浸水藜谷的机械特性研究

赵子龙，郭占斌，杜文亮，吴英思，海 梅

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018;2.内蒙古益稷生物科技有限公司,呼和浩特 010011)

0 引言

藜麦是一种营养极高的“类全谷物”，不仅富含蛋白质及钙、铁、锌和维生素E等微量元素，而且含有全部必要氨基酸，并富含植物化学物质，深受大众青睐，具有非常广阔的市场前景[1]。从成熟后藜麦茎秆上收获的果实称带壳藜谷，主要由颖壳和藜谷组成，外部为颖壳，颖壳内部分称藜谷。藜谷的外观类似于扁圆柱体形状，外表被一层薄薄的水溶性的皂苷包裹，其内侧为藜麦米[2]，从带壳藜谷到藜麦米变化如图1所示。带壳藜谷除去表层颖壳后就变成藜谷，藜谷经过去皂处理后就变成藜麦米。藜谷外壁薄薄的皂苷具有药理和生物活性作用，如抑菌、抗肿瘤作用及防治心血管疾病等，而且还可用来制作食品天然甜味剂、保护剂、发泡剂、增味剂及抗氧化剂等[3-5]。但是，藜麦由于皂苷的原因而味苦涩，严重影响口感[6]，而且还是一种抗营养物质，过量会对人体肠道产生刺激作用，妨碍某些营养物质的吸收[7]。因此，去除藜谷外表的皂苷是藜麦加工过程中必不可少的一道关键工序。2013年，国际藜麦年正式推荐藜麦为最适宜人类完美的全营养食品，才引起世人的重视[3]。国内市场藜麦加工设备较少，部分采用小米脱皮设备进行藜谷去皂苷，碎米率较高，利用率较低[6]；国外大部分均采用水洗法完成去皂苷工艺，水量消耗较大，有价值的营养物质也会流失，甚至藜麦中化学组成和氨基酸含量也会随之改变[8]，严重制约着藜麦的规模化生产。影响浸水藜谷机械去皂的因素有很多。其中，去皂工艺和加工对象对设备去皂性能影响显著，因此开展了机械特性试验。本文对藜谷的外形尺寸进行了测量统计，选取藜谷粒径分布比例最大的1.6～1.7mm之间的藜谷进行不同浸水时间的机械特性研究，得出藜谷受压时变化规律，以研究藜谷去皂工艺机理，为藜谷去皂设备的设计提供技术数据。

(a) 带壳藜谷 (b) 藜谷 (c) 藜麦米 1.藜谷 2.颖壳图1 带壳藜谷-藜麦米变化图Fig.1 The chart of the unhusked quinoa-quinoa rice

1 藜谷几何尺寸测定及分级

1.1 试验材料

采用内蒙古自治区乌兰察布市凉城县2016年11月收割放置了5个月的藜谷为试验材料，品种为蒙藜1号，含水率为8%。

1.2 试验仪器

游标卡尺(测量范围0～150mm，精度0.02mm);直径分别为1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0mm的圆孔筛;电子秤(测量范围0～2kg，精度0.01g)。

1.3 方法与结果

藜谷籽粒较小，形似短圆柱体或扁球体，最大横截面近似圆形，藜谷的直径为最大截面的直径，高度为最顶端面和最底端面之间的距离。

采用四分法取样法取3组藜谷，每组50粒，用游标卡尺分别测量每粒藜谷的直径和高度，重复上述过程3次，取平均值，列入表1中。

表1 藜谷几何尺寸Table 1 The gemetric dimension of quinoa mm

随机取1 000g藜谷，分别用圆孔直径为1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0mm的圆孔筛，进行分级,结果如表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之间，藜谷所占百分比最多，能够体现群体特征，因此选粒度所占比例较多的藜谷进行试验。

2 机械性能试验

2.1 试验仪器及参数设置

TMS-Pro食品物性分析仪(质构仪)：力感应源型号为GS-1A，可测范围0～2500N,力量精度0.000 1N，位移精度0.1um(美国FTC公司)；200mL烧杯；干毛巾。

藜谷外形尺寸较小，变形量较小，选用直径为10mm的加载探头，变形百分量为25%,测试前速度为30mm/min，测试速度为2mm/min，回程速度为30mm/min，起始力为0.7N。

1.力量感应元 2.加载探头 3.转换头 4.样品平台图2 TMS-Pro 食品物性分析仪Fig.2 TMS-Pro food texture analyzer

2.2 方法与结果

2.2.1 藜谷的破坏力、破坏能随浸水时间变化结果

藜谷呈短圆柱体或扁球体，直径方向的尺寸比高度方向尺寸大很多，无法以直径方向测定，仅能以自然放置状态下测定，即藜谷的高度方向上测定机械特性。另取55粒，分11组，每组5粒，依次增加浸水(常温20℃)时间为3min；浸水后及时用干毛巾擦去表面水分，放置在质构仪样品平台上，进行破坏性试验。

