储藏期与储藏压力对稻谷籽粒压缩特性的影响研究

唐福元 程绪铎

(南京财经大学食品科学与工程学院;江苏省现代粮食流通与安全协同创新中心, 南京 210046)

稻谷为人类提供能量、维生素、矿物质、稀有氨基酸，是三分之二世界人口的主食[1]。在我国，稻谷的种植面积约3×107亩，每年生产的稻谷约2.0×108t[2]。由于我国稻谷的种植面积广阔与各地复杂的气候条件，巨大数量的稻谷安全储藏是一个重要问题。

储藏期间，稻谷承受压缩载荷，如果筒仓中稻谷堆很高，仓底部的稻谷承受的压力就很大。这个压力超过了稻谷籽粒的抗破裂的力值时，稻谷籽粒将会破裂，破裂的籽粒更容易受到微生物的攻击[3]。尽管一些储藏压力不足以使籽粒破裂，但它造成籽粒内部结构损伤，使得籽粒的弹性、抗变形能力、抗破裂能力减小。籽粒的结构损伤和破裂影响种子的发芽率及储藏能力和烹饪质量[4]。同时，储藏的时间越长，稻谷籽粒结构损伤越大。因此，研究储藏压力与储藏时间对稻谷籽粒结构损伤的影响是有意义的。

谷物籽粒压缩特性的研究始于20世纪60年代。Prasad 等[5]研究稻谷籽粒准静态压缩时的压缩特性，结果指出：含水量从12%到24% d.b.时，稻谷籽粒最大的压缩强度从160.7 N减小到40.6 N，韧性模量从3.96 mJ变化到 30.87 mJ，并且含水量在14～16% d.b.之间韧性模量有一个最大值。 Altuntas 等[6]报道，含水量从9.89% 增加到25.08% d.b.时，豌豆籽粒短轴压缩的破坏力从551.43 N减小到 548.75 N。

迄今为止，大多数研究只关注谷物品种、含水率、压缩速率对稻谷籽粒压缩特性的影响，鲜有关于储藏压力、储藏时间对谷物籽粒压缩特性的影响的研究。因此，本研究将稻谷储藏在圆筒容器中，顶部加压，模拟稻谷在筒仓中受压储藏，以期研究储藏压力、储藏时间对稻谷籽粒破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、最大接触应力的影响。

1 材料与方法

南粳5055稻谷，产地南京，籽粒长轴、中轴、短轴分别为6.8178、3.4369、2.3038 mm。 使用标准干燥法(ASAE, 2001b)[9]在130 ℃干燥19 h测定稻谷原始含水量，原始含水量为12.9% w.b.。

1.1 稻谷储藏的压力

LHT-1 回弹模量仪用来储藏稻谷，回弹模量仪配有位移记录表、圆筒容器、长杆、一套砝码(见图1)。

图1 LHT-1回弹模量仪示意图

将回弹模量仪的圆筒容器内填满稻谷，轻轻敲打圆筒容器，将盖子加在圆筒容器的顶部，然后将竖直压力通过长杆和砝码加在盖子上。通过加不同的砝码，圆筒容器中粮堆顶部获得竖直压力为：50、 100、 150、 200、 250、300 kPa。 顶部压力分别为50、100、150、200、250、300 kPa 时，稻谷储藏在6个回弹模量仪的圆筒容器中持续60 d。另外实验研究顶部压力分别为100、200 kPa 时稻谷储藏在2个回弹模量仪的圆筒容器中持续20 d。储藏期间，室温保持20 ℃。储藏期间，固定时间间隔测定期稻谷堆下沉值。

稻谷储藏在圆筒容器中，顶部竖直压力为σ1,底部竖直压力为σ3, 侧面压力为σ2. 由于筒壁摩擦阻力的作用，稻谷堆不同深度的应力是不同的。

图2 圆筒中稻谷薄片受力图

作用在圆形薄层的竖直方向合力为零，则平衡方程为：

在先生看来，翻译包含译材和译法，其中译法是关键，而译法又分为译笔和译名，其中译名格外重要。先生认为这里的名指一切词品，不限于名、静、动词，这实际上已将译名扩展为词语翻译。接下来，先生一一分析了五种译名的方法。音义分译始于佛经翻译，但佛经里这类译名很少，试而未效；音义兼译于译者两全其美，实则吃力不讨好；造译更加少见且极费力、不方便，此三者都不是译名的通行译法。剩下的音译与义译是主要译法,占译名的绝大多数,也是近年译名辩论的焦点。因此先生也重点考察了音译与义译及其关系。

(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0

(1)

稻谷堆侧压应力与竖直压应力的关系为：

(2)

式(2)代入式(1)再积分方程与式(1)得深度y处的竖直压应力为：

(3)

