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油用牡丹籽粒破殼力學(xué)特性試驗(yàn)研究

2018-06-06 05:28:38姬江濤張志紅耿令新謝金法候小改
農(nóng)機(jī)化研究 2018年6期
關(guān)鍵詞:破殼油用試驗(yàn)機(jī)

姬江濤,陶 滿(mǎn),張志紅,耿令新,謝金法,候小改

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

油用牡丹是一種新興的木本油料作物,具有高產(chǎn)出、高含油率、高品質(zhì)的特點(diǎn)。牡丹籽油更有著巨大的食用價(jià)值和藥用價(jià)值,含有多種對(duì)人體有益的物質(zhì)和元素。其中,不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸α-亞麻酸含量豐富,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)稱(chēng)為“黃金液體”的橄欖油[1-6]。

目前,國(guó)外對(duì)于牡丹的研究幾乎是一片空白,僅有一些日本學(xué)者研究了中日兩國(guó)牡丹花瓣中花青素的差異[7]。國(guó)內(nèi)在牡丹籽油萃取工藝方面取得了豐碩的成果,衍生出了眾多的萃取方法:易軍鵬等研究了牡丹籽油超臨界二氧化碳萃取工藝,李加興等研究了水酶法提取牡丹籽油工藝,楊倩研究了亞臨界萃取牡丹籽油的工藝等[8-9]。除此之外,趙海軍研究了牡丹籽種仁脫皮去苦技術(shù),馬素敏[10-11]研究了脫臭工藝條件對(duì)牡丹籽油反式脂肪酸形成及品質(zhì)的影響,而對(duì)于牡丹籽脫殼方法的研究還很少見(jiàn)報(bào)道。

牡丹籽要萃取油,脫殼是首道工序,也是牡丹籽加工的技術(shù)難題之一。關(guān)于牡丹籽脫殼機(jī)械,國(guó)內(nèi)僅有錦州俏牌機(jī)械有限公司研制的微調(diào)式牡丹籽脫殼機(jī)[12]。其采用的是定砂輪和動(dòng)砂輪配合摩擦,將牡丹籽殼磨碎的方法,雖然整仁率高,但脫殼率低且需要將牡丹籽分級(jí),對(duì)牡丹籽仁磨損嚴(yán)重,造成了巨大的浪費(fèi),設(shè)備造價(jià)也過(guò)于昂貴,不能滿(mǎn)足牡丹籽加工發(fā)展的需要。分析其原因,主要是由于沒(méi)有正確的脫殼理論作指導(dǎo)。因此,本文研究牡丹籽的壓縮力學(xué)特性,意在探明牡丹籽如何破殼,為進(jìn)一步研制新型的牡丹籽脫殼機(jī)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1)新鮮的油用牡丹種子:產(chǎn)地為河南洛陽(yáng)。

2)設(shè)備:DNS系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī);DH-101-3BS型電熱恒溫?zé)犸L(fēng)干燥箱;TD51001電子天平(分度值0.01g);游標(biāo)卡尺(200mm×0.01mm)。

3)工具:托盤(pán)、密封袋、標(biāo)簽、數(shù)碼相機(jī)等。

1.2 試驗(yàn)方法

油用牡丹籽粒破殼的難易程度不僅與外界的加載條件有關(guān),更與自身的物理特性密不可分,如形狀、尺寸及含水率等[13]。本文采用單因素試驗(yàn)對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn),分析其對(duì)油用牡丹籽粒破殼力的影響。

1.2.1 油用牡丹籽粒形狀的確定

成熟后的牡丹籽粒形狀各異,大致可分為橢圓形和扁平型。隨機(jī)挑選100粒牡丹籽觀察,共進(jìn)行5次試驗(yàn),得橢圓形占15%,扁平形占85%。

1.2.2 油用牡丹籽粒尺寸的確定

牡丹籽粒大小不一,通過(guò)對(duì)牡丹籽粒進(jìn)行測(cè)量,將其分為3個(gè)等級(jí),分別為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí),其等級(jí)對(duì)應(yīng)尺寸如表1所示。

表1 牡丹籽的分級(jí)

Table 1 The quality grade of peony seeds mm

級(jí)別長(zhǎng)度范圍寬度范圍厚度范圍A5.5~8.325.4~7.13.94~5.87B8.32~10.187.1~8.825.87~7.56C10.18~13.348.82~10.367.56~9.3

