多場因素對糙米破碎影響實(shí)驗(yàn)研究

房凱文 田 勇 曹憲周 張 寧 安紅周

(河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001)

水稻是我國主要糧食作物之一，從播種直至端上餐桌需經(jīng)歷收獲、運(yùn)輸、干燥、流通、儲存和加工等多個階段，在這個過程中外力和自身屬性等原因，會導(dǎo)致裂紋以及破碎的產(chǎn)生，對糙米品質(zhì)影響較大[1,2]。稻谷在收獲、流通、加工中的破碎率高達(dá)20%，并且70%以上的碎米產(chǎn)生在礱谷脫殼和碾白工序[3]。因此，研究糙米碾白破碎的影響對提高糧食產(chǎn)量及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益十分重要。

目前，許多研究探討了稻谷破碎的問題，如馮帥博[4]利用撞擊實(shí)驗(yàn)平臺研究不同撞擊動量下糙米的撞擊力學(xué)特性，結(jié)果表明碾白輥和糙米的撞擊對糙米破碎起主要作用，碾白輥直徑和轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致糙米撞擊力增大，破碎率升高；崔帆[5]應(yīng)用EDEM離散元分析軟件對糙米碾白過程進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)糙米的擠壓破碎是碾白破碎的主要原因，通過改變碾米機(jī)碾輥轉(zhuǎn)速和碾白室間隙，可以有效降低糙米受到的擠壓力；蔡祖光[6]對大米加工過程中增碎原因進(jìn)行了分析并提出采用多級輕碾、多級輕拋和低溫碾米等一系列改進(jìn)方案；周顯青等[7]進(jìn)行了糙米的錐刺、三點(diǎn)彎曲、剪切、擠壓實(shí)驗(yàn)，得出糙米斷裂主要與厚度及胚乳特性有關(guān)；曾勇[8]采用數(shù)值模擬方法分析米粒碾白破碎特性，得出米粒碾磨前期以脆性斷裂為主，后期主要為疲勞斷裂。目前鮮有關(guān)于多場情況(溫度、轉(zhuǎn)速、時間)對糙米碾白破碎影響的報道。

本實(shí)驗(yàn)研究不同碾輥轉(zhuǎn)速、碾白時間的低溫碾米對糙米破碎率的影響，得到糙米破碎曲線；并結(jié)合碾白輥轉(zhuǎn)速與糙米破碎率數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析，探究碾輥轉(zhuǎn)速對多品種糙米的適用性，為后續(xù)糙米加工及糙米破碎研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

糙米：廣東美香粘(秈稻，2018年收獲)。初始含水率為11.08%，利用糙米調(diào)制設(shè)備將含水率控制在15.5%～16.5%。首先去掉碎米和病變顆粒，選取顆粒飽滿，無堊白、無裂紋的籽粒，所得糙米在4 ℃環(huán)境下保存，并注意濕度適宜，濕度過高會導(dǎo)致水分滲入糙米表面不均，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而使內(nèi)部裂紋增多，破碎率增高，影響后續(xù)碾白結(jié)果。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

MNSW18-B低溫碾米機(jī)(碾白室間隙為10mm，砂輥直徑為Φ90 mm)，VFD-055B系列調(diào)頻器，UT372非接觸式轉(zhuǎn)速計，MB90水分測定儀，VT04A可視紅外測溫儀。

1.3 方法

1.3.1 糙米含水率測量與調(diào)質(zhì)

按照GB/T 10358—2008處理糙米，采用103 ℃恒重法得到糙米加工前含水量為11.08%。碾白時糙米最佳硬度為68～78 N，最佳溫度為15～25 ℃，含水量15.5%～16.5%[9]。參考賈富國[10]的研究對實(shí)驗(yàn)樣品加濕調(diào)質(zhì)至含水量15.5%，在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行水分平衡。

1.3.2 糙米碾白壓力計算分析

通常以碰撞、碾白壓力、翻滾和軸向輸送這四要素作為碾米機(jī)參數(shù)設(shè)計優(yōu)化參考[11]。碰撞是糙米碾白過程中最基礎(chǔ)的運(yùn)動，連續(xù)碰撞使糙米在碾白室內(nèi)運(yùn)動并產(chǎn)生壓力，稱為碾白壓力。碾白壓力受多方面因素影響，顧堯臣[12]研究表明，改變碾白壓力可以通過改變米粒流體密度ρ和米粒平均速度VP實(shí)現(xiàn)。計算公式為：

(1)

