粒型和含水率對秈糙米力學特性的影響

安紅周， 費小吉， 劉 潔， 楊 柳， 林 乾， 羅 瓊

(河南工業大學糧油食品學院1, 鄭州 450052) (河南省谷物品質分析與加工國際聯合實驗室2 ，鄭州 450001) (豐益(上海)生物技術研發中心有限公司3，上海 200137) (廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司4，廣州 511466)

稻谷作為我國的三大主糧之一，近10年總產量連續穩定在2億t以上[1]，但受到消費誤區等因素的影響，我國大米過度加工的現象十分普遍[2]。碾白加工是造成稻米損傷的主要工序之一，碾白壓力會導致谷物的破碎。因此，了解糙米在加工時的力學特性，對提高稻米的產量和品質具有重要意義。

影響糙米力學特性的因素有糙米粒型、成分組成、籽粒結構、裂紋[3]、含水量、惡白、干燥等因素。李毅念等[4]在研究糙米腹部或背部三點彎曲破碎力測試中，設置力學裝置底座寬3.4 mm的槽，分析米粒腹部、背部分別作為承壓面時的結構強度差異性，發現糙米腹部的力學強度小于背部。黃小麗[5]研究稻米靜態壓縮力實驗，發現稻米含水率不同造成稻米呈現橡膠態或玻璃態，含水率大于23.5%時稻米變形隨受力增大呈線性增大趨勢，稻米呈現明顯的橡膠態特性，存在明顯破裂點，而含水率在16%～23.5%時，籽粒呈現彈塑性變形；當含水率低于16%時，稻米承受變形能力明顯降低，呈現出玻璃態特性。Zhang等[3]研究相對濕度17%、溫度60 ℃條件下，不同干燥時間對糙米的三點彎曲力學性能的影響，發現隨干燥時間的延長，糙米的表觀彈性模量、抗彎強度和斷裂能均增大，裂紋糙米的抗彎強度和斷裂能均會降低，并且不同干燥時間下籽粒的力學性能不受開裂或破碎損失的影響。然而，在已有研究中，稻谷或糙米的力學特性，包括破碎力、破碎形變等通常是以樣本的平均值為分析指標，很難反映所有籽粒的物理和機械性能的顯著變化。研究糙米在受力過程中的機械損傷(礱谷、碾米過程中因為受力產生爆腰、碎米等)[6]，并結合籽粒尺寸分布對力學特性的影響進行分析，對降低糙米碾磨破碎問題以提高整精米率，減少糧食資源浪費具有重要意義。

秈米具有清甜的滋味，口感黏性較小。研究秈糙米的力學特性，分析影響糙米力學破碎的因素，糙米通過吸附水分獲得不同含水率的糙米，研究含水率對糙米機械破碎特性的影響，以及糙米尺寸分布對力學特性的影響。以期通過糙米力學特性來指導碾米加工，以減少碾磨破碎率，提高出米率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

晚秈稻： 2020年產自廣東省，收獲后的稻谷密閉包裝在2～4 ℃的條件下進行儲藏；實驗秈糙米由廣州穗糧谷物股份有限公司提供，糙米過18目篩，篩去灰塵及雜質，撇去稻殼及大雜，取篩上物，人工選出不完善粒，得凈糙米置于4 ℃冰箱存放；3種秈糙米的初始水分分別為：沙軟粘(12.88±0.14)%、美香粘(12.81±0.04)%、天龍一號(13.03±0.09)%；伊紅Y-亞甲基藍染色劑(試劑級)。

