稻谷籽粒的压缩特性与储藏压力关系的研究

严晓婕 程绪铎 冯家畅

（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）

稻谷籽粒的压缩特性与储藏压力关系的研究

严晓婕1，2程绪铎1，2冯家畅1，2

（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）

选取南粳5055品种稻谷为试验样品，使其在6个LHT－1型回弹模量仪中储藏2个月，顶部分别加载50、100、150、200、250和300 kPa。利用Brookfield质构仪对回弹模量仪装样筒内的顶部与底部样品进行压缩实验。结果表明：储藏2个月，储藏压力为0～300 kPa，稻谷籽粒的最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变、表观接触弹性模量和最大接触应力的变化范围分别为81.58～3.78 N，8.10～6.27 MJ，0.139 2～0.116 8，71.32～57.68 MPa，40.84～19.11 MPa。随着稻谷储藏压力的增加，最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变、表观接触弹性模量和最大接触应变皆减小。

稻谷籽粒 储藏压力 压缩特性

我国是稻谷生产大国，稻谷种植面积现已达到3×107亩，总产量超 2.0×108t[1]。因生态区域气候条件多样，大量稻谷的储藏安全问题不容忽视。稻谷籽粒在储藏过程中易受到压缩载荷，在一定的粮堆高度内，若粮堆较高，则深处的稻谷籽粒受到的竖直压力较大，当压力超过了稻谷籽粒能承受的范围，稻谷籽粒就会产生变形，甚至破裂，从而改变或破坏了它的颗粒质构，也改变了它的生理状态和活动环境，影响安全储藏，使其更容易受微生物的侵蚀，进而影响仓储企业的整体效益[2]。因此，研究储藏压力对稻谷籽粒的压缩特性影响非常重要。

国内外学者对谷物力学特性的研究起步始于20世纪60年代。Prasad等[3]研究含水率在12%～24%范围内时，稻谷在准静态压缩载荷作用下的特性。随着含水率的增加，稻谷的最大压力范围为160.7～40.6 N，并呈现逐渐减小的趋势，韧性模量范围为3.96～30.87 MJ。Chattopadhyay等[4]研究出了 IR－8品种糙米的黏弹性与时间和含水率的关系方程。Sadeghi等[5]测定了Sorkheh和Sazandegi这2个品种的稻谷3种水分下的平均破坏力、破坏能、弹性模量和韧性。结果表明：稻谷的品种和含水率都对稻谷的力学特性有显著影响。刘传云等[6]利用材料性能测试机按美国农业与生物工程师协会ASAE S368.4 DEC2000（R2006）标准对大豆样品进行了压力试验，得到大豆的表观接触弹性模量。并且通过对大豆试样的力与变形量曲线分析，发现大豆样品压缩时没有明显的屈服点。在破裂点前，力与变形基本呈线性关系。张洪霞等[7]采用平板加载压头对稻米籽粒进行应力松弛试验，研究了含水率对稻米籽粒应力松弛特性的影响，通过多项式回归分析建立了稻米籽粒应力松弛各力学指标随含水率变化关系的数学模型，结果表明不同含水率稻米的松弛模量随含水率的增加而减小，且稻米的黏弹性还与温度有关。

相关研究大都集中在水分、品种等对稻谷籽粒压缩特性的影响，储藏压力对稻谷籽粒压缩特性的影响研究鲜见相关报道。本试验针对6个顶部储藏压力下储藏2个月后的南粳5055品种稻谷，对其籽粒的压缩特性参数（最大破坏力、最大破坏能、最大破坏应变、表观接触弹性模量、最大接触应力）进行了测定，并研究了储藏压力对稻谷籽粒压缩特性的影响。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验所用稻谷品种为南粳5055，于2013年收获于南京高淳，原始水分为12.95%，试验前已在室温下储藏3个月，表1为其尺寸图（稻谷一般呈椭圆形，一共有3个直径，最大直径，最小直径，中直径）。

