籽粒含水率與加載速度對綠豆籽粒壓縮特性的影響

摘 要： 采用物性分析儀，通過單軸壓縮開展了不同籽粒含水率（11.2%、13.2%、15.2% 和17.2%）和加載速度（1.2、2.4 和3.6 mm/s）下綠豆籽粒的完全隨機壓縮力學性質試驗，獲得籽粒壓縮載荷?位移曲線、屈服載荷、變形量、破壞能和表觀彈性模量。結果表明：籽粒在自然狀態下壓縮的載荷?位移曲線具有明顯的生物屈服點；相同加載速度下，籽粒含水率對籽粒的屈服載荷和表觀彈性模量均存在顯著的影響，籽粒含水率11.2% 時，籽粒的屈服載荷、破壞能和表觀彈性模量為最大、變形量為最小，但隨著加載速度的增大，籽粒的屈服載荷、破壞能和表觀彈性模量基本呈先減小后增大的趨勢，變形量呈先增大后減小的趨勢；當籽粒含水率≥13.2% 時，屈服載荷隨著加載速度的增大而增大，但在相同籽粒含水率下籽粒變形量隨著加載速度的增大呈現減小的趨勢，籽粒破壞能和表觀彈性模量隨加載速度變化規律與籽粒屈服載荷的相似；當籽粒含水率在試驗范圍內變化時，加載速度對籽粒的壓縮力學特性參數的影響均不顯著。

關鍵詞：綠豆；籽粒；含水率；加載速度；壓縮特性

中圖分類號：S225.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）11-0100-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.202411315

0 引言

綠豆（ Vigna radiata L.）屬于藥食兩用的雜糧作物，富含粗蛋白、賴氨酸、碳水化合物、維生素及微量元素等，具有獨特的清熱解毒、消暑利水的生理功能[1-6]。綠豆在收獲、包裝、運輸、裝卸、加工、貯藏及銷售等過程中均會受到壓縮載荷的作用，造成籽粒擠壓變形、種皮和子葉裂紋，形成損傷，加速了微生物和昆蟲的侵害，降低了籽粒的發芽率和出苗率，嚴重影響籽粒的品質及經濟效益。

研究人員對于豆類籽粒的壓縮力學特性研究始于20 世紀60 年代。鄭曉等[7] 探討了加載速率對蓖麻豆籽粒冷榨應力?應變的關系，結果表明，加載速率對蓖麻豆破碎應力、應變及應力?應變關系有影響，速率越大，破碎應力和應變越大。RESENDE O 等[8] 以不同籽粒含水率的大豆籽粒為研究對象進行壓縮試驗研究，獲得籽粒含水率對大豆籽粒的最大壓縮力有影響，最大壓縮力隨著含水量的增加而減小。AGHKHANI M H 等[9]對不同籽粒含水率的青豆實施壓縮試驗，研究表明，壓縮載荷作用下的平均破裂力、破裂變形和破裂能與籽粒含水率密切相關，在不同變形速率下，青豆破裂變形和破裂能普遍隨含水量的增加而增加。MILLER R等[10] 通過對不同加工處理的豌豆、青豆、毛豆進行壓縮試驗，結果表明，不同加工處理的同種豆籽粒的壓縮特性具有差異性。宋學娟等[11] 研究了不同籽粒含水率和加載速度下的大豆籽粒的靜態壓縮特性，結果表明，加載速度、籽粒含水率對大豆籽粒破損、破裂時的壓力峰值有顯著影響。程緒鐸等[12] 選定0.02、0.1、0.5 和1.0 mm /s 的加載速度對大豆籽粒進行壓縮試驗，研究表明，大豆籽粒壓縮的最大破壞力、最大破壞能和壓縮變形量均隨著加載速度的增加而增大，而表觀彈性模量卻逐漸減小。唐福元等[13] 使用質構儀研究了不同籽粒含水率下的早熟一號大豆的壓縮特性，結果表明，早熟一號大豆籽粒在中軸、長軸壓縮方向的破壞力和表觀接觸彈性模量隨著籽粒含水率的增加而減小。賈會杰等[14] 研究了不同水分含量及壓縮速率下脫皮和未脫皮油莎豆的壓縮特性參數，結果表明，水分含量和壓縮速率的大小均對油莎豆的壓縮特性參數具有顯著影響。周星等[15] 對進口巴西大豆的不同糧高的糧層壓力進行測定，結果表明，同等壓力條件下，高水分大豆堆的壓實程度大于低水分大豆堆。何勛等[16]探討了不同籽粒含水率下油莎豆擠壓力學特性，結果表明，籽粒擠壓的最大破碎力隨著籽粒含水率的增大呈先增大后減小趨勢，當在籽粒含水率30% 時油莎豆最大破碎力達到最大，并且籽粒含水率對油莎豆擠壓破碎特性有顯著影響。牛永澤等[17] 測定了在不同籽粒含水率下白蕓豆籽粒破碎的最大靜壓力，研究表明，籽粒含水率≥12.3% 時，籽粒最大靜壓力隨著籽粒含水率的增大而減小；當籽粒含水率lt;12.3% 時，籽粒最大靜壓力隨著籽粒含水率的減小而降低。

