浸水藜谷的機(jī)械特性研究

趙子龍，郭占斌，杜文亮，吳英思，海 梅

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古益稷生物科技有限公司,呼和浩特 010011)

0 引言

藜麥?zhǔn)且环N營(yíng)養(yǎng)極高的“類全谷物”，不僅富含蛋白質(zhì)及鈣、鐵、鋅和維生素E等微量元素，而且含有全部必要氨基酸，并富含植物化學(xué)物質(zhì)，深受大眾青睞，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景[1]。從成熟后藜麥莖稈上收獲的果實(shí)稱帶殼藜谷，主要由穎殼和藜谷組成，外部為穎殼，穎殼內(nèi)部分稱藜谷。藜谷的外觀類似于扁圓柱體形狀，外表被一層薄薄的水溶性的皂苷包裹，其內(nèi)側(cè)為藜麥米[2]，從帶殼藜谷到藜麥米變化如圖1所示。帶殼藜谷除去表層穎殼后就變成藜谷，藜谷經(jīng)過去皂處理后就變成藜麥米。藜谷外壁薄薄的皂苷具有藥理和生物活性作用，如抑菌、抗腫瘤作用及防治心血管疾病等，而且還可用來制作食品天然甜味劑、保護(hù)劑、發(fā)泡劑、增味劑及抗氧化劑等[3-5]。但是，藜麥由于皂苷的原因而味苦澀，嚴(yán)重影響口感[6]，而且還是一種抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)，過量會(huì)對(duì)人體腸道產(chǎn)生刺激作用，妨礙某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[7]。因此，去除藜谷外表的皂苷是藜麥加工過程中必不可少的一道關(guān)鍵工序。2013年，國(guó)際藜麥年正式推薦藜麥為最適宜人類完美的全營(yíng)養(yǎng)食品，才引起世人的重視[3]。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)藜麥加工設(shè)備較少，部分采用小米脫皮設(shè)備進(jìn)行藜谷去皂苷，碎米率較高，利用率較低[6]；國(guó)外大部分均采用水洗法完成去皂苷工藝，水量消耗較大，有價(jià)值的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也會(huì)流失，甚至藜麥中化學(xué)組成和氨基酸含量也會(huì)隨之改變[8]，嚴(yán)重制約著藜麥的規(guī)模化生產(chǎn)。影響浸水藜谷機(jī)械去皂的因素有很多。其中，去皂工藝和加工對(duì)象對(duì)設(shè)備去皂性能影響顯著，因此開展了機(jī)械特性試驗(yàn)。本文對(duì)藜谷的外形尺寸進(jìn)行了測(cè)量統(tǒng)計(jì)，選取藜谷粒徑分布比例最大的1.6～1.7mm之間的藜谷進(jìn)行不同浸水時(shí)間的機(jī)械特性研究，得出藜谷受壓時(shí)變化規(guī)律，以研究藜谷去皂工藝機(jī)理，為藜谷去皂設(shè)備的設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

(a) 帶殼藜谷 (b) 藜谷 (c) 藜麥米 1.藜谷 2.穎殼圖1 帶殼藜谷-藜麥米變化圖Fig.1 The chart of the unhusked quinoa-quinoa rice

1 藜谷幾何尺寸測(cè)定及分級(jí)

1.1 試驗(yàn)材料

采用內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣2016年11月收割放置了5個(gè)月的藜谷為試驗(yàn)材料，品種為蒙藜1號(hào)，含水率為8%。

1.2 試驗(yàn)儀器

游標(biāo)卡尺(測(cè)量范圍0～150mm，精度0.02mm);直徑分別為1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0mm的圓孔篩;電子秤(測(cè)量范圍0～2kg，精度0.01g)。

1.3 方法與結(jié)果

藜谷籽粒較小，形似短圓柱體或扁球體，最大橫截面近似圓形，藜谷的直徑為最大截面的直徑，高度為最頂端面和最底端面之間的距離。

采用四分法取樣法取3組藜谷，每組50粒，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量每粒藜谷的直徑和高度，重復(fù)上述過程3次，取平均值，列入表1中。