表1 样品尺寸/mm

1.2 试验仪器

Brookfield质构仪：CT3（50 kg），美国产；游标卡尺：测量精度0.01 mm，中国桂林产；HG202－2（2A/2AD）电热干燥箱：南京盈鑫实验仪器有限公司生产；AL204型分析天平：上海嘉定粮油仪器有限公司生产；JSFD－粉碎机：上海嘉定粮油仪器有限公司生产；LHT－1型粮食回弹模量仪：南京土壤仪器厂有限公司。

1.3 原理与方法

1.3.1 粮堆加压储藏试验原理

将稻谷样品装入回弹模量仪的装样筒里，顶部加盖防潮布并施加载荷，在竖直压力作用下稻谷堆无侧向膨胀，竖直方向上长度受压缩短，体积减小，但密度随之增大。

开始试验后，稻谷受到来自传压板的竖直压应力σ1，底座对稻谷垂直向上的支持压应力σ4，钢筒侧面的侧压应力σ2、σ3。筒中稻谷样品应力分布如图1所示。图2为LHT－1型粮食回弹模量实物图。

图1 稻谷样品应力分布

图2 LHT－1型粮食回弹模量实物图

采用微元法求样品在试验过程中所受的平均竖直压应力，装样筒半径是R，粮堆高度是H，筒壁和粮食间摩擦系数为μ，粮食内摩擦角为φ。装样筒内稻谷堆表面下深度y处稻谷微元受力示意图如图3所示。

图3 装样筒内稻谷微元受力

作用于微元体上竖直方向的力相互平衡，合力等于零：

式中：pv为稻谷微元体的竖直压应力，ph为稻谷微元体的侧向压应力，ρ为稻谷的容重，g为重力加速度，A为筒的横截面面积。

稻谷在筒内受压时处于主动应力状态，侧向压应力与竖直压应力的比为：

式中：p0为上表面压应力。

1.3.2 粮堆加压储藏试验方法

装样：将回弹模量仪装样筒清理干净，连续匀速的倒入样品，将样品表面铺平之后，盖上传压板，并加盖防潮布，保证传压板上表面与装样筒上端齐平。

保持横梁拉杆垂直，转动平衡锤调整杠杆至水平，用M16螺母固定平衡锤。

旋转传压螺钉与传压板接触，调整0～30 mm百分表的触头位置，注意百分表的预压量达29 mm，调零。

根据试验要求，对6个LHT－1型粮食回弹模量仪分别加载 50、100、150、200、250、300 kPa的压力砝码。

随着试样的下沉，杠杆向下倾斜，为防止杠杆倾斜影响加荷精度，调节调平手轮，使杠杆处于水平位置。

按时间读取百分表的读数，记录时间、沉降量两

将式（2）代入式（1），并对其进行积分得稻谷样品深度y处的竖直压应力为：个数据，直到储藏试验结束。

1.3.3 稻谷籽粒的压缩试验原理与方法

用游标卡尺测定稻谷的长轴（X轴），中轴（Y轴），短轴（Z轴）的长度，以下为Z轴压缩时，利用式（4）～式（6）计算出稻谷与压力板接触部分的曲率半径R、R′和参数cosθ。

图4 稻谷籽粒尺寸示意图

由于稻谷为椭圆形状籽粒，根据ASAE S368.4DEC2000（R2006）标准的压缩工具选定条件，选择压缩底座为TA－RT－KIT，压缩探头为TA10进行压缩。由于稻谷的形状限制，只能对其Z轴进行压缩试验。

根据 ASAE S368.4DEC2000（R2006）标准，每种样品必须重复20次以上才得到有效结果，因此本试验每种压力下储藏的样品都重复进行30次压缩。

根据 ASAE S368.4DEC2000（R2006）标准，将得到的实验数据用赫兹公式（7）计算出稻谷的表观接触弹性模量 E[8]。

式中：E为表观接触弹性模量/MPa；F为加载载荷/N；D为形量/m；μ为泊松比；R、R′为稻谷与探头或底座接触处稻谷的曲率半径/m；K为中间常数，由表 2查得[8]。

