加工番茄籽粒的物理特性

冉兵　王丽红　陈绍杰　坎杂　李成松

摘要：番茄产业被誉为新疆“红色产业”的龙头，每年产生酱后皮渣20余万t，深加工潜力巨大。番茄籽粒物理特性与酱后皮渣分离技术密切相关。因此，以新疆地区广泛种植的加工番茄品种里格尔87-5籽粒为试验材料，采用标准测定方法测定加工番茄籽粒的三轴几何尺寸、比重、千粒质量、滑动摩擦角和恢复系数等有关物理特性，为加工番茄酱后皮渣机械化分离产品设计和数值模拟提供依据与原始物理参数。

关键词：加工番茄；籽粒；酱后皮渣分离技术；物理特性；试验研究

中图分类号： S226.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）02-0275-03

收稿日期：2014-03-20

基金项目：国家自然科学基金（编号：31160347）。

作者简介：冉兵（1989—），男，甘肃会宁人，硕士研究生，主要从事现代机械设计研究。E-mail：810120254@qq.com。

通信作者：王丽红，博士，副教授，主要从事现代农业装备的研究与开发。E-mail：wlh_shz@163.com。番茄是世界蔬菜类中产量最高的品种[1]，目前全球三大番茄制品加工产区为美国加州河谷产区、地中海地区（主要包括意大利、法国、西班牙、葡萄牙和希腊5国）和中国。2012年中国新疆地区加工番茄种植面积约5.87万hm2，产量为579.46万t，占全国总产量的84.80%，生产番茄酱 62.87万t[2]，产生酱后皮渣20余万t（约占番茄总量的3%～5%）[3]。酱后皮渣深加工潜力巨大，但目前皮渣主要依靠人工分离，生产效率低，劳动强度大，大量的皮渣被作为牲畜饲料或肥料，未及时清运的皮渣则被废弃掉，既浪费资源，又污染环境。酱后皮渣机械化分离可提高企业的生产效率，有利于番茄产业链的延伸，提高番茄的附加值。Kaur等利用立式搅拌与沉淀池相结合的分离方式实现皮渣中籽、皮分离[4]；刘伯堂研究了脱水干燥和干法皮籽分离组合生产的揉搓分离方法[5]；王丽红等创造性地采用将离心筛分和斜板沉降相结合的双作用酱后皮渣分离方法[6]。番茄籽粒物理特性参数是酱后皮渣机械化分离技术研究的基础，我国有关水稻、油菜、芡实和莲子等几何形态及物理特性研究报道较多[7-10]，但有关番茄籽粒相关物理特性的研究报道较少。本研究针对目前在新疆地区广泛种植的里格尔87-5加工番茄品种的籽粒进行研究，获得番茄籽粒的三轴尺寸、比重、千粒质量、滑动摩擦角和恢复系数等物理特性，为加工番茄酱后皮渣机械化分离关键部件的设计和数值模拟边界参数的确定提供依据。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验在石河子大学机电学院兵团农业机械重点实验室进行，采用新疆地区广泛种植的里格尔87-5加工番茄籽粒，测得试验所用籽粒的含水率为10%。去除杂质和不完整粒后，随机选取番茄籽粒作为待测粒，存放于试验样品盒中。

1.2试验方法

加工番茄籽粒的几何尺寸（三轴尺寸）、基本物理特性参数（千粒质量、比重）、滑动摩擦特性（接触材料为玻璃板、PVC板、不锈钢板）和恢复系数（接触材料为玻璃板、PVC板、不锈钢板，厚度3 mm）的测定方法严格按照相关标准及文献[11]中的规定方法进行，测定时随机抽取番茄籽粒，多次重复，结果取其平均值。

1.2.1几何尺寸的测定随机选取80粒番茄籽粒，用数字游标卡尺分别测量其长、宽、厚三轴尺寸（图1），每个尺寸重复测定3次并求其平均值，确定尺寸分布范围与平均值。因酱后皮渣中番茄籽粒的筛分分离主要依靠宽度尺寸差异实现，根据国标筛孔目数规定以及番茄籽粒宽度尺寸分布范围制作相应筛分试验机，将番茄籽粒按宽度尺寸进行分级，并为筛分分离提供依据。

1.2.2基本物理特性参数测定

1.2.2.1千粒质量的测定根据GB 5519—2008《谷物与豆类 千粒重测定》，千粒质量是指包含水分在内的1 000粒试样质量，测量时从样品中随机选取5份完整番茄籽粒，每份500粒，用DT-1002A电子秤（精度0.01 g）称其质量，每份样品平行测定2次，按公式（1）计算千粒质量。

mH=m0×1 000/N。（1）

式中：mH为番茄籽粒千粒质量，g；m0为完整粒的质量，g；N为m0中完整粒的粒数，粒。

1.2.2.2比重的测定比重是指在规定温度和操作条件下，粮食、油料净体积的质量与同体积水的质量之比，依据GB/T 5518—2008《粮油检验 粮食、油料相对密度的测定》，试验选用的试剂、仪器、用具分别为20%乙醇（95%乙醇21 mL加蒸馏水79 mL）、DT-1002A电子秤、量筒（分度值0.1 mL）。在室温（22±5） ℃下，向量筒中注入20%乙醇10 mL，然后加入试样约5 g，稍加摇动，逐出气泡，待液面平稳后，立即读取液体上升的体积数，重复测量3次，按公式（2）计算加工番茄籽粒比重。