1.2 儀器與設備

TA-XT plus質構儀，BE-TH恒溫恒濕箱，TM05C砂輥碾米機，J-V05真空包裝機，碎米分離器，游標卡尺，JMJT-12大米加工精度檢測儀。

1.3 方法

1.3.1 秈糙米樣品的制備

將3 kg糙米放入溫度為15 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中，每隔12 h取100 g糙米，稱量重量并記錄數據，當這100 g糙米前后2次稱量差值<0.002 g時，即視為達到水分平衡，停止稱量[7]。當糙米樣品達到平衡水分后，以3%的梯度提高相對濕度，每個樣品實驗3組平行。平衡后樣品用整籽粒法105 ℃烘箱烘24 h測定其水分，糙米加濕條件參照賈富國等[8]的研究，每次加濕調質的加濕量為1.0%～1.5%即視為適宜水分梯度，達到適宜水分梯度的樣品保存于雙層密封袋中真空保存，得到不同含水率的糙米樣品，實驗測定前再次測定樣品含水量。制備沙軟粘糙米的不同含水率樣品分別為(12.88±0.05)%、(13.82±0.02)%、(15.19±0.05)%、(16.56±0.02)%、(17.50±0.09)%。

1.3.2 糙米力學特性實驗測試

取完整秈糙米粒，平放在質構儀測試平臺上。壓縮力測試選用P36/R探頭。剪切力測試選用A/LKB-F探頭，底座間距2.5 mm。三點彎曲力測試選用HDP/BS探頭，底座間距4 mm。測前、測中、測后速度分別為0.5、0.1、10 mm/s，應變為30%，測定前測量籽粒的長、寬、厚。每個樣品取100粒秈糙米做重復實驗，取其平均值[9]。實驗對沙軟粘、美香粘、天龍一號3種糙米以及沙軟粘5個不同含水率糙米進行壓縮力、剪切力、三點彎曲力實驗測定。

1.3.3 大米加工品質測定

1.3.3.1 樣品的制備

使用TM05C砂輥碾米機，選用36#砂輥碾米機(轉速1 060 r/min)碾磨，進樣量100 g，過10目篩篩去糠粉，分別對3種未經加濕的秈糙米樣品沙軟粘(12.88±0.14)%、美香粘(12.81±0.04)%、天龍一號(13.03±0.09)%；按照10%碾減率進行碾磨，每個試樣碾磨3次。碾減率按公式計算：

1.3.3.2 碎米率的測定

參照GB/T 1354—2018，碎米為長度小于同批試樣完整米粒平均長度3/4、留存在1.0 mm圓孔篩上的不完整米粒。

1.3.3.3 留皮度的測定

參照GB/T 5502—2018測定，重復測定2次。取分樣后的整精米12 g于培養皿中，加入浸沒樣品的清水以除米糠，60 s后倒凈清水，然后加入同樣適量的伊紅-亞甲基藍染色液浸沒樣品搖勻以染色，靜置120 s后將染色劑倒凈，而后立即加入浸沒樣品量的80%乙醇溶液，搖勻后靜置60 s再倒去液體作為第1次漂洗，共漂洗3次。漂洗后用濾紙吸去試樣表面的水分，自然晾干到表面無水漬。將染色后的大米試樣，均勻并不重疊的分布于大米加工精度檢測儀的掃描底板中，用于樣品圖像采集并自動分析計算，得到大米樣品留皮度。

1.3.4 數據處理

使用SPSS 22.0軟件對數據進行處理，采用Duncan進行方差分析及顯著性分析，調質實驗重復3次，力學實驗重復100次，取平均值，數據結果以“平均值±標準偏差”表示。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與討論