表2 不同θ角下的m，n和k值

样品与压缩探头的接触面的长半轴a和短半轴b通过式（10）和式（11）计算而得。而最大接触应力由a、b值进一步计算而得。

式中：FR为稻谷籽粒的最大破坏力/N；m，n为常量，由表2查询而得。

根据测出的30个样品的压缩力与位移的关系作出其压缩作用力与压缩变形量的变化曲线，曲线对应的最高点的力即压缩的最大破坏力，此点对应的横坐标数值即压缩破裂时的最大破坏变形量，而压缩作用力曲线与最大变形量之间的面积即压缩的最大破坏能。

2 结果与分析

该品种稻谷不同顶部压力下的容重、内摩擦角和摩擦系数，结果见表3[9]。根据式（3）计算可得稻谷在装样筒底部受到的垂直压强，结果如表3所示。

表3 不同顶部压力下的稻谷容重、内摩擦角、摩擦系数和底部竖直压力

2.1 稻谷籽粒压缩变形量与载荷的关系曲线

对不同顶部压力下储藏2个月的稻谷籽粒的压缩特性进行测定，其压缩作用力与压缩位移的关系图形如图5所示（以储藏压力为100 kPa的稻谷为例）。

图5 稻谷籽粒压缩作用力与变形量的关系曲线

由图5可得出，随着压缩形变的增加，稻谷籽粒的压缩作用力逐渐增加，当到达破裂点时，压缩作用力急速下降，且稻谷籽粒在压缩时无屈服点。

2.2 不同储藏压力储藏后的稻谷籽粒的压缩特性参数

在不同储藏的压力下储藏，稻谷籽粒的压缩特性会发生变化。利用Brookfield质构仪对不同压力下储藏的稻谷籽粒的最大破坏力、最大破坏能、最大破坏形变进行测定，并通过公式（9）和（12）得到其弹性模量和最大接触应力，结果如表4所示。

表4 不同储藏压力下储藏后的稻谷籽粒的压缩特性参数

2.3 稻谷籽粒压缩特性与储藏压力的关系

根据表4的数据做图，可以得到储藏压力与稻谷籽粒的各项压缩特性的关系，如图6～图10。

在储藏压力为0～300 kPa时，稻谷籽粒的最大破坏力从81.58 N减少到73.78 N，几乎呈线性负相关，根据结果可拟合方程为FR＝－0.026 6pv＋81.85（R2＝0.99），其中pv表示储藏压力（kPa），pv∈[0，300]；FR表示稻谷籽粒的最大破坏力（N）。

图6 稻谷籽粒的最大破坏力与储藏压力的关系

在储藏压力为0～300 kPa时，稻谷籽粒的最大破坏能变化范围为6.27～8.10 mJ，几乎呈线性负相关，根据结果可拟合方程为ER＝－0.006 3pv＋8.020 1（R2＝0.979 3），式中：pv为储藏压力/kPa，pv∈[0，300]；ER为稻谷籽粒的最大破坏能（m J）。

在储藏压力为0～300 kPa时，稻谷籽粒的最大破坏应变变化范围为0.116 8～0.139 2，几乎呈线性负相关，根据结果可拟合方程为ε＝－8×10－5pv＋0.137 5（R2＝0.958 2），式中：pv为储藏压力/kPa，pv∈[0，300]；ε为稻谷籽粒的最大破坏应变。

图7 稻谷籽粒的最大破坏能与储藏压力的关系

图8 稻谷籽粒的最大破坏应变与储藏压力的关系

在储藏压力为0～300 kPa时，稻谷籽粒的弹性模量变化范围为171.32～57.68 MPa，几乎呈线性负相关，根据结果可拟合方程为E＝－0.387 4pv＋163.1（R2＝0.970 9），式中：pv为储藏压力/kPa，pv∈[0，300]；E为稻谷籽粒的弹性模量。

