到24% d.b.時，稻谷籽粒最大的壓縮強度從160.7 N減小到40.6 N，韌性模量從3.96 mJ變化到 30.87 mJ，并且含水量在14～16% d.b.之間韌性模量有一個最大值。 Altuntas 等[6]報道，含水量從9.89% 增加到25.08% d.b.時，豌豆籽粒短軸壓縮的破壞力從551.43 N減小到 548.75 N。

迄今為止，大多數(shù)研究只關(guān)注谷物品種、含水率、壓縮速率對稻谷籽粒壓縮特性的影響，鮮有關(guān)于儲藏壓力、儲藏時間對谷物籽粒壓縮特性的影響的研究。因此，本研究將稻谷儲藏在圓筒容器中，頂部加壓，模擬稻谷在筒倉中受壓儲藏，以期研究儲藏壓力、儲藏時間對稻谷籽粒破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的影響。

1 材料與方法

南粳5055稻谷，產(chǎn)地南京，籽粒長軸、中軸、短軸分別為6.8178、3.4369、2.3038 mm。 使用標(biāo)準(zhǔn)干燥法(ASAE, 2001b)[9]在130 ℃干燥19 h測定稻谷原始含水量，原始含水量為12.9% w.b.。

1.1 稻谷儲藏的壓力

LHT-1 回彈模量儀用來儲藏稻谷，回彈模量儀配有位移記錄表、圓筒容器、長桿、一套砝碼(見圖1)。

圖1 LHT-1回彈模量儀示意圖

將回彈模量儀的圓筒容器內(nèi)填滿稻谷，輕輕敲打圓筒容器，將蓋子加在圓筒容器的頂部，然后將豎直壓力通過長桿和砝碼加在蓋子上。通過加不同的砝碼，圓筒容器中糧堆頂部獲得豎直壓力為：50、 100、 150、 200、 250、300 kPa。 頂部壓力分別為50、100、150、200、250、300 kPa 時，稻谷儲藏在6個回彈模量儀的圓筒容器中持續(xù)60 d。另外實驗研究頂部壓力分別為100、200 kPa 時稻谷儲藏在2個回彈模量儀的圓筒容器中持續(xù)20 d。儲藏期間，室溫保持20 ℃。儲藏期間，固定時間間隔測定期稻谷堆下沉值。

稻谷儲藏在圓筒容器中，頂部豎直壓力為σ1,底部豎直壓力為σ3, 側(cè)面壓力為σ2. 由于筒壁摩擦阻力的作用，稻谷堆不同深度的應(yīng)力是不同的。

圖2 圓筒中稻谷薄片受力圖

作用在圓形薄層的豎直方向合力為零，則平衡方程為：

在先生看來，翻譯包含譯材和譯法，其中譯法是關(guān)鍵，而譯法又分為譯筆和譯名，其中譯名格外重要。先生認(rèn)為這里的名指一切詞品，不限于名、靜、動詞，這實際上已將譯名擴展為詞語翻譯。接下來，先生一一分析了五種譯名的方法。音義分譯始于佛經(jīng)翻譯，但佛經(jīng)里這類譯名很少，試而未效；音義兼譯于譯者兩全其美，實則吃力不討好；造譯更加少見且極費力、不方便，此三者都不是譯名的通行譯法。剩下的音譯與義譯是主要譯法,占譯名的絕大多數(shù),也是近年譯名辯論的焦點。因此先生也重點考察了音譯與義譯及其關(guān)系。

(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0

(1)

稻谷堆側(cè)壓應(yīng)力與豎直壓應(yīng)力的關(guān)系為：

(2)

式(2)代入式(1)再積分方程與式(1)得深度y處的豎直壓應(yīng)力為：

(3)

式中：p0為稻谷堆頂部的壓應(yīng)力/kPa。

1.2 稻谷籽粒壓縮實驗

選取回彈模量儀的圓筒容器中稻谷堆頂部與底部的籽粒進行壓縮實驗，由于稻谷籽粒的橢球形狀，使用質(zhì)構(gòu)儀(Brookfield Company, USA)只對籽粒短軸進行壓縮。實驗前選擇10個籽粒進行預(yù)實驗，確保每次籽粒壓縮的方位一致。對于每次實驗，隨機選擇30個籽粒進行壓縮，實驗數(shù)據(jù)取30個壓縮數(shù)據(jù)的平均值。為了盡量接近靜態(tài)壓縮，質(zhì)構(gòu)儀的探頭壓縮速率應(yīng)盡可能小，因此，選擇壓縮速率為0.02 mm/s。每個籽粒壓縮直到籽粒破裂為止，在力-變形曲線上，最高點的力就是破壞力，破壞能就是破裂點前的力-變形曲線下的面積，破壞應(yīng)變?yōu)樽蚜Ｆ茐臅r的變形量與原始長度之比。

短軸方向壓縮稻谷籽粒，籽粒曲率半徑R、R′ 和參數(shù)cosθ按式 (4)、式(5)、式(6)計算。

R=[(X/2)2+(Z/2)2]/Z

(4)

R′=[(Y/2)2+(Z/2)2]/Z

(5)

cosθ=(1/R″-1/R′)/(1/R″+1/R′)

(6)

對于平行平面壓縮，由赫茲接觸應(yīng)力理論，稻谷籽粒表觀接觸彈性模量為：

(7)