表1 藜谷幾何尺寸Table 1 The gemetric dimension of quinoa mm

隨機(jī)取1 000g藜谷，分別用圓孔直徑為1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0mm的圓孔篩，進(jìn)行分級(jí),結(jié)果如表2所示。

表2 不同粒度藜谷的所占百分比Table 2 The proportion of different particle size of quoina

由表2知：在1.6～1.7mm之間，藜谷所占百分比最多，能夠體現(xiàn)群體特征，因此選粒度所占比例較多的藜谷進(jìn)行試驗(yàn)。

2 機(jī)械性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及參數(shù)設(shè)置

TMS-Pro食品物性分析儀(質(zhì)構(gòu)儀)：力感應(yīng)源型號(hào)為GS-1A，可測(cè)范圍0～2500N,力量精度0.000 1N，位移精度0.1um(美國(guó)FTC公司)；200mL燒杯；干毛巾。

藜谷外形尺寸較小，變形量較小，選用直徑為10mm的加載探頭，變形百分量為25%,測(cè)試前速度為30mm/min，測(cè)試速度為2mm/min，回程速度為30mm/min，起始力為0.7N。

1.力量感應(yīng)元 2.加載探頭 3.轉(zhuǎn)換頭 4.樣品平臺(tái)圖2 TMS-Pro 食品物性分析儀Fig.2 TMS-Pro food texture analyzer

2.2 方法與結(jié)果

2.2.1 藜谷的破壞力、破壞能隨浸水時(shí)間變化結(jié)果

藜谷呈短圓柱體或扁球體，直徑方向的尺寸比高度方向尺寸大很多，無法以直徑方向測(cè)定，僅能以自然放置狀態(tài)下測(cè)定，即藜谷的高度方向上測(cè)定機(jī)械特性。另取55粒，分11組，每組5粒，依次增加浸水(常溫20℃)時(shí)間為3min；浸水后及時(shí)用干毛巾擦去表面水分，放置在質(zhì)構(gòu)儀樣品平臺(tái)上，進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。

圖3為0～30min時(shí)的藜谷破壞力隨浸水時(shí)間變化曲線圖；圖4為0～30min時(shí)的藜谷破壞能隨浸水時(shí)間變化曲線圖。藜谷在浸水過程中時(shí)，由于自身含水率較低，含水量小，硬度高，承受載荷的能力強(qiáng)，所需破壞皂苷殼的力大；隨著浸水時(shí)間增加，含水量升高，藜谷內(nèi)部組織開始軟化，承受載荷的能力隨之下降；含水量繼續(xù)升高到24min后趨于飽和，破壞力穩(wěn)定于10.5N，此時(shí)去除皂苷所需的力明顯較小，最有利于皂苷殼的去除。由圖4可知：藜谷隨著浸水時(shí)間增加，破壞能逐漸減小，最后趨于平穩(wěn)。破壞能由5.87mJ逐漸減小， 24min之后，破壞能趨于穩(wěn)定值0.86mJ。破壞能表示藜谷在外力情況下破裂皂苷殼的難易程度，破壞能越大在外力作用下越不易破裂。在24min之后，破壞能最小，藜谷在外力作用下更容易使皂苷殼破裂。

圖3 浸水藜谷破壞力—時(shí)間曲線Fig.3 The destructive force-time curve of inundated Quinoa

圖4 浸水藜谷破壞能—時(shí)間曲線Fig.4 The destructive energy-time curve of inundated Quinoa

圖5為0～3min時(shí)的藜谷破壞力隨浸水時(shí)間變化曲線圖；圖6為0～3min時(shí)的藜谷破壞能隨浸水時(shí)間變化曲線圖。

藜谷在剛剛浸水后，表層皂苷最先接觸水，隨著浸水時(shí)間增加，部分皂苷逐漸軟化，浸水時(shí)間達(dá)到24s時(shí)，皂苷吸水量最大而破壞力降到最小；隨著繼續(xù)浸水，部分皂苷慢慢溶于水，藜麥米部分逐漸顯露，破壞力不斷增大，浸水時(shí)間達(dá)到36s時(shí)，破壞力增大到最大；隨著繼續(xù)浸水，附有未完全溶解皂苷的藜谷含水量逐漸增加，藜谷內(nèi)部不斷軟化，破壞力則逐漸減小。破環(huán)能變化趨勢(shì)與破壞力的變化趨勢(shì)一致。

