多場因素對糙米破碎影響實驗研究

房凱文 田 勇 曹憲周 張 寧 安紅周

(河南工業大學，鄭州 450001)

水稻是我國主要糧食作物之一，從播種直至端上餐桌需經歷收獲、運輸、干燥、流通、儲存和加工等多個階段，在這個過程中外力和自身屬性等原因，會導致裂紋以及破碎的產生，對糙米品質影響較大[1,2]。稻谷在收獲、流通、加工中的破碎率高達20%，并且70%以上的碎米產生在礱谷脫殼和碾白工序[3]。因此，研究糙米碾白破碎的影響對提高糧食產量及企業經濟效益十分重要。

目前，許多研究探討了稻谷破碎的問題，如馮帥博[4]利用撞擊實驗平臺研究不同撞擊動量下糙米的撞擊力學特性，結果表明碾白輥和糙米的撞擊對糙米破碎起主要作用，碾白輥直徑和轉速增大導致糙米撞擊力增大，破碎率升高；崔帆[5]應用EDEM離散元分析軟件對糙米碾白過程進行仿真分析，發現糙米的擠壓破碎是碾白破碎的主要原因，通過改變碾米機碾輥轉速和碾白室間隙，可以有效降低糙米受到的擠壓力；蔡祖光[6]對大米加工過程中增碎原因進行了分析并提出采用多級輕碾、多級輕拋和低溫碾米等一系列改進方案；周顯青等[7]進行了糙米的錐刺、三點彎曲、剪切、擠壓實驗，得出糙米斷裂主要與厚度及胚乳特性有關；曾勇[8]采用數值模擬方法分析米粒碾白破碎特性，得出米粒碾磨前期以脆性斷裂為主，后期主要為疲勞斷裂。目前鮮有關于多場情況(溫度、轉速、時間)對糙米碾白破碎影響的報道。

本實驗研究不同碾輥轉速、碾白時間的低溫碾米對糙米破碎率的影響，得到糙米破碎曲線；并結合碾白輥轉速與糙米破碎率數據進行多項式回歸分析，探究碾輥轉速對多品種糙米的適用性，為后續糙米加工及糙米破碎研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

糙米：廣東美香粘(秈稻，2018年收獲)。初始含水率為11.08%，利用糙米調制設備將含水率控制在15.5%～16.5%。首先去掉碎米和病變顆粒，選取顆粒飽滿，無堊白、無裂紋的籽粒，所得糙米在4 ℃環境下保存，并注意濕度適宜，濕度過高會導致水分滲入糙米表面不均，產生應力集中，從而使內部裂紋增多，破碎率增高，影響后續碾白結果。

1.2 實驗設備

MNSW18-B低溫碾米機(碾白室間隙為10mm，砂輥直徑為Φ90 mm)，VFD-055B系列調頻器，UT372非接觸式轉速計，MB90水分測定儀，VT04A可視紅外測溫儀。

1.3 方法

1.3.1 糙米含水率測量與調質

按照GB/T 10358—2008處理糙米，采用103 ℃恒重法得到糙米加工前含水量為11.08%。碾白時糙米最佳硬度為68～78 N，最佳溫度為15～25 ℃，含水量15.5%～16.5%[9]。參考賈富國[10]的研究對實驗樣品加濕調質至含水量15.5%，在恒溫恒濕實驗箱中進行水分平衡。

1.3.2 糙米碾白壓力計算分析

通常以碰撞、碾白壓力、翻滾和軸向輸送這四要素作為碾米機參數設計優化參考[11]。碰撞是糙米碾白過程中最基礎的運動，連續碰撞使糙米在碾白室內運動并產生壓力，稱為碾白壓力。碾白壓力受多方面因素影響，顧堯臣[12]研究表明，改變碾白壓力可以通過改變米粒流體密度ρ和米粒平均速度VP實現。計算公式為：

(1)

轉速與頻率相關公式為：

(2)

式中：n為電機轉速；f為電流頻率；p為電機極對數。電機端帶輪與砂輥端帶輪傳動比為n1∶n2=3∶2，參考碾白壓力計算方法[12]，結合式(2)可計算出砂輥轉速與頻率關系：n2=38.8f。

周顯青[13]研究表明NS型螺旋槽砂輥碾米機的碾白壓力為40～100 g/cm2，不同品種、含水率或不同機械設備對糙米造成的碾白壓力不同。馮帥博等[4]研究表明含水率15%～16.5%的美香粘糙米碾白壓力為55～98 g/cm2。計算可得碾米輥切線速度為11～15 m/s，轉速為1 167～1 592 r/min。故可針對本次實驗將轉速梯度設置為5組，其相關參數見表1。

表1 低溫下不同頻率對應轉速、線速度及碾白壓力

1.3.3 碾白時間梯度設置

預實驗確定實驗碾白時間梯度，分別在不同轉速下設置10、30、50、70、90 s的碾白時間，發現70、90 s的碾白效果與前3組相比差異較小，因此按照預實驗數據將碾白時間設置為20、30、40、50、60 s。

1.3.4 轉速標定分析

電機與變頻器連接后，為確定轉速準確性，需要對砂輥轉速進行標定。UT372非接觸式轉速計轉速量程為10～99 999 r/min，在1 000～9 999.9 r/min轉速范圍內分辨率為0.1 r/min。本次測量分別用800、1 000、1 200、1 400、1 600 r/min數據等梯度測量，計算誤差約為1.81%，在實驗允許誤差范圍內。