d=m1/m2=m1/V。（2）

式中：d为加工番茄籽粒比重；m1为试样质量，g；m2为与试样同体积（V，mL）的水的质量，g，m2=V×d水，d水为水的密度，取1 g/mL。

1.2.2.3摩擦角测定滑动摩擦角ψ表示散粒物料与接触固体相对滑动时，散粒物料与接触表面间的摩擦特性，试验中采用斜面仪（图2）测定加工番茄籽粒的滑动摩擦角，测定所用的表面材料有玻璃板、PVC板、不锈钢板，具体方法如下：先将选定进行测试的加工番茄籽粒装在无底纸盒内并放置在斜面仪上，保证番茄籽粒与斜面充分接触，避免纸盒与斜面接触，缓慢摇动手柄使斜面倾角逐渐增大，当物料开始在斜面上下滑时，该斜面的倾角为加工番茄籽粒的滑动摩擦角。测试番茄籽粒在不同材料测试板上的滑动摩擦角，每种情况重复测试5次。

1.2.2.4恢复系数的测定恢复系数是碰撞后法向分离速度与碰撞前法向接近速度的比值[12]，表示颗粒物料被碰撞后能恢复到其原始状态（碰撞前）的性能，在农业工程领域中广泛应用。本研究结合恢复系数的基本定义，采用FASTCAM-10K系列Model 500高速摄像机、自制跌落仪及PC机构建加工番茄籽粒恢复系数测试装置（种子下落高度范围为400～600 mm）。所有加工番茄籽粒运动录像都通过高速摄像仪配套软件Blasters MAS进行处理，对加工番茄籽粒的运动录像进行解析，读取加工番茄籽粒碰撞前的法向接近速度与碰撞后的法向分离速度，恢复系数计算公式为[13]：endprint

e=vn′/vn。（3）

式中：vn′为物料碰撞后的法向分离速度；vn为物料碰撞前的法向接近速度。

2结果与分析

2.1加工番茄籽粒的三轴尺寸

表1显示，番茄籽粒长度分布范围为2.80～4.80 mm，平均长度为3.78 mm；宽度分布范围为2.10～3.68 mm，平均宽度为2.76 mm；厚度分布范围为0.65～1.15 mm，平均厚度为0.85 mm。可见，番茄籽粒的长度、宽度、厚度分布主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之间，分别占总粒数的96.25%、97.50%、96.25%。根据加工番茄籽粒三轴尺寸制作圆孔筛板，由于自制筛板存在一定的尺寸差异，通过测量筛板最大方向尺寸，三级筛板的平均圆孔直径分别为328、2.60、2.09 mm，筛分试验各尺寸段加工番茄籽粒百分比如图3所示。

从筛分试验结果可以看出，各尺寸段所占百分比和种子宽度方向尺寸分布基本吻合。因此，加工番茄酱后皮渣筛分滚筒筛孔直径设计可以参考种子宽度方向上最大尺寸。

2.2基本物理特性参数

由表2可以看出，加工番茄籽粒的千粒质量、比重的变异系数都较小，分别为0.5%、2.7%，其分散性相对较低。通过计算得到比重的期望值为6.44 g/mL，远大于水的密度，在酱后皮渣分离中，进入介质水中将立即下沉。千粒质量的期望值为3.08 g，单粒质量仅为0.003 08 g，在紊动较大的流体中，受流体扰动比较大，不能呈现自由沉降状态。

2.3加工番茄籽粒的滑动性能

由表3可知，加工番茄籽粒与PVC板的滑动摩擦角较大，为36.36°；与玻璃板的滑动摩擦角较小，为27.72°。在进行酱后皮渣机械化分离装置设计时，可根据所选不同材料调整沉降室等关键部件的倾斜角度。

2.4恢复系数

加工番茄籽粒碰撞前后的高速摄像运动轨迹分析如图4所示。每种材料重复测量3次，材料与水平面的夹角为30°。玻璃板、PVC板、不锈钢板恢复系数分别为0.282～0.386、0.261～0.358、0.327～0.428。

3结论

本试验结果显示，加工番茄籽粒长度、宽度、厚度分布分

别主要集中在3.20～4.40、2.10～3.30、0.65～1.05 mm之间。筛分试验表明，酱后皮渣筛分滚筒筛孔直径设计可以参考种子宽度方向上最大尺寸。加工番茄籽粒比重期望值为 6.44 g/mL，远大于水的密度，在酱后皮渣分离中，番茄籽粒进入介质水中将立即下沉。千粒质量的期望值为3.08 g，单粒质量仅为0.003 08 g，在紊动较大的流体中，受流体扰动比较大，不能呈现自由沉降状态。加工番茄籽粒与PVC板的滑动摩擦角较大，与玻璃板的滑动摩擦角较小，在酱后皮渣机械化分离装置设计时，可根据所选不同材料，调整沉降室等关键部件的倾斜角度。加工番茄籽粒下落高度为400～600 mm，碰撞板厚度为3 mm，与水平面夹角为30°的条件下，玻璃板、PVC板、不锈钢板的恢复系数分别为0.282～0.386、0.261～0.358、0327～0.428。

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