1.2.3 油用牡丹籽粒含水率的確定

牡丹籽粒在破殼前一般先需要對(duì)其進(jìn)行干燥,將其含水率降到一定的安全貯存范圍。參照其他糧食作物,其安全含水率為14%左右。為了便于比較和更加全面地了解含水率對(duì)牡丹籽破殼的影響,考慮到牡丹籽干燥時(shí)的不均勻性和儲(chǔ)藏后水分的流失,本次試驗(yàn)選取含水率為5%、8%、11%、14%、17%等5個(gè)水平的牡丹籽。

1.2.4 油用牡丹籽粒加載方向的確定

2011年以來(lái),學(xué)校依據(jù)課程建設(shè)目標(biāo),以“奠基學(xué)生一生幸福必備的素養(yǎng)”,即道德素養(yǎng)、人文素養(yǎng)、科學(xué)素養(yǎng)、健康素養(yǎng)、藝術(shù)素養(yǎng)為核心,采用國(guó)家課程校本化、校本課程特色化、實(shí)踐活動(dòng)課程化的實(shí)施途徑,嘗試構(gòu)建了具有五一特色的“幸福素養(yǎng)”課程體系。

根據(jù)牡丹籽的形狀,可將平行于牡丹籽根頂連線(xiàn)方向作為長(zhǎng)度,定為X向,寬度定為Y向,厚度定為Z向。試驗(yàn)機(jī)加載方向如圖1、圖2所示。

圖1 橢圓形

圖2 扁平型

1.2.5 油用牡丹籽粒加載速度的確定

油用牡丹籽粒屬于農(nóng)業(yè)物料的范疇,其加載速率的確定應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。參照板栗、油茶果、蓖麻果、核桃等力學(xué)特性的研究[14],并結(jié)合牡丹籽粒自身的尺寸,本文將加載速率定為5~25 mm/min,并等距分配,分別為5、10、15、20 、25mm/min。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 加載方向?qū)τ陀媚档ぷ蚜F茪ちΦ挠绊?/h3>

隨機(jī)從試驗(yàn)樣品中抽取適量油用牡丹籽粒,籽粒無(wú)霉變、無(wú)破損,用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%,從中挑選扁平形的B等級(jí)油用牡丹籽粒進(jìn)行試驗(yàn)。固定試驗(yàn)機(jī)壓頭加載速率為15mm/min,分別對(duì)油用牡丹籽粒的X向、Y向、Z向進(jìn)行加載,每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制油用牡丹籽粒沿不同加載方向加載時(shí)破殼力與位移之間的關(guān)系圖,如圖3所示。

圖3 油用牡丹籽粒沿不同方向加載時(shí)破殼力與位移之間的曲線(xiàn)圖

分析油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖可知:牡丹籽粒在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí),加載力與位移呈正比,即牡丹籽粒所受到的壓力與變形量之間為線(xiàn)性增長(zhǎng)的關(guān)系,此時(shí)牡丹籽粒主要發(fā)生了彈性形變。隨著試驗(yàn)機(jī)上壓頭的不斷下移,加載力逐漸增大,直線(xiàn)開(kāi)始向曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變,說(shuō)明彈性形變和塑性形變同時(shí)發(fā)生。當(dāng)加載力達(dá)到牡丹籽殼纖維組織所能承受的極限時(shí),再繼續(xù)增大加載力,牡丹籽殼中的纖維組織便出現(xiàn)斷裂,抗壓能力瞬間急速降低,此時(shí)所需要的破殼力減小,牡丹籽粒外殼出現(xiàn)破裂。在此階段曲線(xiàn)上,最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載力即為牡丹籽的破殼力。

根據(jù)不同加載方向下的油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖,記錄每次試驗(yàn)下牡丹籽粒破殼時(shí)的破殼力值,并計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果的平均值,結(jié)果如表2所示。

表2 油用牡丹籽粒沿不同方向加載時(shí)的破殼力

由表2可以看出:油用牡丹籽粒的破殼力隨著加載方向的不同而表現(xiàn)出顯著的差異,破殼力之間存在如下關(guān)系:FX向加載

圖4 不同加載方向下牡丹籽的裂紋情況

2.2 加載速率對(duì)油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機(jī)從試驗(yàn)樣品中抽取適量油用牡丹籽粒,籽粒無(wú)霉變、無(wú)破損,用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%,從中挑選扁平形的B等級(jí)油用牡丹籽粒進(jìn)行試驗(yàn)。固定加載方向?yàn)閄向,調(diào)整試驗(yàn)機(jī)使其以5個(gè)不同的加載速度對(duì)油用牡丹籽粒進(jìn)行加載,根據(jù)油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖,記錄牡丹籽粒破殼時(shí)的破殼力值,每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,結(jié)果如表3所示,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析如表4所示。

