糙米加工技術及裝備研究

張興振 曹憲周

摘要：文章闡述了糙米不同特性與其破碎之間關系的實驗手段、實驗方法及結論，并利用掃面電鏡圖形重點分析了糙米的力學結構特性及加工力學特性，指出碾米機碾白壓力、碰撞速度及米室溫度等因素的耦合關系對糙米破碎有重要影響。

關鍵詞：糙米;碾米機;破碎

中圖分類號：TS210.1文獻標識碼：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210626

糧食非正常破碎不僅危及糧食安全[1-3]，同時也產生巨大的糧食浪費。以稻谷為例，其非正常破碎，主要產生于加工過程中（糧食行業標準規定加工機組碎米率：粳稻≤15%、秈稻≤30%）。2018年5月在益海（南昌）米廠經現場第三道米機取樣發現：當稻谷品種是豐良優、水分14.3%時，一國外米機產生碎米率21.3%，另外一國外米機碎米率20.3%;當稻谷品種是普晚7、水分14.1%時，一國外米機米機產生碎米率23.9%，另外一國外米機碎米率23.0%。即稻谷在產后的非正常破碎率高達20%以上，并且70%以上的破碎產生在礱谷脫殼和碾白工序[4-8]。

稻谷加工中，礱谷和碾白是重要的兩個工序，也是產生大米破碎最多的工序，尤其是碾米工序，生產時大約產生15%的碎米[9]。造成稻谷破碎的因素除稻谷品質及加工工藝，另外一個重要因素就是加工裝備一碾米機。而目前國內所應用碾米機存在諸多問題，經原國家質檢總局產品質量監督抽查表明，比較突出的是“噸料電耗高、碎米率高、智能化低、可靠性低”等問題[10]。并且，基于目前基礎研究水平的匱乏，當前的糧食加工裝備技術參數不能隨物料特性和工況自適應變化，是導致糧食破碎率增高、出米率低的重要原因之一。所以，目前國內外學者主要關注于稻谷加工特性和碾米機的研究。

1稻谷加工特性研究

1.1糙米加工特性研究現狀

目前國內外有關稻谷加工特性研究的方法和內容比較多。馮帥博[11]利用質構儀和掃面電鏡研究了心白、腹白、無璽白糙米的壓縮力學特性，發現心部存在璽白現象的糙米，相較于腹部存在璽白現象及無璽白現象的糙米，其不能夠承受較大擠壓機械力。李陽等[12]通過物性分析儀對稻谷外殼進行拉伸實驗，測得稻谷外殼的力學特性參數，并結合稻谷外殼拉伸斷裂裂紋處的顯微圖像分析稻谷外殼拉伸破壞過程。周顯青等[13]通過糙米碾白試驗發現隨著糙米中不完善粒含量增加，整、精米率降低，碎米率升高。李耀明等[14]通過水稻谷粒擠壓力學實驗，測得了其力一位移曲線，發現稻谷成熟度和谷殼對水稻谷粒力學性能的影響。李毅念等[15]分別以糙米的腹部、背部作為承壓面，對糙米的三點彎曲破碎力學性能進行了測試，發現其腹部斷裂能小于背部。Osvaldo等[16]對糙米進行了壓縮試驗，得到了不同含水率糙米的斷裂力、形變、最大壓縮力和彈性模量。Mohapatra等[17]研究了3種秈稻的物理、化學和力學性能，并對糙米進行了不同程度的碾磨，設計了碾磨系數和磨損指數來表征糙米的品質。Chattopadhyay等[18]利用試驗裝置沿糙米軸向施加正弦變化應力，得出了糙米的應變變化規律及不同含水率糙米應力應變變化和糙米含水率的關系。李耀明等[19]利用碰撞理論和能量守恒定理分析了稻谷與脫離裝置之間的碰撞過程，并使用稻谷脫粒試驗平臺進行脫粒模擬試驗，推導并驗證了稻谷破碎和脫粒裝置線速度的數學方程。常光寶[20]利用撞擊特性試驗裝置和脫粒模擬裝置對水稻籽粒進行了試驗分析，建立了谷粒力學特性有限元分析模型，計算出水稻籽粒即將發生塑性變形時脫粒裝置與水稻籽粒的相對速度。