國內外研究人員對豌豆、青豆、毛豆、大豆籽粒和白蕓豆等的壓縮力學性質進行了相關研究，但對綠豆籽粒壓縮特性的研究報道較少，為此，本研究運用TA.XT.Plus 型物性分析儀，通過單軸壓縮測定綠豆籽粒的壓縮曲線，獲得不同籽粒含水率及不同加載速度下的綠豆籽粒的最大破碎力、變形量、破壞能和表觀彈性模量等壓縮力學特性參數，研究籽粒含水率和加載速度對綠豆籽粒壓縮特性參數的影響，以期為綠豆在收獲、清選、包裝、運輸、加工和貯藏等相關機械裝備的設計及參數的優化提供參考依據，為減少綠豆籽粒的機械損傷及結構損傷提供理論依據[18-20]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用2021 年9 月產自山西省的綠豆，綠豆籽粒的原始籽粒含水率11.2%，試驗時選取大小均勻、無病蟲害、無損傷的顆粒作為試驗樣本。原始籽粒含水率時，籽粒長（5.46±0.48）mm、寬（4.09±0.33）mm、高（4.03±0.24）mm，千粒質量（65.68±0.28）g、球度（0.82±0.05）%、算術平均徑（4.53±0.28）mm、幾何平均徑（4.48±0.27）mm、密度0.542 0 g/cm3。

1.2 試驗儀器和設備

TA.XT.Plus 型物性分析儀， 英國Stable MicroSystem；HC31 型電子天平，花潮高科公司；HF-T2 型電腦水分容重測定儀，海豐電子技術科研所；Fowler型數顯游標卡尺，東莞三量量具有限公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同籽粒含水率樣品制備

分別選取3 份500 g 初始籽粒，將其放入電腦水分容重測定儀中，測定綠豆的初始籽粒含水率，試驗重復5 次，取平均值。為了獲得試驗所需籽粒的其他含水率，基于選取的3 份500 g 初始籽粒，根據綠豆初始籽粒含水率和目標籽粒含水率，通過式（1）計算加水量。參考文獻[21]，將籽粒置于密封良好玻璃器皿中，用裝有去離子水的噴壺均勻噴灑達到加水量后，將籽粒在密封玻璃器皿中靜置 16 h 后，裝入4 號保鮮自封袋，擠出袋中多余空氣，將自封袋平鋪置于2 °C 恒溫冰箱，期間每隔 3～5 h 搖晃 1 次。冷藏5 d 以上，保證樣品吸水均勻。每次試驗前，將樣品取出靜置直到恢復至室溫20 °C， 運用電腦水分容重測定儀對綠豆籽粒進行籽粒含水率測定。

本試驗配制綠豆籽粒含水率分別為11.2%、13.2%、15.2% 和17.2%。

Q =Wi（mf -mi）／1-mf（1）

式中 Q——需要噴灑去離子水的質量，kg

Wi——綠豆質量，kg

mi——初始綠豆樣品的籽粒含水率，%

mf——配制樣品的籽粒含水率，%

1.3.2 TPA 壓縮力學性能測定

谷物籽粒在運輸、貯藏和銷售等過程中，一般均在自然狀態下承受各種載荷的作用，因此本研究采用TA.XT.Plus 型物性分析儀對自然平放狀態下的綠豆籽粒進行了單軸壓縮試驗[22]。物性分析儀如圖1 所示，試驗加載裝置如圖2 所示。試驗參數設置：測前速度0.5 mm/s、測后速度1.0 mm/s，選取P/36R 圓柱形壓縮探頭，壓縮平臺100 mm×90 mm 的方形底座，觸發力0.049 N；壓縮速度分別為1.2、2.4 和3.6 mm/min。