轉(zhuǎn)速與頻率相關(guān)公式為：

(2)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為電流頻率；p為電機(jī)極對數(shù)。電機(jī)端帶輪與砂輥端帶輪傳動比為n1∶n2=3∶2，參考碾白壓力計算方法[12]，結(jié)合式(2)可計算出砂輥轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系：n2=38.8f。

周顯青[13]研究表明NS型螺旋槽砂輥碾米機(jī)的碾白壓力為40～100 g/cm2，不同品種、含水率或不同機(jī)械設(shè)備對糙米造成的碾白壓力不同。馮帥博等[4]研究表明含水率15%～16.5%的美香粘糙米碾白壓力為55～98 g/cm2。計算可得碾米輥切線速度為11～15 m/s，轉(zhuǎn)速為1 167～1 592 r/min。故可針對本次實(shí)驗(yàn)將轉(zhuǎn)速梯度設(shè)置為5組，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 低溫下不同頻率對應(yīng)轉(zhuǎn)速、線速度及碾白壓力

1.3.3 碾白時間梯度設(shè)置

預(yù)實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)?zāi)氚讜r間梯度，分別在不同轉(zhuǎn)速下設(shè)置10、30、50、70、90 s的碾白時間，發(fā)現(xiàn)70、90 s的碾白效果與前3組相比差異較小，因此按照預(yù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將碾白時間設(shè)置為20、30、40、50、60 s。

1.3.4 轉(zhuǎn)速標(biāo)定分析

電機(jī)與變頻器連接后，為確定轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確性，需要對砂輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行標(biāo)定。UT372非接觸式轉(zhuǎn)速計轉(zhuǎn)速量程為10～99 999 r/min，在1 000～9 999.9 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)分辨率為0.1 r/min。本次測量分別用800、1 000、1 200、1 400、1 600 r/min數(shù)據(jù)等梯度測量，計算誤差約為1.81%，在實(shí)驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)。

1.3.5 加工前樣品質(zhì)量測定分裝

本次實(shí)驗(yàn)每組轉(zhuǎn)速進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)3次，每次進(jìn)料1.5 kg。質(zhì)量測定前對計重秤進(jìn)行標(biāo)定，確保標(biāo)定結(jié)果準(zhǔn)確，將質(zhì)量測定完成的樣品放進(jìn)實(shí)驗(yàn)袋并做好標(biāo)記備用。

1.3.6 加工溫度檢測

每組實(shí)驗(yàn)加工時均須保證低溫環(huán)境即15～25 ℃，采用FLUKE VT04A可視紅外測溫儀在線檢測，當(dāng)溫度升至臨界點(diǎn)時，加大風(fēng)量及時降溫，保證整個加工過程溫度屬于低溫可控狀態(tài)。碾白室外界溫度由中央空調(diào)控制，制冷溫度為16 ℃，外界溫度始終比碾白室內(nèi)部略低，保證加工過程不受影響。

1.3.7 加工后樣品破碎率統(tǒng)計

按照GB/T 5503—2009《糧油檢驗(yàn) 碎米檢驗(yàn)法》對實(shí)驗(yàn)后樣品進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。每次實(shí)驗(yàn)樣品各取90 g，分為3組進(jìn)行統(tǒng)計，計算平均破碎率即為加工后每組樣品實(shí)際破碎率。

1.3.8 數(shù)據(jù)測定及處理

每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，測定結(jié)果以平均值計算。數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計、回歸分析及曲線擬合等結(jié)果均利用Origin軟件處理得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫多場-糙米破碎率曲線分析

低溫多場-糙米破碎率曲線如圖1所示。進(jìn)行糙米碾白實(shí)驗(yàn)時，碾白輥轉(zhuǎn)速與糙米破碎率曲線呈現(xiàn)出指數(shù)相關(guān)趨勢，隨著砂輥轉(zhuǎn)速提高，糙米破碎率逐步增加。1 200～1 400 r/min時曲線斜率變化較小，因?yàn)榇藭r碾白壓力還未超出糙米最大斷裂值，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min后，壓力值超出糙米最大斷裂值，所以曲線斜率陡然上升。1 200～1 500 r/min階段曲線趨勢大致相同，隨著糙米碾白時間增加，糙米破碎率略有上升，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至1 600 r/min后，碾白時間50、60 s的糙米破碎率顯著增加，這是由于轉(zhuǎn)速升高和碾白時間加長均會導(dǎo)致碾白室腔內(nèi)溫度上升，兩者疊加使溫度上升更加明顯，使糙米表面水分減少，具體表現(xiàn)為糙米脆性增加，高速撞擊下破碎率上升。

