唐福元 程緒鐸

(南京財(cái)經(jīng)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院;江蘇省現(xiàn)代糧食流通與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210046)

稻谷為人類提供能量、維生素、礦物質(zhì)、稀有氨基酸，是三分之二世界人口的主食[1]。在我國，稻谷的種植面積約3×107畝，每年生產(chǎn)的稻谷約2.0×108t[2]。由于我國稻谷的種植面積廣闊與各地復(fù)雜的氣候條件，巨大數(shù)量的稻谷安全儲(chǔ)藏是一個(gè)重要問題。

儲(chǔ)藏期間，稻谷承受壓縮載荷，如果筒倉中稻谷堆很高，倉底部的稻谷承受的壓力就很大。這個(gè)壓力超過了稻谷籽粒的抗破裂的力值時(shí)，稻谷籽粒將會(huì)破裂，破裂的籽粒更容易受到微生物的攻擊[3]。盡管一些儲(chǔ)藏壓力不足以使籽粒破裂，但它造成籽粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，使得籽粒的彈性、抗變形能力、抗破裂能力減小。籽粒的結(jié)構(gòu)損傷和破裂影響種子的發(fā)芽率及儲(chǔ)藏能力和烹飪質(zhì)量[4]。同時(shí)，儲(chǔ)藏的時(shí)間越長，稻谷籽粒結(jié)構(gòu)損傷越大。因此，研究儲(chǔ)藏壓力與儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)稻谷籽粒結(jié)構(gòu)損傷的影響是有意義的。

谷物籽粒壓縮特性的研究始于20世紀(jì)60年代。Prasad 等[5]研究稻谷籽粒準(zhǔn)靜態(tài)壓縮時(shí)的壓縮特性，結(jié)果指出：含水量從12%到24% d.b.時(shí)，稻谷籽粒最大的壓縮強(qiáng)度從160.7 N減小到40.6 N，韌性模量從3.96 mJ變化到 30.87 mJ，并且含水量在14～16% d.b.之間韌性模量有一個(gè)最大值。 Altuntas 等[6]報(bào)道，含水量從9.89% 增加到25.08% d.b.時(shí)，豌豆籽粒短軸壓縮的破壞力從551.43 N減小到 548.75 N。

迄今為止，大多數(shù)研究只關(guān)注谷物品種、含水率、壓縮速率對(duì)稻谷籽粒壓縮特性的影響，鮮有關(guān)于儲(chǔ)藏壓力、儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)谷物籽粒壓縮特性的影響的研究。因此，本研究將稻谷儲(chǔ)藏在圓筒容器中，頂部加壓，模擬稻谷在筒倉中受壓儲(chǔ)藏，以期研究儲(chǔ)藏壓力、儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)稻谷籽粒破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的影響。

1 材料與方法

南粳5055稻谷，產(chǎn)地南京，籽粒長軸、中軸、短軸分別為6.8178、3.4369、2.3038 mm。 使用標(biāo)準(zhǔn)干燥法(ASAE, 2001b)[9]在130 ℃干燥19 h測(cè)定稻谷原始含水量，原始含水量為12.9% w.b.。

1.1 稻谷儲(chǔ)藏的壓力

LHT-1 回彈模量儀用來儲(chǔ)藏稻谷，回彈模量儀配有位移記錄表、圓筒容器、長桿、一套砝碼(見圖1)。

圖1 LHT-1回彈模量儀示意圖

將回彈模量儀的圓筒容器內(nèi)填滿稻谷，輕輕敲打圓筒容器，將蓋子加在圓筒容器的頂部，然后將豎直壓力通過長桿和砝碼加在蓋子上。通過加不同的砝碼，圓筒容器中糧堆頂部獲得豎直壓力為：50、 100、 150、 200、 250、300 kPa。 頂部壓力分別為50、100、150、200、250、300 kPa 時(shí)，稻谷儲(chǔ)藏在6個(gè)回彈模量儀的圓筒容器中持續(xù)60 d。另外實(shí)驗(yàn)研究頂部壓力分別為100、200 kPa 時(shí)稻谷儲(chǔ)藏在2個(gè)回彈模量儀的圓筒容器中持續(xù)20 d。儲(chǔ)藏期間，室溫保持20 ℃。儲(chǔ)藏期間，固定時(shí)間間隔測(cè)定期稻谷堆下沉值。

稻谷儲(chǔ)藏在圓筒容器中，頂部豎直壓力為σ1,底部豎直壓力為σ3, 側(cè)面壓力為σ2. 由于筒壁摩擦阻力的作用，稻谷堆不同深度的應(yīng)力是不同的。