壓縮試驗前，選擇10 粒籽粒進行預試驗，設定綠豆的最大壓縮距離1 mm，每次測試前將質構儀預熱30 min。

試驗時將綠豆樣品取出，恢復至室溫20 °C 后，選取無損傷飽滿的單籽粒，用數顯游標卡尺測量籽粒的長（L）、寬（W）、高（H）三軸尺寸，放置于物性分析儀試驗臺完成壓縮試驗。在相同籽粒含水率不同加載速度下的籽粒壓縮試驗重復試驗 30 次。

根據上述測試的試驗數據，綠豆籽粒自然狀態壓縮時，采用赫茲公式計算籽粒的表觀彈性模量為[23]

式中 E——籽粒表觀彈性模量，MPa

F——加載載荷，N

D——籽粒變形量，mm

μ——籽粒泊松比，取μ=0.4

RZ、RZ′——籽粒上接觸面最小、最大主曲率半徑，mm；試驗時，自然狀態放置的籽粒在高度方向上受到上下兩個平行剛性平板的擠壓，籽粒上接觸面主曲率半徑RZ 和RZ′可用籽粒的三軸尺寸長、寬、高表示[12]

RL、RL′——籽粒下接觸面最小、最大曲率半徑，mm KU、KL——由主曲率半徑決定的常數（通過計算主平面夾角余弦cosθ， 從 ASAE S368.4DEC2000（R2017）標準中查取）[24]，依據赫茲接觸理論有

θ——籽粒上表面與壓頭接觸點出接觸主平面的夾角，（°）由于綠豆籽粒為凸曲面，與上下剛性平板的兩接觸面曲率半徑幾乎相同，因此可以將式（6）中籽粒的表觀彈性模量E 簡化為

1.3.3 數據處理

采用SAS（SAS Institute，Cary，NC，USA）軟件對試驗數據點進行了曲線擬合；運用SAS 中的Anova和Duncan 對試驗數據分別進行顯著性檢驗和均值多重比較。

2 結果與分析

2.1 籽粒壓縮載荷位移曲線

由圖3 可知，綠豆籽粒的壓縮載荷與位移關系曲線具有明顯的生物屈服點a，在籽粒壓縮的初始階段，壓縮載荷的大小隨壓縮位移的增加呈近似線性增加[21-22]；壓縮載荷到達屈服點a 后，位移有明顯的增加，而載荷作微小的波動，直到b 點后，載荷?位移曲線又繼續呈近似線性增加，載荷達到最大峰值b 點時，綠豆籽粒的兩片子葉開始裂開破碎；a 點作為綠豆籽粒壓縮載荷達到的第1 峰值，是籽粒微觀結構發生破壞，出現損傷的分界點[21-22]，因此可將a 點的壓縮載荷值作為綠豆籽粒的屈服載荷，點a 此前的曲線與位移所圍成面積的大小即為綠豆籽粒的破壞能（圖3 中陰影區域）。

2.2 籽粒含水率對籽粒壓縮力學特性的影響

農業物料中的水分是影響其物理特性的重要成分，物料籽粒含水率對其硬軟性、流動性、保鮮性和加工特性等方面有著密切的關系。本研究在相同加載速度不同籽粒含水率下，研究綠豆籽粒單軸自然狀態壓縮力學特性，試驗結果及表觀彈性模量計算結果如表1所示。結果表明，相同加載速度下籽粒含水率不同時，籽粒壓縮力學特性參數均存在差異。

2.2.1 籽粒含水率與屈服載荷的關系

由表1 可知，籽粒含水率對籽粒的屈服載荷影響極顯著（P≤0.001），籽粒含水率11.2% 時，籽粒的屈服載荷均值最大， 在加載速度為1.2、2.4 和3.6 mm/min 時，屈服載荷均值分別為（60.34± 8.38）、（64.26±15.23）、（55.42±11.94）N；在加載速度相同時，籽粒的屈服載荷均值隨著籽粒含水率的增加而先減小后增加，其原因為籽粒含水率較低時，籽粒的三軸尺寸較小，內部組織細胞結合較緊密，籽粒的硬度較大，抗壓能力較強；隨著籽粒含水率的增大，籽粒種皮、兩片子葉、胚、胚乳等組織結構開始軟化，硬度降低，使得籽粒抵抗壓縮變形的能力減小[16，25]。對相同加載速度不同籽粒含水率下籽粒壓縮的屈服載荷進行獨立樣本t 檢驗，結果表明，籽粒含水率11.2% 時的屈服載荷與籽粒含水率13.2%、15.2% 和17.2% 時的屈服載荷均存在顯著性的差異（P≤0.01）。上述分析表明，當綠豆籽粒含水率11.2% 時，籽粒抵抗機械損傷的能力較佳，為綠豆播種、收獲、清選、輸送和加工等裝備的設計及加工工藝提供參考參數。