图3为0～30min时的藜谷破坏力随浸水时间变化曲线图；图4为0～30min时的藜谷破坏能随浸水时间变化曲线图。藜谷在浸水过程中时，由于自身含水率较低，含水量小，硬度高，承受载荷的能力强，所需破坏皂苷壳的力大；随着浸水时间增加，含水量升高，藜谷内部组织开始软化，承受载荷的能力随之下降；含水量继续升高到24min后趋于饱和，破坏力稳定于10.5N，此时去除皂苷所需的力明显较小，最有利于皂苷壳的去除。由图4可知：藜谷随着浸水时间增加，破坏能逐渐减小，最后趋于平稳。破坏能由5.87mJ逐渐减小， 24min之后，破坏能趋于稳定值0.86mJ。破坏能表示藜谷在外力情况下破裂皂苷壳的难易程度，破坏能越大在外力作用下越不易破裂。在24min之后，破坏能最小，藜谷在外力作用下更容易使皂苷壳破裂。

图3 浸水藜谷破坏力—时间曲线Fig.3 The destructive force-time curve of inundated Quinoa

图4 浸水藜谷破坏能—时间曲线Fig.4 The destructive energy-time curve of inundated Quinoa

图5为0～3min时的藜谷破坏力随浸水时间变化曲线图；图6为0～3min时的藜谷破坏能随浸水时间变化曲线图。

藜谷在刚刚浸水后，表层皂苷最先接触水，随着浸水时间增加，部分皂苷逐渐软化，浸水时间达到24s时，皂苷吸水量最大而破坏力降到最小；随着继续浸水，部分皂苷慢慢溶于水，藜麦米部分逐渐显露，破坏力不断增大，浸水时间达到36s时，破坏力增大到最大；随着继续浸水，附有未完全溶解皂苷的藜谷含水量逐渐增加，藜谷内部不断软化，破坏力则逐渐减小。破环能变化趋势与破坏力的变化趋势一致。

图5 浸水藜谷破坏力—时间曲线Fig.5 The destructive force-time curve of inundated quinoa

图6 浸水藜谷破坏能—时间曲线Fig.6 The destructive energy—time curve of inundated quinoa

2.2.2 藜谷的弹性模量

另取55粒藜谷，标号为1～11组，每组5粒,每组按3min累加时间浸水，及时用干毛巾擦去表面水分，放置在质构仪样品平台上进行压缩试验。

根据测得实验数据，可以采用式(1)计算藜谷弹性模量，其随浸水时间变化情况如图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—带壳藜谷表观接触弹性模量(MPa)；

K—接触物主曲率半径决定的常数；

F—加载载荷(N)；

μ—带壳藜谷泊松比，变化范围为0～0.5，参考小麦、玉米和大豆的泊松比，选择带壳藜谷泊松比为0.4；

D—藜谷高度上压缩变形量(mm)；

R、R′—压缩时带壳藜谷表面接触点处的主曲率半径(mm)；

l、b、h—藜谷的长度宽度高度(mm)，l≈b；

t—带壳藜谷上表面与探头接触点处2个接触主平面间的夹角[9-15]。

根据试验测得带壳藜谷的几何尺寸，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)得出弹性模量后绘制曲线，如图7和图8所示。

由图7、图8可以得出：随着浸水时间增加，藜谷的含水量不断增加，压缩力和弹性模量不断减小，变形量不断增大，在浸水时间达到27min后，三者均趋于平稳。弹性模量是用来衡量藜谷的弹性变形难易程度，其值越大，使藜谷发生弹性变形的力也越大，越不易变形。如图7、图8可知：浸水27min后，弹性模量最小且基本恒定，弹性变形能力最强，在藜谷去皂苷壳的过程中抗破坏能力最强。

图7 藜谷弹性模量—浸水时间曲线Fig.7 The elastic modulus—inundated time curve of quinoa

图8 藜谷压缩力、变形量—浸水时间曲线Fig.8 The compression force，deformation—inundated time curve of quinoa

3 结论与建议

1)浸水时间对藜谷机械特性具有显著影响，当浸水时间达24min，破坏力和破坏能均最小且保持稳定，表明此时去除皂苷壳所需的力小,所消耗的能量小，易于去壳。当浸水时间达27min时，弹性模量小，变形量大，表明在去皂过程中藜谷变形所需力较小，弹性变形恢复能力较强，抵抗去壳加工时破坏的能力也较强，碎米率会降低。

2)从减少藜谷机械损伤的角度和能耗方面综合考虑，适宜浸水时间应控制在27min。

3)建议进一步研究不同含水率的藜谷在复杂力系作用下的机械特性。