圖2 圓筒中稻谷薄片受力圖

作用在圓形薄層的豎直方向合力為零，則平衡方程為：

在先生看來，翻譯包含譯材和譯法，其中譯法是關(guān)鍵，而譯法又分為譯筆和譯名，其中譯名格外重要。先生認(rèn)為這里的名指一切詞品，不限于名、靜、動(dòng)詞，這實(shí)際上已將譯名擴(kuò)展為詞語翻譯。接下來，先生一一分析了五種譯名的方法。音義分譯始于佛經(jīng)翻譯，但佛經(jīng)里這類譯名很少，試而未效；音義兼譯于譯者兩全其美，實(shí)則吃力不討好；造譯更加少見且極費(fèi)力、不方便，此三者都不是譯名的通行譯法。剩下的音譯與義譯是主要譯法,占譯名的絕大多數(shù),也是近年譯名辯論的焦點(diǎn)。因此先生也重點(diǎn)考察了音譯與義譯及其關(guān)系。

(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0

(1)

稻谷堆側(cè)壓應(yīng)力與豎直壓應(yīng)力的關(guān)系為：

(2)

式(2)代入式(1)再積分方程與式(1)得深度y處的豎直壓應(yīng)力為：

(3)

式中：p0為稻谷堆頂部的壓應(yīng)力/kPa。

1.2 稻谷籽粒壓縮實(shí)驗(yàn)

選取回彈模量儀的圓筒容器中稻谷堆頂部與底部的籽粒進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，由于稻谷籽粒的橢球形狀，使用質(zhì)構(gòu)儀(Brookfield Company, USA)只對(duì)籽粒短軸進(jìn)行壓縮。實(shí)驗(yàn)前選擇10個(gè)籽粒進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，確保每次籽粒壓縮的方位一致。對(duì)于每次實(shí)驗(yàn)，隨機(jī)選擇30個(gè)籽粒進(jìn)行壓縮，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取30個(gè)壓縮數(shù)據(jù)的平均值。為了盡量接近靜態(tài)壓縮，質(zhì)構(gòu)儀的探頭壓縮速率應(yīng)盡可能小，因此，選擇壓縮速率為0.02 mm/s。每個(gè)籽粒壓縮直到籽粒破裂為止，在力-變形曲線上，最高點(diǎn)的力就是破壞力，破壞能就是破裂點(diǎn)前的力-變形曲線下的面積，破壞應(yīng)變?yōu)樽蚜Ｆ茐臅r(shí)的變形量與原始長度之比。

短軸方向壓縮稻谷籽粒，籽粒曲率半徑R、R′ 和參數(shù)cosθ按式 (4)、式(5)、式(6)計(jì)算。

R=[(X/2)2+(Z/2)2]/Z

(4)

R′=[(Y/2)2+(Z/2)2]/Z

(5)

cosθ=(1/R″-1/R′)/(1/R″+1/R′)

(6)

對(duì)于平行平面壓縮，由赫茲接觸應(yīng)力理論，稻谷籽粒表觀接觸彈性模量為：

(7)

方程(7)中的K由表1得到。(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0是泊松比，取值0.4。

壓縮探頭與稻谷籽粒接觸面的半長軸a與半短軸b按式(8)、式(9)計(jì)算：

(8)

(9)

最大接觸應(yīng)力發(fā)生在破裂時(shí)的壓縮探頭與稻谷籽粒接觸面的中心。按方程(10)計(jì)算，式中m、n由表1得到[10]。

(10)

2 結(jié)果與討論

2.1 儲(chǔ)藏壓力對(duì)稻谷壓縮特性的影響

陸琳琳[11]測(cè)定了南粳5055稻谷的堆密度、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)。基于其報(bào)道，一些稻谷儲(chǔ)藏力學(xué)參數(shù)在表2中列出。依據(jù)式(2)和式(3), 計(jì)算出圓筒底部稻谷堆豎直壓力，由于倉壁的摩擦作用該些壓力小于對(duì)應(yīng)的頂部壓力，在表2中列出。