2.2.2 籽粒含水率與變形量的關系

壓縮變形量表征綠豆籽粒在屈服載荷作用下產生的變形，即籽粒屈服載荷相對應點處的位移量。由表1可知，相同加載速度下，籽粒含水率11.2% 時，變形量均值最小，在加載速度為1.2、2.4 和3.6 mm/min 時，變形量均值分別為（0.23± 0.04）、（0.23± 0.06）和（0.22± 0. 06）mm；其他籽粒含水率下的變形量均大于籽粒含水率11.2% 時的變形量。分析其原因為隨著籽粒含水率的增加，綠豆內部組織細胞吸水不斷膨脹，各組織結構逐漸軟化，使得籽粒壓縮時細胞間滑移量增大，彈性變形的能力增強，因此變形量增大。對相同加載速度不同籽粒含水率下，綠豆籽粒壓縮的變形量進行獨立樣本t 檢驗，結果表明，除了加載速度1.2 mm/min 時，籽粒含水率11.2% 時的變形量與籽粒含水率15.2% 時的變形量存在顯著差異（Plt;0.05）外；籽粒含水率11.2% 時的變形量與其他籽粒含水率時的變形量的差異均不顯著。上述分析表明，綠豆籽粒的變形量較大時會導致糧堆的孔隙率減小，影響糧堆的通風效果，所以綠豆籽粒在糧倉貯存時宜采用較低籽粒含水率為佳。

2.2.3 籽粒含水率與破壞能的關系

破壞能是指籽粒壓縮發生最初破壞時所需的最小能量，表征籽粒最初破壞的難易程度；破壞能與最大破碎力、變形量有關，在數值上等于最大破碎力點以前的曲線與橫坐標圍成的面積（圖3 中陰影部分）。

由表1 可知，隨著籽粒含水率的增大，綠豆籽粒破壞能呈先減小后增大的趨勢， 當籽粒含水率11.2% 時，破壞能均值為最大，并且在加載速度為1.2、2.4 和3.6 mm/min 時，破壞能均值分別為（6.79±1.96）、（7.44±3.19 ） 和（ 6.06±2.65） mJ； 當籽粒含水率從13.2% 升高到15.2% 時，籽粒的破壞能降低；但籽粒籽粒含水率由15.2% 升高到17.2% 時，籽粒的破壞能呈增大趨勢。其原因為籽粒含水率較低時，籽粒內部組織硬度較大，破壞所需的能量較大；隨著籽粒含水率的增加，籽粒內部組織變軟，屈服載荷和變形量降低，因而破壞能呈現下降的趨勢；隨著籽粒含水率的繼續增加，籽粒內部組織軟化，具有較好的彈性變形，受壓時產生的屈服載荷和變形量增大，使得破壞能出現上升的趨勢。即籽粒含水率較低或較高時，破壞能表現出較大的均值。籽粒含水率較低時，雖破壞能較高，但籽粒破碎時呈現出脆性斷裂損傷，因此籽粒在加工脫皮時應采用高于17.2% 的籽粒含水率，籽粒壓縮功增大，但可降低籽粒組織結構的機械損傷。對相同加載速度不同籽粒含水率下籽粒壓縮的破壞能進行獨立樣本t 檢驗， 結果表明， 在加載速度為1.2 和2.4 mm/min 時，籽粒含水率11.2% 時的破壞能與籽粒含水率15.2%、17.2% 時的破壞能均存在極顯著性的差異（P≤0.001）。

2.2.4 籽粒含水率與表觀彈性模量的關系

綠豆籽粒表觀彈性模量表征籽粒物料在外載荷作用下產生彈性變形的難易程度，其值大小與籽粒的幾何形態、所受載荷、變形量等因素有關，可采用式（3）進行計算，獲得綠豆籽粒的表觀彈性模量。

由表1 可知，籽粒含水率對籽粒表觀彈性模量的影響顯著（Plt;0.01）。相同加載速度下，籽粒含水率11.2% 時，籽粒的表觀彈性模量均值為最大，其他籽粒含水率下的表觀彈性模量均小于籽粒含水率11.2% 時的表觀彈性模量。在彈性范圍內，籽粒含水率較低時綠豆內部組織的硬度較高，籽粒抵抗變形的能力較強，隨著籽粒含水率的增加籽粒內部組織的機械強度下降變軟，受壓產生的彈性變形較大，與屈服載荷的試驗結果相一致，反映出屈服載荷起主導作用。對相同加載速度不同籽粒含水率下綠豆籽粒壓縮的表觀彈性模量進行獨立樣本t 檢驗，結果表明，籽粒含水率11.2%時的表觀彈性模量與籽粒含水率15.2%、17.2% 時的表觀彈性模量均存在極顯著性的差異（P≤0.001）。

