储藏条件对大豆籽粒力学特性的影响

程绪铎 严晓婕 黄之斌

(南京财经大学食品科学与工程学院1，南京 210046)(粮食储运国家工程实验室2，南京 210046)

大豆籽粒的结构在储藏时受到很多因素的影响，如温度、含水率、空气湿度、储藏时间、储藏压力等对其结构的影响，特别对储藏一段时间后的大豆籽粒，由于温度、水分、压力的影响，籽粒内部脂肪和蛋白质的混合状态将被改变，它的结构将发生变化。现在国内一些储藏大豆的筒仓，堆高大，储藏温度高、含水率大、时间久，储藏的大豆籽粒变软，弹性变小，产生裂纹与破碎，在大豆堆深处，常常发生走油、赤变等严重影响大豆储藏及加工品质的现象。大豆籽粒压缩时的最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变、表观接触弹性模量等是由其内部结构决定的，它表征大豆籽粒在受压时抵抗其变形和破裂的能力。准确的掌握上述参数，可为粮仓和运输设备结构设计、为大豆通风干燥系统设计提供理论依据，也可为大豆加工机械的设计提供理论依据。

国外对于谷物的籽粒压缩力学特性的研究从20世纪60年代开始[1-2]。Zorerb等[1-2]研究了马齿状玉米、小麦、豌豆、豆类植物在不同含水量下缓慢加载的特性，研究表明谷物挤压强度的影响参数是含水率、温度、加载速度和加载位置及物料尺寸。国内对大豆籽粒的压缩力学特性已有一些研究，刘传云等[3]对大豆的表观接触弹性模量进行了测定，仅测定了单一含水率、单一温度的大豆籽粒的表观接触弹性模量。刘志云等[4]对大豆的接触弹性模量进行了测定，但他们将大豆视为圆柱体，这样的假定与大豆籽粒的实际形状差别较大；马小愚等[5]测定了大豆籽粒压缩力学特性，他们仅测定了单一温度的大豆籽粒的最大破坏力；采用了自制力学性能测试装备，压缩时加载的速度偏大，难以准确揭示大豆籽粒静态压缩力学特性。研究对不同储藏时间(60、90、120、150 d)、不同含水率(12.0%、13.5%、15.0%)、不同储藏温度(20、25、30 ℃)的大豆籽粒进行压缩试验，测定了大豆籽粒的最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变，分析了储藏时间、含水率、温度对大豆籽粒压缩力学特性的影响规律。

1 材料和方法

1.1 试验材料

大豆：2012年东北黑龙江产秋大豆，外观形状近似椭圆状，见图1，用游标卡尺测定大豆的长(X)，宽(Y)，高(Z)，得到大豆的尺寸，如表1所示。

表1 大豆籽粒的几何尺寸

1.2 试验仪器和设备

CT3质构仪：美国Brookfield公司; 300游标卡尺：中国桂林量具刃具厂。

1.3 试验方法

1.3.1 试验样品准备

选取黑龙江2012年产大豆3600 粒形状相似的大豆(除去虫蚀和裂纹粒)，装36袋，每袋100粒，分3组，每组12袋，第1组含水率调制为12%，第2组含水率调制为13.5%，第3组含水率调制为15%，密封好袋子。每组取4袋，共12袋，放在温度设置为20 ℃的气候箱内；每组取4袋，共12袋，放在温度设置为25 ℃的气候箱内；每组取4袋，共12袋，放在温度设置为30 ℃的气候箱内。

储藏60、90、120、150 d，在温度设置为20、25、30 ℃的3个气候箱内各取3袋，含水率分别是12%、13.5%、15%。每袋任取30粒做压缩试验。

1.3.2 试验设备配置选择

选取压缩模式，压缩范围为50 kg。

压缩底座为TA-RT-KIT，压缩探头为TA10，直径12.7 mm，长度35 mm，圆柱状。

压缩速度为0.02 mm/s，压缩距离为3 mm，压缩触发点为10 g。

每次开机试验前，将质构仪试机预热30 min。

1.3.3 试验压缩方位(中轴)

开机预热完成后，要对不同压缩位置进行压缩最大破坏力的可能范围进行试验。一般选择10粒大豆进行预试验。在选样过程中要选择长宽高相差很小的样品。中轴方位的压缩的示意图如图1所示，在压缩过程中，要保证大豆放置的方位和压缩角度尽可能一样，这样可以最大程度的减少误差。

图1 中轴(Y轴)压缩试验示意图

2 结果与分析

在每一袋中取30个大豆籽粒进行重复压缩试验[6-8]。大豆破裂时，对应的载荷是最大破坏力，力对位移的积分是最大破坏能，形变与原长的比是最大破坏应变。

2.1储藏条件对大豆籽粒最大破坏力的影响

由表2、图2～4可见，储藏60 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏力的变化范围分别为：106.85～99.83 N、104.52～93.40 N、97.46～90.19 N；储藏90 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏力的变化范围分别为：106.03～98.53 N、104.33～93.14 N、97.40～89.75 N；储藏120 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏力的变化范围分别为：105.89～95.26 N、101.00～90.48 N、87.51～83.17 N；储藏150 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏力的变化范围分别为：99.19～84.05 N、92.19～82.75 N、90.95～81.50 N。