2.1 糙米力-位移特征曲線

沙軟粘糙米受3種機械作用力時，其力與位移曲線如圖1所示。美香粘糙米和天龍一號糙米趨勢與沙軟粘一致。糙米在運輸、儲藏、加工過程中均會受到各種機械力而形成裂紋，最終造成籽粒破碎，這會對大米產品最終品質產生影響。3種力隨著位移的增大出現小鋸齒狀，這與周顯青等[10]的結論一致。在壓縮力-位移曲線中，糙米在第一個峰值時產生破裂，然后力突然下降或平緩，在程序設定的應變范圍內，壓縮破碎力值可能隨著位移的變化繼續增加或降低，由此出現多個峰。三點彎曲力-位移曲線和剪切力-位移曲線較為相似，都在作用力初始階段出現細小鋸齒狀，最后樣品破裂，出現峰值(破碎力值)，隨后力值下降。糙米無論受何種力作用，過程中均會在內部逐漸生成裂紋，隨著加載位移的增加，裂紋逐漸累積并擴展，最后使糙米抗形變能力減弱導致破碎。受力形式不同，糙米籽粒內部產生的機械損傷有所差異，在破碎處的斷面情況也不同。在糙米受垂直于壓縮力方向上的力產生形變導致籽粒被壓碎時，此時受力及周圍部位淀粉顆粒也遭到嚴重的破壞。在三點彎曲破碎力作用下，糙米籽粒產生彎曲變形，組織內部主要受拉應力，損傷主要是內部細胞在損傷源處的張性斷裂，淀粉顆粒組織未遭到破壞[9]。在剪切破碎力作用下，籽粒受力面積較大，且受到較小的擠壓作用，淀粉顆粒組織遭到破壞。

圖1 壓縮力、剪切力、三點彎曲力與位移圖

2.2 不同含水率糙米的力學破碎特性

糙米的含水量直接影響籽粒的抗破壞強度、糙米皮層與胚乳之間的結合[10]，這對糙米碾白過程中的破碎率和皮層的有效碾磨有很大影響。通過測定不同含水量沙軟粘糙米的壓縮力、剪切力、三點彎曲力，測定前分別測量糙米的長度、寬度和厚度，并計算破碎變形量。由表1可見，糙米通過吸濕，含水率從12.88%逐漸升高至17.50%，而糙米三軸尺寸變化沒有明顯趨勢。這可能是因為在調質過程中，水分通過胚進入米粒內部，再擴散到皮層，最后滲透進胚乳[11]。由表1可知，3種作用力中，壓縮破碎力值>剪切破碎力值>三點彎曲破碎力值。作用力下產生的破碎位移和破碎變形量也是同樣的趨勢。這是因為糙米在受壓縮力作用時，糙米受力面積較大，產生破碎的面積較剪切作用和三點彎曲作用較大，且為壓應力[12]，而剪切破碎力和三點彎曲破碎力為拉應力，因此，壓縮破碎力值和破裂位移較大。糙米在受三點彎曲作用力時，在探頭不斷向籽粒施加力的過程中，籽粒本身發生彈性形變，并在內部形成一種拉應力，直至斷裂破碎。由于力學裝置底座的間隙較大，彈性形變比剪切形變更易發生，因此糙米受三點彎曲作用力的破裂位移大于受剪切力時的破裂位移。

壓縮破碎力隨含水量的增加，破碎力值和破碎位移出現下降趨勢。這與Prasad等[13]研究在壓縮載荷作用下，稻谷在壓縮作用下的最大破碎力值隨著含水率增加而減小的結果一致。含水率15.19%～17.50%的破碎力值、破碎位移和破碎變形量明顯降低，含水率17.50%時的糙米壓縮破碎力值較原始糙米含水率(12.88%)減少22.12 N。說明含水率在15.19%～17.50%時，沙軟粘籽粒抗壓縮能力明顯降低。含水率從12.88%增加到17.50%，糙米籽粒產生的破碎位移呈減小趨勢，說明含水量的增加一定程度增大了籽粒的抗變形能力，這可能會在碾磨過程中增加糙米縱溝處皮層的有效碾磨，有利于糙米皮層的均勻和有效碾磨[14]。