上述研究主要集中于稻谷的宏觀靜態或動態特性研究，得到了稻谷加工過程中所需的基礎參數和數據，但是缺少加工過程中稻谷的動態機械力學特性、溫升變化研究，而且對稻谷內部損傷規律的研究較少。因此，筆者通過對糙米結構特性及碰撞特性進行相應分析，以此探尋糙米的撞擊特性和損傷規律，對于后續深入研究降低糙米在碾白過程中的非正常破碎具有重要意義。

1.2糙米加工技術特點分析

1.2.1糙米結構力學特性

據材料力學強度理論可知，當糙米所受最大應力大于糙米破碎強度時，糙米產生裂紋或破碎。糙米破碎強度與其品種、成熟度、粒度、水分及撞擊力等因素有關。由掃描電子顯微鏡發現糙米內部斷裂存在兩種形式，一種是細胞間的斷裂，一種是淀粉間的斷裂，細胞之間的結合力大于淀粉間的結合力，故淀粉間斷裂更容易發生[21]。觀察圖1、圖2 可知：糙米結構強度取決于淀粉間的結合力，含水率升高，細胞吸收水分，促使細胞壁收縮，使淀粉間及細胞間結合力下降，當受到外部載荷作用時，隨著水分及撞擊力的加大，糙米裂紋寬度加大，造成糙米內部結構強度降低;同時由正交分析還發現影響糙米撞擊力因子的主次順序為撞擊動量>含水率>品種[22]。

1.2.2糙米加工力學特性

糙米主要由胚、胚乳和皮層（米糠）三大部分組成，碾米也即去除皮層的過程。當外部載荷大于皮層與胚乳之間的結合力，且未大于胚乳自身結構強度時，糙米皮層沿胚乳表面擦離脫落。當糙米顆粒與碾白裝置碰撞過程中形成的機械應力疲勞損傷積累大于糙米極限強度時即發生破碎。與此相關因素較多，其中，碾白室內部壓力因素和碰撞因素權重較大。

1.2.3米室碾白作用力

1.2.4糙米碰撞相對速度

圖3為單糙米顆粒與碾白裝置碰撞時接觸力學示意圖。以糙米與碾白裝置碰撞初始點為原點O，接觸點處切平面為x-y，平面，z方向指向糙米顆粒，δ為糙米顆粒和碾白裝置碰撞接觸之間的壓縮量。由Hertz理論及機械動力學理論可得出糙米發生機械應力損傷時的相對臨界速度V₀為：

由此可知，糙米顆粒與碾白裝置碰撞速度與糙米顆粒質量、綜合彈性模量負相關，與糙米粒度、強度極限正相關。當糙米在循環變應力作用下疲勞損傷積累達到其強度極限時則發生破碎。

1.2.5糙米溫升

研究人員通常主要關注糙米力學特性及裝備機械特性對糙米破碎的影響，而不同溫度下糙米力學特性的變化同樣是影響其破碎的重要因素。李莎莎等[23]發現不同品種的糙米粉在30 ℃與100 ℃時的水合特性明顯不同，30℃時，吸水指數、水溶性及膨脹勢均較小;當溫度升為100℃時，由于淀粉糊化，淀粉顆粒溶脹破裂，其結合水能力提高，吸水指數、水溶性及膨脹勢均顯著增長，增長近5～10倍;夏吉慶等[24]通過試驗發現稻谷含水率30%時的熱變性溫度為37.8℃、24%時為49.2 ℃、18%時為58.7 ℃，并且由電子顯微鏡發現熱變性后稻谷內部淀粉顆粒由原來的有序排列離散成無序的顆粒狀排列。據此可知，糙米在加工過程中的溫度升高，將導致其內部運動加劇的淀粉分子向各個方向擴展造成排列順序的再改變，淀粉顆粒由有序變無序，使其組織結構致密性下降;同時由于糙米材料屬性各向不同性，其體積應力產生的內部裂紋向糙米外表面擴展也會不同，從而降低糙米強度極限，更容易在碾白時發生破碎。