圖5 浸水藜谷破壞力—時(shí)間曲線Fig.5 The destructive force-time curve of inundated quinoa

圖6 浸水藜谷破壞能—時(shí)間曲線Fig.6 The destructive energy—time curve of inundated quinoa

2.2.2 藜谷的彈性模量

另取55粒藜谷，標(biāo)號(hào)為1～11組，每組5粒,每組按3min累加時(shí)間浸水，及時(shí)用干毛巾擦去表面水分，放置在質(zhì)構(gòu)儀樣品平臺(tái)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

根據(jù)測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以采用式(1)計(jì)算藜谷彈性模量，其隨浸水時(shí)間變化情況如圖6所示。

(1)

K=2λ(2π2)1/3/3

(2)

λ=-0.214e-4.95t-0.179t2+0.555t+0.319

(3)

(4)

R=(b2/4+h2)/2h

(5)

R'=(l2/4+h2)/2h

(6)

式中E—帶殼藜谷表觀接觸彈性模量(MPa)；

K—接觸物主曲率半徑?jīng)Q定的常數(shù)；

F—加載載荷(N)；

μ—帶殼藜谷泊松比，變化范圍為0～0.5，參考小麥、玉米和大豆的泊松比，選擇帶殼藜谷泊松比為0.4；

D—藜谷高度上壓縮變形量(mm)；

R、R′—壓縮時(shí)帶殼藜谷表面接觸點(diǎn)處的主曲率半徑(mm)；

l、b、h—藜谷的長(zhǎng)度寬度高度(mm)，l≈b；

t—帶殼藜谷上表面與探頭接觸點(diǎn)處2個(gè)接觸主平面間的夾角[9-15]。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得帶殼藜谷的幾何尺寸，l≈b=1.65mm，h=1.04mm。由式(2)～式(6)得：cost=0，t=1.57，λ=0.75，K=1.35。由式(1)得出彈性模量后繪制曲線，如圖7和圖8所示。

由圖7、圖8可以得出：隨著浸水時(shí)間增加，藜谷的含水量不斷增加，壓縮力和彈性模量不斷減小，變形量不斷增大，在浸水時(shí)間達(dá)到27min后，三者均趨于平穩(wěn)。彈性模量是用來衡量藜谷的彈性變形難易程度，其值越大，使藜谷發(fā)生彈性變形的力也越大，越不易變形。如圖7、圖8可知：浸水27min后，彈性模量最小且基本恒定，彈性變形能力最強(qiáng)，在藜谷去皂苷殼的過程中抗破壞能力最強(qiáng)。

圖7 藜谷彈性模量—浸水時(shí)間曲線Fig.7 The elastic modulus—inundated time curve of quinoa

圖8 藜谷壓縮力、變形量—浸水時(shí)間曲線Fig.8 The compression force，deformation—inundated time curve of quinoa

3 結(jié)論與建議

1)浸水時(shí)間對(duì)藜谷機(jī)械特性具有顯著影響，當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)24min，破壞力和破壞能均最小且保持穩(wěn)定，表明此時(shí)去除皂苷殼所需的力小,所消耗的能量小，易于去殼。當(dāng)浸水時(shí)間達(dá)27min時(shí)，彈性模量小，變形量大，表明在去皂過程中藜谷變形所需力較小，彈性變形恢復(fù)能力較強(qiáng)，抵抗去殼加工時(shí)破壞的能力也較強(qiáng)，碎米率會(huì)降低。

2)從減少藜谷機(jī)械損傷的角度和能耗方面綜合考慮，適宜浸水時(shí)間應(yīng)控制在27min。

3)建議進(jìn)一步研究不同含水率的藜谷在復(fù)雜力系作用下的機(jī)械特性。