隨著含水量的增加，三點彎曲破碎力值及破碎位移呈降低趨勢，且在含水率16.46%～17.50%時破碎形變量和破碎力顯著降低(P<0.05)。表明糙米抵抗三點彎曲力的拉應力變小，這可能是因為隨著水分的增加，糙米皮層逐漸被軟化，使其抗形變能力降低。尤其在含水率17.50%時，三點彎曲力值由初始含水率(12.88%)的17.88 N降低至10.99 N。剪切破碎力值和破碎位移隨含水量增加呈下降趨勢。含水量15.19%的力值相較初始含水率12.88%的力值，減少10.19 N，其破碎位移減少0.04 mm，隨著含水量的進一步增加，力值和破碎位移無顯著性變化(P>0.05)。說明含水量進一步升高對糙米的彎曲形變量影響較小，即剛度變小。含水率13.00%～17.00%糙米碾磨后拋光對整精米率產生影響，主要原因是碾磨過程中碾削和摩擦擦離作用使糙米產生形變，這種形變的恢復需要一些時間，且含水率13.00%～17.00%范圍內碾磨后的米粒均會發生一定程度的形變，而形變恢復后拋光的白米與直接拋光相比，整精米率明顯提高[15]。說明在糙米加工過程中適當提高米粒的含水率能提高出米率。

表1 不同含水率的沙軟粘糙米尺寸和力學特性變化

2.3 糙米尺寸與力學特性的相關性

圖2為初始水分下沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米的尺寸與三點彎曲破碎力值的關系圖，破碎力分別與長度、寬度、厚度進行線性擬合，得到擬合方程和相關系數。如圖所示，3種糙米厚度與三點彎曲破碎力值的線性擬合相關性系數為0.326 46～0.563 42，較之糙米長度和寬度與三點彎曲破碎力值的線性擬合，具有相對較高的系數，表明糙米的厚度與破碎力具有相對較高的相關性。即，厚度大的籽粒在受力破碎時需要發生更大的形變，更大的力，從而堆積裂紋使其破裂，一定程度上說明較厚的籽粒抵抗破碎變形的能力越強，剛度越大[16]。

圖2 沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米尺寸與破碎力的關系

2.4 糙米破碎位移與破碎力的相關性

圖3為初始水分下沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米的三點彎曲破碎力與破碎位移和破碎變形量的關系圖。由圖3可知，沙軟粘、美香粘和天龍一號糙米的破碎位移與破碎力值存在相關性，R2分別為0.726 54、0.712 83和0.832 48。糙米在受到三點彎曲作用時發生形變，隨著力的增加，變形增加，直至斷裂。沙軟粘、美香粘和天龍一號的破碎變形量分別為8%～18%、4%～15%和6%～17%。 沙軟粘的破碎變形量最大，且平均厚度最小。因此，籽粒厚度與破碎力具有相關性。

2.5 糙米籽粒尺寸分布與三點彎曲破碎力分布

沙軟粘、美香粘和天龍一號的平均厚度分別為1.59、1.67、1.65 mm。然而，平均值并不完全反映3種糙米尺寸的情況，為更好分析糙米尺寸對破碎力值的影響，現將3種糙米籽粒做三軸尺寸及破碎力頻率分布，取100粒秈糙米，測量其長寬厚并進行三點彎曲實驗，結果如圖4所示。美香粘和天龍一號糙米長度分布呈單峰分布，長度分布的峰值分別有50%集中在6.75和40%集中在6.25 mm，美香粘糙米平均長度(6.82 mm)高于天龍一號糙米平均長度(6.49 mm)。沙軟粘糙米長度分布出現雙峰，有44%的糙米籽粒長度集中分布在6.25 mm，有14%集中分布在7.75 mm，這增加了沙軟粘的平均長度，為6.72 mm。3種糙米中美香粘糙米的長度均勻性最好，天龍一號次之，沙軟粘糙米的長度均勻性最差，可以考慮加工中采取粒度分級，根據粒度選用不同的加工參數，以減少碎米的產生。