2碾米機研究

如何降低碾米破碎率，一直是有關人員關注和研究的內容。楊會賓[25]、李爽[26]、肖崇業[27]、梁瑋[28]等從碾米工藝上提出了“多道輕碾”改進措施;曹斌[29]利用離散元法研究了米粒在碾白室內的碾磨過程，以期優化碾白室結構參數;趙艷平[30]分析了碾米室在負壓狀態下糙米降碎效果;曾勇[31]以橫式擦離型碾米機為研究對象，推導了米粒脆性和疲勞斷裂理論臨界沖擊速度，探究了碾米輥結構參數對米粒碾白破碎特性影響情況;宋少云[32]利用FFM-DFM針對微裂紋稻谷進行了裂紋擴展仿真;張雙[9]利用滑移網格技術對碾米機米室氣流場進行了數值模擬分析，討論了不同轉速對氣流場影響情況;李碧[33]以臥式鐵輥噴風碾米機為例，使用EDEM-Fluent藕合對噴風碾米過程進行了仿真，討論了主軸轉速和風速對米室內糙米產生壓力的情況;李祖吉[34]利用EDEM離散元軟件對碾白室內物料運動過程進行仿真，并對主軸轉速進行了臨界轉速計算。碾白過程相當復雜，糙米在碾白室內所受機械作用力是多種交叉，所反映的傳統碾白原理——摩擦擦離碾白和碾削碾白作用力并不是單一存在的，只是在碾米機內以某一種形式存在為主。但是，傳統碾米設備工作原理主要是對糙米的碾削和擦離，所產生后果即能耗和破碎率比較高。針對此問題，王杭等[35]研制了一種新型碾米設備——砂帶碾米機，其原理有別于傳統碾白加工原理，該設備利用砂帶與糙米之間的研磨作用而去除皮層，避免了傳統碾白時的碰撞、擠壓、翻滾及摩擦現象，不僅使碾白增碎率低于2%，同時電耗也降低50%～80%，整體技術達到同領域國際領先水平。

3結語

目前研究主要集中于碾米機動力參數或結構對糙米破碎的影響，但大部分是利用仿真進行的研究，仿真時設置的物料屬性并不是物料真實屬性，即不是在糙米試驗基礎上獲取的材料屬性;同時，現有研究大部分是對現有碾米機動力參數或結構參數的一種優化，各參數之間的耦合關系，尤其是糙米力學特性與設備動力、結構及溫度參數之間的映射關系，所導致的糧食破碎及多場耦合對糙米產生的破碎研究，應是將來研究內容之一。

“損耗大、效率低、可靠性差，缺少模塊化、智能化、信息化”是目前國內外糧食加工裝備存在的共性問題，原因在于行業基礎技術研究的匱乏或不完善，以至于許多糧食機械裝備生產企業只能對碾米裝備局部進行技術改進，缺乏系統性、原創性的研究開發。新型碾米裝備應基于糙米力學加工特性，利用優化、數字、傳感、射頻及自控等技術，將布料、支撐、碾磨、分離等機構構建成閉環自適應系統，使碾米裝備在達到減損降耗節能的同時實現智能化。

參考文獻

[1]李維強.減少稻米爆腰與破碎提高稻谷出米率[J].糧食加工，2014，39（3）：33-36.

[2]閆圣翰，王建偉.設備對糧食破碎的影響及改進方法[J].中國設備工程，2018（6）：67-68.

[3]樊琦，劉夢蕓，祁華清.我國稻谷加工糧食損失與治理對策研究[J].糧油食品科技，2015，23（5）：117-120.

[4]鄭翠紅，阮競蘭.礱谷工序中稻谷破碎的探討[J].糧食加工，2011，36（2）：29-30.

[5]楊作梅，孫靜鑫，郭玉明.不同含水率對谷子籽粒壓縮力學性質與摩擦特性的影響[J].農業工程學報，2015，31（23）：253-260.

[6]李毅念，陳俊生，丁啟朔，等.軸流式和切流式機械脫粒對稻谷損傷及加工品質的影響[J].農業工程學報，2017，33（15）：41-48.

[7]褚洪強，張玉榮，周顯青，等.糙米加工品質評價指標及檢測技術進展[J].糧食與飼料工業，2013（4）：1-4+8.

[8]周顯青，孫晶，張玉榮.國內外稻米籽粒力學特性評價技術的現狀與展望[J].糧食與飼料工業，2018（12）：4-10.

[9]張雙.碾米機中物料流流體動力學分析[D].鄭州：河南工業大學，2017.

[10]劉春鴿.我國碾米機行業現狀及發展建議[J].農業工程技術（農產品加工業），2013（10）：50-51.