表2 大豆籽粒的最大破坏力/N

图2 储藏温度、含水率对最大破坏力的影响(储藏时间60 d)

图3 储藏温度、含水率对最大破坏力的影响(储藏时间150 d)

图4 储藏时间、含水率对最大破坏力的影响(储藏温度25 ℃)

储藏温度和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏力随含水率的增加而减小; 含水率和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏力随储藏温度的增加而减小; 含水率和储藏温度一定时，大豆籽粒的最大破坏力随储藏时间的增加而减小。这个结果表明：储藏时间长，温度高，含水率大，大豆籽粒强度降低，抵抗破裂的力减小。

2.2储藏条件对大豆籽粒最大破坏能的影响

由表3、图5～图7可见，储藏60 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏能的变化范围分别为：160.80～150.71 mJ、128.62～126.73 mJ、114.84～108.92 mJ；储藏90 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏能的变化范围分别为：140.92～127.65 mJ、135.62～117.15 mJ、106.04～97.37 mJ；储藏120 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏能的变化范围分别为：117.91～114.41 mJ、115.54～111.15 mJ、110.29～95.36 mJ；储藏150 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%, 储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏能的变化范围分别为：113.01～96.80 mJ、109.06～95.15 mJ、104.63～90.52 mJ。

表3 大豆籽粒的最大破坏能/mJ

图5 储藏温度、含水率对最大破坏能的影响(储藏时间60 d)

图6 储藏温度、含水率对最大破坏能的影响(储藏时间150 d)

图7 储藏时间、含水率对最大破坏能的影响(储藏温度25 ℃)

储藏温度和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏能随含水率的增加而减小; 含水率和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏能随储藏温度的增加而减小; 含水率和储藏温度一定时，大豆籽粒的最大破坏能随储藏时间的增加而减小。这个结果表明：储藏时间长，温度高，含水率大，大豆籽粒强度降低，抵抗破裂的能减小，即破裂大豆籽粒所需的功减小。

2.3储藏条件对大豆籽粒最大破坏应变的影响

由表4、图8～图10可见，储藏60 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%,储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏应变的变化范围分别为：0.356～0.383、0.365～0.404、0.382～0.412；储藏90 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%,储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏应变的变化范围分别为：0.393～0.415、0.405～0.423、0.416～0.439；储藏120 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%,储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏应变的变化范围分别为：0.422～0.448、0.429～0.457、0.434～0.460；储藏150 d时,大豆籽粒(含水率分别为:12.0%、13.5%、15.0%,储藏温度为20～30 ℃)的最大破坏应变的变化范围分别为：0.439～0.466、0.446～0.469、0.455～0.472。

表4 大豆籽粒的最大破坏应变

图8 储藏温度、含水率对最大破坏应变的影响(储藏时间60 d)

图9 储藏温度、含水率对最大破坏应变的影响(储藏时间150 d)

图10 储藏时间、含水率对最大破坏应变的影响(储藏温度25 ℃)

储藏温度和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏应变随含水率的增加而增加; 含水率和储藏时间一定时，大豆籽粒的最大破坏应变随储藏温度的增加而增加; 含水率和储藏温度一定时，大豆籽粒的最大破坏应变随储藏时间的增加而增加。这个结果表明：储藏时间长，温度高，含水率大，大豆籽粒结构软化。当受到外力压缩时，大豆籽粒破裂时的应变增加了。

3 结论

储藏60 d，储藏温度为20～30 ℃，储藏籽粒的含水率为12.0%～15.0%，大豆籽粒压缩最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变的变化范围分别为：106.85～90.19 N、160.80～108.92 mJ、0.356～0.412；储藏150 d，储藏温度为20～30 ℃，储藏籽粒的含水率为12.0%～15.0%，大豆籽粒压缩最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变的变化范围分别为：99.19～81.50 N、113.01～90.52 mJ、0.439～0.472。

在相同的储藏温度、储藏时间条件下，大豆籽粒的压缩最大破坏力、最大破坏能随着含水率的增加而减小，最大破坏应变随着含水率的增加而增加。

在相同的含水率、储藏时间条件下，大豆籽粒的压缩最大破坏力、最大破坏能随着储藏温度的增加而减小，最大破坏应变随着储藏温度的增加而增加。

在相同的储藏温度、含水率条件下，大豆籽粒的压缩最大破坏力、最大破坏能随着储藏时间的增加而减小，最大破坏应变随着储藏时间的增加而增加。

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