2.3 加載速度對綠豆籽粒壓縮力學性能的影響

由圖4 可知，當籽粒含水率11.2% 時，屈服載荷隨著加載速度的增加先增大后減小， 籽粒含水率13.2% 時，屈服載荷隨著加載速度的增加而減小，當籽粒含水率gt;13.2% 時，屈服載荷隨著加載速度的增大基本呈增大的趨勢，這是因為由外載荷引起的綠豆籽粒的變形由瞬時彈性變形和塑性變形組成，當籽粒含水率較低時，籽粒在外載荷作用下以塑性變形為主，隨著加載速度的增大，塑性變形被固定，而彈性變形表現也不顯著，導致屈服載荷值減小；當籽粒含水率較大時，籽粒的變形以彈性變形為主，隨著加載速度的增大，籽粒塑性變形被固定而彈性變形表現較顯著，獲得的屈服載荷值較大。

相同籽粒含水率下籽粒變形量隨著加載速度的增大而基本上呈現減小的趨勢，其原因是隨著加載速度增加，籽粒壓縮變形的速度超過了籽粒進行充分塑性變形時所需要的臨界變形速度，籽粒塑性變形的過程受到限制，籽粒物料的屈服點雖然升高，但其塑性有可能降低，從而增加了籽粒物料的脆化傾向，致使變形量減少。

相同籽粒含水率下，籽粒破壞能和表觀彈性模量隨加載速度變化規律與籽粒屈服載荷的相似，這是因為破壞能和表觀彈性模量在數值上與籽粒的屈服載荷和變形量密切相關，并且屈服載荷起主導作用。

相同籽粒含水率下加載速度對破壞能的影響不顯著；同時除了籽粒含水率為15.2% 外，其他籽粒含水率下，加載速度對籽粒的屈服載荷、變形量、表觀彈性模量的影響均不顯著，可能是因為當籽粒含水率達到15.2% 時，籽粒的組織結構充分軟化，在外載荷的作用下，隨著加載速度的增加，籽粒變形以塑性變形為主轉化為以彈性變形為主，籽粒的屈服載荷、變形量、表觀彈性模量表現出顯著的差異（Plt;0.05）。上述分析表明，測定綠豆籽粒的靜態壓縮特性時，當籽粒含水率在試驗范圍內變化時，可以略去加載速度對試驗結果的影響。

3 結束語

綠豆籽粒在自然狀態下壓縮的載荷?位移曲線具有明顯的生物屈服點；相同加載速度下，在選定的籽粒含水率范圍內，籽粒含水率對籽粒的屈服載荷和表觀彈性模量均存在顯著的影響（Plt;0.01）；籽粒含水率相對較低時，籽粒的硬度和強度相對較高，變形量相對較小，所需的破壞能相對較高，表觀彈性模量相對較大，但隨著籽粒含水率的增加，籽粒的屈服載荷、表觀彈性模量和破環能基本上呈先減小后增大的趨勢，變形量呈先增大后減小的趨勢。研究表明，綠豆籽粒在播種、收獲和清選等過程中籽粒含水率相對較低時抵抗機械損傷的能力較佳，而籽粒在加工脫皮時應采用相對較高的籽粒含水率；同時籽粒內部的化學組分、微觀組織結構、細胞吸水特性等與籽粒的壓縮特性也密切相關。當籽粒含水率gt;13.2% 時，屈服載荷隨著加載速度的增大而增大；相同籽粒含水率下籽粒變形量隨著加載速度的增大基本上呈現減小的趨勢，籽粒破壞能和表觀彈性模量隨加載速度變化規律與籽粒屈服載荷的相似；相同籽粒含水率下加載速度對破壞能的影響不顯著；籽粒含水率除15.2% 之外，其他籽粒含水率下，加載速度對籽粒的屈服載荷、變形量、表觀彈性模量的影響均不顯著，表明籽粒含水率較高時，籽粒組織結構充分軟化，壓縮時以塑性變形為主轉化為以彈性變形為主，同時反映出在測定綠豆籽粒的靜態壓縮特性時，當籽粒含水率在試驗范圍內變化時，可以略去加載速度對試驗結果的影響。

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基金項目： 山西省基礎研究計劃項目（20210302124250）；晉中市科技重點研發計劃（農業）項目（Y212014）