圖1 低溫多場-糙米破碎率曲線

2.2 碾白輥轉(zhuǎn)速-破碎率參數(shù)回歸分析

運(yùn)用Origin對圖1中碾白時間30 s曲線進(jìn)行擬合，將其各個轉(zhuǎn)速下數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin，設(shè)置響應(yīng)值為破碎率，預(yù)測變量為砂輥轉(zhuǎn)速，回歸模型類型選擇立方型。碾白時間30 s時，破碎率M與砂輥轉(zhuǎn)速S之間的三次回歸方程見式(3)，方差分析表見表2，擬合曲線結(jié)果圖見圖2。

圖2 Origin擬合曲線結(jié)果圖

表2 多項(xiàng)式回歸分析方差分析表

M=596.0-1.254S+0.000 873S2-0.000 000S3

(3)

由表2可以看出P=0.004<0.05，表明回歸方程顯著。圖2表明曲線擬合度極高，其擬合相關(guān)指數(shù)與調(diào)整系數(shù)均接近100%，說明建立的回歸模型完全正確。因此，擬合的三次回歸方程可以較為真實(shí)地反映實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。

2.3 糙米破碎實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單因子方差分析

對不同轉(zhuǎn)速、不同碾白時間的糙米破碎率進(jìn)行單因子方差分析分析。原假設(shè)所有樣本的均值都相等，備選假設(shè)至少有一個均值不同，顯著性水平α=0.05。由表3可見，P=0.000<0.01，故砂輥不同轉(zhuǎn)速對糙米破碎率影響具有極其顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。主要原因是不同轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的碾白壓力不同，導(dǎo)致破碎率也不同。由表4可知P=0.960>0.05，砂輥不同碾白時間對糙米破碎率影響不具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。主要原因是不同碾白時間碾白室腔體內(nèi)溫度不同，對糙米品質(zhì)影響較大，但尚未達(dá)到影響糙米破碎的溫度。

表3 不同轉(zhuǎn)速糙米破碎率方差分析表

表4 不同碾白時間糙米破碎率方差分析表

2.4 不同糙米破裂力對比與轉(zhuǎn)速選擇

不同碾米機(jī)械設(shè)備加工不同品種糙米時，獲得相同碾白效果的碾輥轉(zhuǎn)速必然不同，但具體參數(shù)值目前尚無建立數(shù)據(jù)庫的文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)庫建立難點(diǎn)主要是組合參數(shù)過多，需要投入大量人力、財力和時間。但其優(yōu)點(diǎn)也顯而易見，工廠加工前檢測含水率、識別品種，可根據(jù)設(shè)備型號匹配最佳碾白參數(shù)，最大限度保證品質(zhì)。表5為已有研究測得相關(guān)糙米破裂力數(shù)值，整理結(jié)合以供參考[14,15]。

表5 不同品種糙米破裂力

以泰優(yōu)398為例，調(diào)質(zhì)含水量至15%左右，利用質(zhì)構(gòu)儀測得壓縮破裂力在63.56～90.42 N之間，使用自制撞擊錘測定碰撞動態(tài)破裂力為44.269 N，當(dāng)用MNSL21.5型立式單輥碾米機(jī)加工時，碾白室間隙固定在10 mm時，轉(zhuǎn)速為950 r/min時，平均壓縮力為57～95 N，1 120、1 250 r/min時壓縮力分別為100～170 N和110～190 N，可以看出加工樣品采用950 r/min轉(zhuǎn)速較為合適。當(dāng)采用MNSW18型碾米機(jī)加工時，轉(zhuǎn)速選定1 200～1 300 r/min相對理想。

3 結(jié)論

根據(jù)低溫多場-破碎率曲線分析，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 200～1 400 r/min范圍內(nèi)時曲線斜率變化較小，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min后，曲線斜率陡然上升，主要判斷依據(jù)是相應(yīng)碾白壓力是否超過糙米斷裂臨界應(yīng)力值。由低溫多場-破碎率曲線分析，砂輥轉(zhuǎn)速在1 200～1 500 r/min階段曲線趨勢大致相同，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至1 600 r/min后，50、60 s所在曲線破碎率顯著增加，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速升高和碾白時間加長均會導(dǎo)致碾白室腔內(nèi)溫度上升，兩者疊加使溫度上升更加明顯，使糙米表面水分減少，具體表現(xiàn)為糙米脆性增加，高速撞擊下破碎率上升。砂輥不同轉(zhuǎn)速對糙米加工破碎率有顯著的影響，但碾白時間對破碎率影響相對較小。