表3 油用牡丹籽粒在不同加載速率時(shí)的破殼力

F0.05(4,20)=2.87F0.01(4,20)=4.43。

表4 油用牡丹籽粒破殼力與加載速率之間的方差分析表

Table 4 Analysis of variance between shelling force of peony seeds and loading rate

方差來(lái)源平方和自由度均方F回歸41044102641.54剩余4942024.7總和459824

表4中,F(xiàn)=41.54>F0.01(4,20),說(shuō)明加載速率對(duì)油用牡丹籽粒的破殼力影響極為顯著。由表3可知:加載速率不同,牡丹籽粒的破殼力值也不同。利用SPSS軟件,對(duì)表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到油用牡丹籽粒破殼力關(guān)于試驗(yàn)機(jī)加載速率的回歸方程為

y=-0.078x2+4.11x+61.18

(1)

其中,y為破殼力(N);x為加載速率(mm/min)。

油用牡丹籽粒破殼力和加載速率之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 油用牡丹籽粒破殼力和加載速率之間的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖5可知:破殼力隨著加載速率的增加不斷升高,當(dāng)加載速率超過(guò)20 mm/min后,破殼力增速趨于平緩。其主要原因是:加載速率越大,牡丹籽的外殼破裂程度就越充分,破殼時(shí)所要克服的阻力就越大。當(dāng)加載速率增加到一定程度時(shí),破殼所要克服的阻力達(dá)到極限后不再增加,破殼力也不再增加。

2.3 牡丹籽形狀對(duì)油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機(jī)從試驗(yàn)樣品中抽取適量油用牡丹籽粒,籽粒無(wú)霉變、無(wú)破損,用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%,從中挑選B等級(jí)油用牡丹籽粒進(jìn)行試驗(yàn)。固定加載方向?yàn)閄向,試驗(yàn)機(jī)加載速度為15 mm/min,對(duì)扁平形和橢圓形的牡丹籽粒分別進(jìn)行加載,根據(jù)油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖,記錄牡丹籽粒破殼時(shí)的破殼力值,每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,結(jié)果如表5所示。對(duì)2組不同幾何形狀的牡丹籽粒破殼力進(jìn)行方差分析,從而判斷牡丹籽粒的形狀對(duì)破殼力的影響程度,結(jié)果如表6所示。

表5 不同形狀的油用牡丹籽粒的破殼力

表6 油用牡丹籽粒破殼力與形狀的方差分析表

Table 6 Analysis of variance between shelling force and shape of peony seeds

方差來(lái)源平方和自由度均方F值回歸921.61921.627.63剩余266.8833.35總和1188.49

F0.05(1,8)=5.32F0.01(1,8)=11.26。

表6中,F(xiàn)=27.63>F0.01(1,8),說(shuō)明牡丹籽粒形狀對(duì)破殼力的影響極為顯著。由表5可知:橢圓型的牡丹籽破殼力比扁平形的要小些。其原因主要是:兩種形狀的牡丹籽在幾何尺寸(長(zhǎng)度、寬度和高度)相近時(shí),試驗(yàn)機(jī)壓頭與其接觸面積存在一定的關(guān)系,即S扁平>S橢圓,接觸面積越小,牡丹籽殼受到的應(yīng)力越集中,越容易破殼。另外,通過(guò)測(cè)量?jī)煞N形狀的牡丹籽在X方向殼與仁之間的間隙發(fā)現(xiàn),間隙t橢圓>t扁平,間隙越大,越易破殼。

2.4 牡丹籽尺寸對(duì)油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機(jī)從試驗(yàn)樣品中抽取適量油用牡丹籽粒,籽粒無(wú)霉變、無(wú)破損,用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%,從中挑選扁平形的油用牡丹籽粒進(jìn)行試驗(yàn)。固定加載方向?yàn)閄向,試驗(yàn)機(jī)加載速度為15 mm/min,對(duì)A、B、C等3種等級(jí)的油用牡丹籽粒分別進(jìn)行加載,根據(jù)油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖,記錄牡丹籽粒破殼時(shí)的破殼力值,每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,結(jié)果如表7所示,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析如表8所示。