1.3.5 加工前樣品質量測定分裝

本次實驗每組轉速進行平行實驗3次，每次進料1.5 kg。質量測定前對計重秤進行標定，確保標定結果準確，將質量測定完成的樣品放進實驗袋并做好標記備用。

1.3.6 加工溫度檢測

每組實驗加工時均須保證低溫環境即15～25 ℃，采用FLUKE VT04A可視紅外測溫儀在線檢測，當溫度升至臨界點時，加大風量及時降溫，保證整個加工過程溫度屬于低溫可控狀態。碾白室外界溫度由中央空調控制，制冷溫度為16 ℃，外界溫度始終比碾白室內部略低，保證加工過程不受影響。

1.3.7 加工后樣品破碎率統計

按照GB/T 5503—2009《糧油檢驗 碎米檢驗法》對實驗后樣品進行數據統計。每次實驗樣品各取90 g，分為3組進行統計，計算平均破碎率即為加工后每組樣品實際破碎率。

1.3.8 數據測定及處理

每次實驗重復3次，測定結果以平均值計算。數據結果統計、回歸分析及曲線擬合等結果均利用Origin軟件處理得到。

2 結果與分析

2.1 低溫多場-糙米破碎率曲線分析

低溫多場-糙米破碎率曲線如圖1所示。進行糙米碾白實驗時，碾白輥轉速與糙米破碎率曲線呈現出指數相關趨勢，隨著砂輥轉速提高，糙米破碎率逐步增加。1 200～1 400 r/min時曲線斜率變化較小，因為此時碾白壓力還未超出糙米最大斷裂值，當轉速達到1 500 r/min后，壓力值超出糙米最大斷裂值，所以曲線斜率陡然上升。1 200～1 500 r/min階段曲線趨勢大致相同，隨著糙米碾白時間增加，糙米破碎率略有上升，但當轉速升高至1 600 r/min后，碾白時間50、60 s的糙米破碎率顯著增加，這是由于轉速升高和碾白時間加長均會導致碾白室腔內溫度上升，兩者疊加使溫度上升更加明顯，使糙米表面水分減少，具體表現為糙米脆性增加，高速撞擊下破碎率上升。

圖1 低溫多場-糙米破碎率曲線

2.2 碾白輥轉速-破碎率參數回歸分析

運用Origin對圖1中碾白時間30 s曲線進行擬合，將其各個轉速下數據導入Origin，設置響應值為破碎率，預測變量為砂輥轉速，回歸模型類型選擇立方型。碾白時間30 s時，破碎率M與砂輥轉速S之間的三次回歸方程見式(3)，方差分析表見表2，擬合曲線結果圖見圖2。

圖2 Origin擬合曲線結果圖

表2 多項式回歸分析方差分析表

M=596.0-1.254S+0.000 873S2-0.000 000S3

(3)

由表2可以看出P=0.004<0.05，表明回歸方程顯著。圖2表明曲線擬合度極高，其擬合相關指數與調整系數均接近100%，說明建立的回歸模型完全正確。因此，擬合的三次回歸方程可以較為真實地反映實驗數據的變化規律。

2.3 糙米破碎實驗數據單因子方差分析

對不同轉速、不同碾白時間的糙米破碎率進行單因子方差分析分析。原假設所有樣本的均值都相等，備選假設至少有一個均值不同，顯著性水平α=0.05。由表3可見，P=0.000<0.01，故砂輥不同轉速對糙米破碎率影響具有極其顯著的統計學差異。主要原因是不同轉速產生的碾白壓力不同，導致破碎率也不同。由表4可知P=0.960>0.05，砂輥不同碾白時間對糙米破碎率影響不具有顯著的統計學差異。主要原因是不同碾白時間碾白室腔體內溫度不同，對糙米品質影響較大，但尚未達到影響糙米破碎的溫度。

表3 不同轉速糙米破碎率方差分析表

表4 不同碾白時間糙米破碎率方差分析表

2.4 不同糙米破裂力對比與轉速選擇

不同碾米機械設備加工不同品種糙米時，獲得相同碾白效果的碾輥轉速必然不同，但具體參數值目前尚無建立數據庫的文獻。數據庫建立難點主要是組合參數過多，需要投入大量人力、財力和時間。但其優點也顯而易見，工廠加工前檢測含水率、識別品種，可根據設備型號匹配最佳碾白參數，最大限度保證品質。表5為已有研究測得相關糙米破裂力數值，整理結合以供參考[14,15]。

表5 不同品種糙米破裂力

以泰優398為例，調質含水量至15%左右，利用質構儀測得壓縮破裂力在63.56～90.42 N之間，使用自制撞擊錘測定碰撞動態破裂力為44.269 N，當用MNSL21.5型立式單輥碾米機加工時，碾白室間隙固定在10 mm時，轉速為950 r/min時，平均壓縮力為57～95 N，1 120、1 250 r/min時壓縮力分別為100～170 N和110～190 N，可以看出加工樣品采用950 r/min轉速較為合適。當采用MNSW18型碾米機加工時，轉速選定1 200～1 300 r/min相對理想。

3 結論

根據低溫多場-破碎率曲線分析，當轉速在1 200～1 400 r/min范圍內時曲線斜率變化較小，當轉速達到1 500 r/min后，曲線斜率陡然上升，主要判斷依據是相應碾白壓力是否超過糙米斷裂臨界應力值。由低溫多場-破碎率曲線分析，砂輥轉速在1 200～1 500 r/min階段曲線趨勢大致相同，但當轉速升高至1 600 r/min后，50、60 s所在曲線破碎率顯著增加，是因為轉速升高和碾白時間加長均會導致碾白室腔內溫度上升，兩者疊加使溫度上升更加明顯，使糙米表面水分減少，具體表現為糙米脆性增加，高速撞擊下破碎率上升。砂輥不同轉速對糙米加工破碎率有顯著的影響，但碾白時間對破碎率影響相對較小。