表2 不同頂部壓力下稻谷的密度、內(nèi)摩擦角、摩擦系數(shù)、底部壓力

不同的儲(chǔ)藏壓力下儲(chǔ)藏60 d的稻谷壓縮特性在表3中列出。表3中數(shù)據(jù)表明：儲(chǔ)藏壓力從0增加到300 kPa，稻谷籽粒破壞力從 81.6 N減小到73.8 N， 這可能是儲(chǔ)藏壓力改變了稻谷籽粒的結(jié)構(gòu)從而需要更小的力去破壞它，南粳5055籽粒破壞力的平均值為77.7 N，小于Sorkheh 品種的破壞力169.09 N 和Sazandegi品種的破壞力125.01 N[7]，這種差別是由于南粳5055籽粒結(jié)構(gòu)松軟而Sorkheh 和 Sazandegi 品種結(jié)構(gòu)剛硬；儲(chǔ)藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒破壞能從 8.10 mJ減小到6.27 mJ；稻谷籽粒破壞應(yīng)變從 0.139減小到 0.117；儲(chǔ)藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒表觀接觸彈性模量從171.3 MPa減小到57.7 MPa，南粳5055籽粒表觀接觸彈性模量 (171.3～57.7 MPa) 小于Sazandegi品種的值 (556 MPa)[7]，這可能是由于Sazandegi 品種結(jié)構(gòu)剛硬且有好抵抗彈性變形的能力，而南粳5055籽粒松軟易變形；儲(chǔ)藏壓力從0 kPa增加到300 kPa，最大接觸應(yīng)力從40.8 MPa減小到19.1 MPa，這些值位于最大接觸應(yīng)力范圍(11.3～455.4 MPa)之間。

這些壓縮特性都與儲(chǔ)藏壓力相關(guān)，其關(guān)系用線性方程表示為y=bpv+c,pv表示儲(chǔ)藏壓力; b和c的值在表4中列出。

表4 線性方程的b和c的值

稻谷儲(chǔ)藏在半徑15 m、高30 m的筒倉中，倉底的稻谷承受的豎直壓力約為160 kPa，在儲(chǔ)藏壓力0～300 kPa的范圍內(nèi)，研究結(jié)果可用于預(yù)測(cè)稻谷儲(chǔ)藏時(shí)籽粒結(jié)構(gòu)的損傷。

表3 不同儲(chǔ)藏壓力下稻谷的壓縮特性

表5 不同儲(chǔ)藏時(shí)間與不同儲(chǔ)藏壓力下的稻谷籽粒壓縮特性

注：每一個(gè)儲(chǔ)藏壓力中的第二行數(shù)值是對(duì)應(yīng)誤差。

2.2 儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)稻谷壓縮特性的影響

在不同的儲(chǔ)藏時(shí)間和不同的儲(chǔ)藏壓力下的稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的平均值在表5中列出。

從表5中看出，在相同的儲(chǔ)藏壓力下，稻谷籽粒的每一個(gè)壓縮特性都隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而減小。這可能是長時(shí)間的儲(chǔ)藏導(dǎo)致稻谷籽粒的結(jié)構(gòu)損傷，因此，抵抗籽粒破壞的能力降低。

數(shù)據(jù)的差異分析表明儲(chǔ)藏壓力對(duì)稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)、最大接觸應(yīng)力有顯著影響(P<0.05)，對(duì)稻谷籽粒的表觀接觸彈性模量有顯著影響(P<0.01)。儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)稻谷籽粒的所有壓縮特性有顯著影響(P<0.01)。

2.3 儲(chǔ)藏溫度與儲(chǔ)藏含水率對(duì)稻谷籽粒壓縮特性的影響問題

本實(shí)驗(yàn)采用的稻谷的含水量為12.9% w.b.，儲(chǔ)藏溫度20 ℃。實(shí)驗(yàn)只測(cè)定了不同儲(chǔ)藏時(shí)間與不同儲(chǔ)藏壓力的籽粒壓縮特性，給出了儲(chǔ)藏壓力與儲(chǔ)藏時(shí)間對(duì)籽粒壓縮特性的影響規(guī)律，未能給出儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏含水率對(duì)籽粒壓縮特性的影響規(guī)律。儲(chǔ)藏溫度越高，籽粒的結(jié)構(gòu)損傷越大；儲(chǔ)藏含水率越高，籽粒的結(jié)構(gòu)越松軟；因此，儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏含水率影響籽粒壓縮特性。實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步定量分析儲(chǔ)藏溫度、儲(chǔ)藏含水率對(duì)籽粒壓縮特性的影響規(guī)律。

3 結(jié)論

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力隨著儲(chǔ)藏壓力的增加而減小，稻谷籽粒的每一個(gè)壓縮特性與儲(chǔ)藏壓力都呈線性關(guān)系。

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力隨著儲(chǔ)藏時(shí)間的增加而減小，稻谷籽粒的每一個(gè)壓縮特性與儲(chǔ)藏時(shí)間都呈線性關(guān)系。

稻谷籽粒的破壞力、破壞能、破壞應(yīng)變、表觀接觸彈性模量、最大接觸應(yīng)力的最大值都是在零儲(chǔ)藏壓力與零儲(chǔ)藏時(shí)間獲得，這表明長時(shí)間大壓力儲(chǔ)藏稻谷損傷籽粒結(jié)構(gòu)，減小其抵抗破裂的能力。