[11]馮帥博.糙米動態力學破碎研究[D].鄭州：河南工業大學，2020.

[12]李陽，李永祥，曹憲周，等.稻谷外殼拉伸力學性能實驗研究[J].中國糧油學報，2019，34（1）：1-5.

[13]周顯青，張玉榮，褚洪強，等.糙米機械破碎力學特性試驗與分析[J].農業工程學報，2012，28（18）：255-262.

[14]李耀明，王顯仁，徐立章，等.水稻谷粒的擠壓力學性能研究[J].農業機械學報，2007（11）：56-59.

[15]李毅念，徐小琴，丁為民.糙米三點彎曲破碎力學性能試驗分析[J].農業機械學報，2010，41（8）：121-124+130.

[16] OSVALDO R，PAULO C C，GABRIEL H，et al. Mechanical properties of rough and dehulled rice during drying[J]. ISEKI_Food Association （IFA），2013，2（2）：9-19.

[17] MOHAPATRA D，BAL S. Physical properties of indica rice in relation to some novel mechanical properties indicating grain characteristics[J]. Springer-Verlag，2012，5（6）：2111-2119.

[18] CHATTOPADHYAY P K，HAMANN D D，HAMMERLE J R. Dynamic stiffness of rice grain[J].Transaction of the ASAE，1978，21（4）：786-790.

[19]李耀明，王顯仁，徐立章.加載/卸載作用次數對水稻谷粒機械損傷的影響[J].農業機械學報，2007（10）：61-63+76.

[20]常光寶.水稻谷粒的力學性能及脫粒損傷機理研究[D].鎮江：江蘇大學，2009.

[21]馮帥博，田勇，曹憲周，等.基于機械力作用的糙米顯微結構分析[J].河南工業大學學報，2019，40（6）：70-74.

[22]曹憲周，張超，房凱文，等.糙米碰撞過程試驗及仿真分析[J].河南工業大學學報，2020，41（6）：80-83+90.

[23]李莎莎，吳娜娜，李興峰，等.不同品種糙米粉糊化特性比較研究[J].糧油食品科技，2016，24（4）：15-18.

[24]夏吉慶，鄭先哲.稻谷熱變性溫度的試驗[J].農業機械學報，2000（1）：76-78.

[25]楊會賓.碾米機減碎降耗技術分析[J].糧食與飼料工業，2017（8）：4-7.

[26]李爽，徐賢.日本大米加工工藝及技術：日本大米加工技術考察報告[J].糧食流通技術，2012（3）：37-39.

[27]肖崇業.低溫碾米工藝及設備的研究[J].糧食與飼料工業，2004（9）：9-11.

[28]梁瑋.碾米生產中減少碎米提高精米率的主要途徑[J].糧食與食品工業，2004（4）：15-36.

[29]曹斌.篩體結構與轉軸轉速對米粒動態特性的影響研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2018.

[30]趙艷平.負壓進風碾米機的研發[J].糧食與油脂，2017，30（5）：91- 94.

[31]曾勇.橫式碾米機內米粒碾白機理及破碎特性[D].哈爾濱：東北農業大學，2019.

[32]宋少云.基于FEM-DEM大米破碎仿真初探[J].糧食與飼料工業，2015（10）：1-4.

[33]李碧.臥式鐵輻噴風碾米機碾白過程的多場耦合仿真[D]. 武漢：武漢輕工大學，2019.

[34]李祖吉.碾米過程中的氣固兩相流禍合仿真初探[J].糧食與飼料工業，2015（11）：1-4.

[35]王杭，陳德炳，程科，等.低溫升留胚米機的研發[J].糧食與飼料工業，2011（5）：33-36.

The Research Development of Brown Rice Processing Technology and Its Equipment

Zhang Xingzhen，Cao Xianzhou

（School of ElecticalAndMechnical Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan 450001）

Abstract：This paper demonstrates the experimental means，test methods and experimental results of the relationship between the different characteristics of brown rice and its crushing，emphatically analyzes the mechanical structure characteristics and processing mechanical characteristics of brown rice by using scanning electron microscope （SEM），and points out that the coupling relationship of milling pressure，collision velocity and rice room temperature with the rice mill has an important influence on brown rice crushing.

Key words：brown rice，rice milling machine，crushing