表7 不同尺寸的油用牡丹籽粒的破殼力

表8 油用牡丹籽籽粒破殼力與尺寸的方差分析表

Table 8 Analysis of variance between shelling force and size of peony seeds

方差來(lái)源平方和自由度均方F值回歸5114.822557.477.185剩余397.61233.133總和5512.414

F0.05(2,12)=3.89F0.01(2,12)=6.93。

表8中,F(xiàn)=77.185>F0.01(2,12),說(shuō)明牡丹籽粒的大小對(duì)破殼力的影響極為顯著。由表7可知:油用牡丹籽粒的破殼力隨著牡丹籽粒的大小等級(jí)變化而變化,牡丹籽粒的尺寸越大,籽粒越飽滿(mǎn),其相應(yīng)的破殼力越大;反之,牡丹籽粒的尺寸越小,其對(duì)應(yīng)的破殼力越小。其主要原因是:飽滿(mǎn)的籽粒殼仁之間間隙較小,果殼較厚,堅(jiān)實(shí)度高。除此之外,試驗(yàn)機(jī)壓頭與果殼的接觸面積的大小對(duì)破殼力的大小也有一定的影響,顯然SA級(jí)

2.5 牡丹籽含水率對(duì)油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機(jī)從試驗(yàn)樣品中抽取適量油用牡丹籽粒,籽粒無(wú)霉變、無(wú)破損,用烘干箱低溫將其干燥到含水率5%、8%、11%、14%和17%等5個(gè)不同水平的含水率,從中挑選扁平形的B等級(jí)油用牡丹籽粒進(jìn)行試驗(yàn)。固定加載方向?yàn)閄向,試驗(yàn)機(jī)加載速度為15 mm/min,根據(jù)油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線(xiàn)圖,記錄牡丹籽粒破殼時(shí)的破殼力值,每組含水率試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,結(jié)果如表9所示,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析如表10所示。

表9 不同含水率的油用牡丹籽粒破殼力

表10 油用牡丹籽粒破殼力與含水率的方差分析表

Table 10 Analysis of variance between shelling force and moisture content of peony seeds

方差來(lái)源平方和自由度均方F值回歸72345.04418086.26263.0346剩余1375.22068.76總和73720.2424

F0.05(4,20)=2.87F0.01(4,20)=4.43。

表10中,F(xiàn)=263.034 6>F0.01(4,20),說(shuō)明牡丹籽的含水率對(duì)破殼力的影響極為顯著。由表9可知:不同含水率的牡丹籽其破殼的難易程度是不同的。用SPSS軟件,對(duì)表9中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到油用牡丹籽粒破殼力關(guān)于籽粒含水率的回歸方程為

y=0.83x2-6.06x+70.53

(2)

其中,y為破殼力(N);x為含水率(%)。

油用牡丹籽粒破殼力和含水率之間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 油用牡丹籽粒破殼力和含水率之間的關(guān)系曲線(xiàn)

由圖6可知:油用牡丹籽粒破殼力隨著含水率的降低而急速減小。其主要原因是:含水率較低時(shí),牡丹籽粒的殼較脆,其抵抗變形和破碎的能力就越弱,越容易破殼。因此,在對(duì)油用牡丹籽粒進(jìn)行脫殼時(shí),含水率不宜太高,否則不易脫殼。

3 結(jié)論

1)影響牡丹籽破殼力的主要因素為加載方向、加載速率,以及牡丹籽粒的形狀、大小和含水率。

2)從X、Y、Z等3個(gè)不同的方向?qū)δ档ぷ咽┘虞d荷,其破殼力規(guī)律如下:FX

3)方差分析表明:加載速率及牡丹籽粒形狀、大小和含水率對(duì)破殼力的影響極為顯著。破殼力隨著加載速率的增加不斷升高,當(dāng)加載速率超過(guò)20 mm/min后,破殼力增速趨于平緩;橢圓型的牡丹籽比扁平形的破殼力要小,更易破殼;牡丹籽尺寸越小,越易破殼;破殼力隨著含水率的增加而增加。

4)通過(guò)試驗(yàn),建立了破殼力與加載速率和含水率之間的函數(shù)模型。牡丹籽破殼力和加載速率之間的函數(shù)關(guān)系式為y=-0.078x2+4.11x+61.18,牡丹籽破殼力和含水率之間的函數(shù)關(guān)系式為y=0.83x2-6.06x+70.53。

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