圖4 沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米長度、寬度、厚度、破碎力分布圖

3種糙米的寬度均呈多峰分布，沙軟粘寬度值有26%為1.95 mm，美香粘寬度值有22%為1.90 mm，天龍一號寬度值有25%為1.95 mm，均有多個小峰值集中分布在其他寬度值上，一定程度上說明3種糙米的寬度分布不均勻，在加工過程中寬度不宜作為調節參數的依據。3種糙米厚度均呈單峰的正態分布，沙軟粘厚度值有31%為1.60 mm，美香粘厚度值有30%為1.70 mm，天龍一號厚度值有46%為1.65 mm。沙軟粘和美香粘的厚度均勻性相似。天龍一號籽粒厚度分布較集中，說明其籽粒厚度均勻性較好。籽粒厚度集中在某一范圍，有利于加工中設備參數的選擇，這是天龍一號碎米少的重要因素之一，表2也證實，天龍一號的厚度比美香粘小0.02 mm，留皮度低1.85%，但是碎米率只高了0.3%。

破碎力呈單峰的正態分布。沙軟粘和美香粘破碎力分布的峰值在15 N，天龍一號破碎力分布的峰值在25 N，說明三點彎曲作用下破碎天龍一號大米需要更大的作用力；沙軟粘、美香粘和天龍一號破碎力峰值的百分比分別為50%、38%和45%，美香粘破碎力峰值的百分比最低，說明其加工的均勻性差；沙軟粘、美香粘和天龍一號的破碎籽粒質量分數達到100%時，其所需的破碎力分別為22.5、27.5 N和30 N。這可能是因為沙軟粘的厚度最小，美香粘雖然峰值所在的厚度最大，但厚度分布較分散，所以三點彎曲作用下破碎所需的力比天龍一號小。沙軟粘破碎力范圍最集中，說明加工沙軟粘時調節的壓力范圍小，操作性好，加工的成品米較均勻。因此，破碎力的分布與厚度的分布保持較高的一致性，糙米籽粒厚度越大，破碎力越高，這可能有利于減少碾磨時籽粒的破碎率。這與Siebenmorgen等[16]研究中厚度大的籽粒比例越高，抗破壞能力大的籽粒比例越高的結果保持一致。

2.6 糙米力學特性與加工品質的相關性

糙米厚度分布與三點彎曲破碎力具有相關性，進一步分析籽粒尺寸、破碎力與碾米加工品質的關系，結果見表2。三點彎曲破碎力平均值大小為天龍一號>美香粘>沙軟粘，厚度平均值大小為天龍一號和美香粘均大于沙軟粘，與前述分析厚度分布與破碎力具有相關性一致。因此，厚度越大，破碎力越高。在3種糙米碾減率約為10%時，其碎米率出現一定差異性，沙軟粘、美香粘和天龍一號碎米率分別為18.50%、16.30%和16.60%，沙軟粘的碎米率明顯大于天龍一號和美香粘的碎米率，天龍一號和美香粘的碎米幾乎相等，說明厚度會影響秈米的破碎力和碾磨碎米率。一定實驗條件下，籽粒厚度大的分布頻率越高，破碎力越高，碎米率越低。若在糙米碾磨前將糙米籽粒按照厚度進行分級加工，并分別選取適宜的碾磨參數等，將有助于降低碎米率，一定程度上提高秈米出米率。

表2 3種糙米加工品質指標與力學特性指標

3 結論

糙米含水量越高，所需要的破碎力(壓縮力、剪切力、三點彎曲力)越小，含水率從16.46%增加到17.50%時，壓縮力值和三點彎曲破碎力值顯著降低(P<0.05)，說明糙米抗壓縮和三點彎曲的能力顯著降低，過高的含水量不利于糙米的加工。三點彎曲破碎力值的分布與厚度的分布保持較高的一致性，糙米籽粒厚度越高且分布越集中時，破碎力越高。厚度越大且均勻度越高的糙米在碾米工藝中能更好的選擇設備參數，有效降低碎米率。