图9 稻谷籽粒的弹性模量与储藏压力的关系

在储藏压力为0～300 kPa时，稻谷籽粒的最大接触应力变化范围为40.84～19.11 MPa，几乎呈线性负相关，根据结果可拟合方程为Smax＝－0.074 4pv＋39.922（R2＝0.981 2），式中：pv为储藏压力/kPa，pv∈[0，300]；Smax为稻谷籽粒的最大接触应力。

图10 稻谷籽粒的最大接触应力与储藏压力的关系

3 结论

在储藏压力为0～300 kPa条件下储藏2个月，南粳5055稻谷籽粒的压缩特性与储藏压力的关系如下：

稻谷籽粒的最大破坏力随着储藏压力的增大而减小，变化范围为81.58～73.78 N；稻谷籽粒的最大破坏能随着储藏压力的增大而减小，变化范围为8.10～6.27 MJ；稻谷籽粒的最大破坏应变随着储藏压力的增大而减小，变化范围为0.139 2～0.116 8；稻谷籽粒的弹性模量随着储藏压力的增大而减小，变化范围为171.32～57.68 MPa；稻谷籽粒的最大接触应力随着储藏压力的增大而减小，变化范围为40.84～19.11 MPa。

[1]Sun X.Analysis of ricemarket in 2012 and the trend outlook in 2013[J].Cereals＆Oils，2013，26（4），44－47

[2]张洪霞，马小愚，雷得天.大米籽粒压缩特性的试验研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2004，16（1）：42－45

[3]Prasad S，Gupta C P.Behavior of paddy grains under quasi－static compressive loading[J].Transactions of the ASAE.1973，16（2）：328－330

[4]Chattopadhyay P K，Hamann D D，Hammerle JR.Effect of deformation rate and moisture content on rice grain stiffness[J].Cereal Chemistery，1981，25（4）：117－121

[5]Sadeghi M，Araghi H A，Hemmat A.Physico－mechanical properties of rough rice（Oryza sativa L.）grain as affected by variety and moisture content[J].Agricultural Engineering International：CIGR Journal，2010，12（3）：129－136

[6]刘传云，张强，毛志怀.大豆表观接触弹性模量的测定[J].粮食与饲料工业，2007（10）：12－14

[7]张洪霞.含水率对稻米籽粒应力松弛特性影响的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报，2009，21（1）：37－39

[8]American Society of Agriculture and Biological Engineers ASAE S368.4 DEC2000，Compression Test of Food Material of Convex Shape[S].2006：72－76.

[9]陆琳琳.高大平房仓内粮食摩擦与压缩特性研究[D].南京：南京财经大学，2012.

The Experimental Research on the Relationship of Compressional Properties of Paddy Grains and Storage Pressure

Yan Xiaojie1，2Cheng Xuduo1，2Feng Jiachang1，2

（College of Food Science and Engineering，Nanjing University of Finance and Economics1，Nanjing 210046）（National Engineering Laboratory for Grains Storage and Transportation2，Nanjing 210046）

In the paper，the paddy grains Nanjing 5055 had been stored in six LHT－1 reboundmodulus testers for 2 months under top pressures of 50，100，150，200，250 and 300 kPa respectively.An experimental study was established to determine the compressional properties of paddy grains by Brookfield Texture Analyzer.The paddy grains for testwere chosen from the top and bottom of the silo.The results showed that alongwith the storage pressure increasing from 0 to 300 kPa，the rupture force of paddy grains was decreased from 81.58 to 73.78 N，the rupture energy from 8.10 to 6.27 MJ，the rupture strain from 0.139 2 to 0.116 8，the apparent contactmodulus of elasticity from 171.32 to 57.68 MPa and the maximum contact stress from 40.84 to 19.11 MPa.All of the compressional properties of the paddy grains expressed a negative linear relationship with storage pressure.

paddy grains，storage pressure，compressional properties

TS210.4

A

1003－0174（2015）10－0078－05

国家自然科学基金（31371865），公益性行业科研专项（201313001）

2014－04－08

严晓婕，女，1991年出生，硕士，粮食储藏工程

程绪铎，男，1957年出生，教授，粮食储藏工程