方程(7)中的K由表1得到。(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0是泊松比，取值0.4。

壓縮探頭與稻谷籽粒接觸面的半長軸a與半短軸b按式(8)、式(9)計算：

(8)

(9)

最大接觸應(yīng)力發(fā)生在破裂時的壓縮探頭與稻谷籽粒接觸面的中心。按方程(10)計算，式中m、n由表1得到[10]。

(10)

2 結(jié)果與討論

2.1 儲藏壓力對稻谷壓縮特性的影響

陸琳琳[11]測定了南粳5055稻谷的堆密度、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)。基于其報道，一些稻谷儲藏力學(xué)參數(shù)在表2中列出。依據(jù)式(2)和式(3), 計算出圓筒底部稻谷堆豎直壓力，由于倉壁的摩擦作用該些壓力小于對應(yīng)的頂部壓力，在表2中列出。

表2 不同頂部壓力下稻谷的密度、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)、底部壓力

不同的儲藏壓力下儲藏60 d的稻谷壓縮特性在表3中列出。表3中數(shù)據(jù)表明：儲藏壓力從0增加到300 kPa，稻谷籽粒破壞力從 81.6 N減小到73.8 N， 這可能是儲藏壓力改變了稻谷籽粒的結(jié)構(gòu)從而需要更小的力去破壞它，南粳5055籽粒破壞力的平均值為77.7 N，小于Sorkheh 品種的破壞力169.09 N 和Sazandegi品種的破壞力125.01 N[7]，這種差別是由于南粳5055籽粒結(jié)構(gòu)松軟而Sorkheh 和 Sazandegi 品種結(jié)構(gòu)剛硬；儲藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒破壞能從 8.10 mJ減小到6.27 mJ；稻谷籽粒破壞應(yīng)變從 0.139減小到 0.117；儲藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒表觀接觸彈性模量從171.3 MPa減小到57.7 MPa，南粳5055籽粒表觀接觸彈性模量 (171.3～57.7 MPa) 小于Sazandegi品種的值 (556 MPa)[7]，這可能是由于Sazandegi 品種結(jié)構(gòu)剛硬且有好抵抗彈性變形的能力，而南粳5055籽粒松軟易變形；儲藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，最大接觸應(yīng)力從40.8 MPa減小到19.1 MPa，這些值位于最大接觸應(yīng)力范圍(11.3～455.4 MPa)之間。

這些壓縮特性都與儲藏壓力相關(guān)，其關(guān)系用線性方程表示為y=bpv+c,pv表示儲藏壓力; b和c的值在表4中列出。

表4 線性方程的b和c的值

稻谷儲藏在半徑15 m、高30 m的筒倉中，倉底的稻谷承受的豎直壓力約為160 kPa，在儲藏壓力0～300 kPa的范圍內(nèi)，研究結(jié)果可用于預(yù)測稻谷儲藏時籽粒結(jié)構(gòu)的損傷。

表3 不同儲藏壓力下稻谷的壓縮特性

表5 不同儲藏時間與不同儲藏壓力下的稻谷籽粒壓縮特性

注：每一個儲藏壓力中的第二行數(shù)值是對應(yīng)誤差。

2.2 儲藏時間對稻谷壓縮特性的影響

在不同的儲藏時間和不同的儲藏壓力下的稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的平均值在表5中列出。

從表5中看出，在相同的儲藏壓力下，稻谷籽粒的每一個壓縮特性都隨著儲藏時間的增加而減小。這可能是長時間的儲藏導(dǎo)致稻谷籽粒的結(jié)構(gòu)損傷，因此，抵抗籽粒破壞的能力降低。

數(shù)據(jù)的差異分析表明儲藏壓力對稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)、最大接觸應(yīng)力有顯著影響(P<0.05)，對稻谷籽粒的表觀接觸彈性模量有顯著影響(P<0.01)。儲藏時間對稻谷籽粒的所有壓縮特性有顯著影響(P<0.01)。

2.3 儲藏溫度與儲藏含水率對稻谷籽粒壓縮特性的影響問題

本實驗采用的稻谷的含水量為12.9% w.b.，儲藏溫度20 ℃。實驗只測定了不同儲藏時間與不同儲藏壓力的籽粒壓縮特性，給出了儲藏壓力與儲藏時間對籽粒壓縮特性的影響規(guī)律，未能給出儲藏溫度、儲藏含水率對籽粒壓縮特性的影響規(guī)律。儲藏溫度越高，籽粒的結(jié)構(gòu)損傷越大；儲藏含水率越高，籽粒的結(jié)構(gòu)越松軟；因此，儲藏溫度、儲藏含水率影響籽粒壓縮特性。實驗可以進一步定量分析儲藏溫度、儲藏含水率對籽粒壓縮特性的影響規(guī)律。

3 結(jié)論

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力隨著儲藏壓力的增加而減小，稻谷籽粒的每一個壓縮特性與儲藏壓力都呈線性關(guān)系。

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力隨著儲藏時間的增加而減小，稻谷籽粒的每一個壓縮特性與儲藏時間都呈線性關(guān)系。

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的最大值都是在零儲藏壓力與零儲藏時間獲得，這表明長時間大壓力儲藏稻谷損傷籽粒結(jié)構(gòu)，減小其抵抗破裂的能力。