式中：p0为稻谷堆顶部的压应力/kPa。

1.2 稻谷籽粒压缩实验

选取回弹模量仪的圆筒容器中稻谷堆顶部与底部的籽粒进行压缩实验，由于稻谷籽粒的椭球形状，使用质构仪(Brookfield Company, USA)只对籽粒短轴进行压缩。实验前选择10个籽粒进行预实验，确保每次籽粒压缩的方位一致。对于每次实验，随机选择30个籽粒进行压缩，实验数据取30个压缩数据的平均值。为了尽量接近静态压缩，质构仪的探头压缩速率应尽可能小，因此，选择压缩速率为0.02 mm/s。每个籽粒压缩直到籽粒破裂为止，在力-变形曲线上，最高点的力就是破坏力，破坏能就是破裂点前的力-变形曲线下的面积，破坏应变为籽粒破坏时的变形量与原始长度之比。

短轴方向压缩稻谷籽粒，籽粒曲率半径R、R′ 和参数cosθ按式 (4)、式(5)、式(6)计算。

R=[(X/2)2+(Z/2)2]/Z

(4)

R′=[(Y/2)2+(Z/2)2]/Z

(5)

cosθ=(1/R″-1/R′)/(1/R″+1/R′)

(6)

对于平行平面压缩，由赫兹接触应力理论，稻谷籽粒表观接触弹性模量为：

(7)

方程(7)中的K由表1得到。(pv+dpv)A+μphCdy-pvA-ρgAdy=0是泊松比，取值0.4。

压缩探头与稻谷籽粒接触面的半长轴a与半短轴b按式(8)、式(9)计算：

(8)

(9)

最大接触应力发生在破裂时的压缩探头与稻谷籽粒接触面的中心。按方程(10)计算，式中m、n由表1得到[10]。

(10)

2 结果与讨论

2.1 储藏压力对稻谷压缩特性的影响

陆琳琳[11]测定了南粳5055稻谷的堆密度、内摩擦角、摩擦系数。基于其报道，一些稻谷储藏力学参数在表2中列出。依据式(2)和式(3), 计算出圆筒底部稻谷堆竖直压力，由于仓壁的摩擦作用该些压力小于对应的顶部压力，在表2中列出。

表2 不同顶部压力下稻谷的密度、内摩擦角、摩擦系数、底部压力

不同的储藏压力下储藏60 d的稻谷压缩特性在表3中列出。表3中数据表明：储藏压力从0增加到300 kPa，稻谷籽粒破坏力从 81.6 N减小到73.8 N， 这可能是储藏压力改变了稻谷籽粒的结构从而需要更小的力去破坏它，南粳5055籽粒破坏力的平均值为77.7 N，小于Sorkheh 品种的破坏力169.09 N 和Sazandegi品种的破坏力125.01 N[7]，这种差别是由于南粳5055籽粒结构松软而Sorkheh 和 Sazandegi 品种结构刚硬；储藏压力从0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒破坏能从 8.10 mJ减小到6.27 mJ；稻谷籽粒破坏应变从 0.139减小到 0.117；储藏压力从0 kPa增加到300 kPa，稻谷籽粒表观接触弹性模量从171.3 MPa减小到57.7 MPa，南粳5055籽粒表观接触弹性模量 (171.3～57.7 MPa) 小于Sazandegi品种的值 (556 MPa)[7]，这可能是由于Sazandegi 品种结构刚硬且有好抵抗弹性变形的能力，而南粳5055籽粒松软易变形；储藏压力从0 kPa增加到300 kPa，最大接触应力从40.8 MPa减小到19.1 MPa，这些值位于最大接触应力范围(11.3～455.4 MPa)之间。

这些压缩特性都与储藏压力相关，其关系用线性方程表示为y=bpv+c,pv表示储藏压力; b和c的值在表4中列出。

表4 线性方程的b和c的值

稻谷储藏在半径15 m、高30 m的筒仓中，仓底的稻谷承受的竖直压力约为160 kPa，在储藏压力0～300 kPa的范围内，研究结果可用于预测稻谷储藏时籽粒结构的损伤。

表3 不同储藏压力下稻谷的压缩特性

表5 不同储藏时间与不同储藏压力下的稻谷籽粒压缩特性

注：每一个储藏压力中的第二行数值是对应误差。

2.2 储藏时间对稻谷压缩特性的影响

在不同的储藏时间和不同的储藏压力下的稻谷籽粒的破坏力、破坏能、破坏应、表观接触弹性模量、最大接触应力的平均值在表5中列出。

从表5中看出，在相同的储藏压力下，稻谷籽粒的每一个压缩特性都随着储藏时间的增加而减小。这可能是长时间的储藏导致稻谷籽粒的结构损伤，因此，抵抗籽粒破坏的能力降低。

数据的差异分析表明储藏压力对稻谷籽粒的破坏力、破坏能、破坏应、最大接触应力有显著影响(P<0.05)，对稻谷籽粒的表观接触弹性模量有显著影响(P<0.01)。储藏时间对稻谷籽粒的所有压缩特性有显著影响(P<0.01)。

2.3 储藏温度与储藏含水率对稻谷籽粒压缩特性的影响问题

本实验采用的稻谷的含水量为12.9% w.b.，储藏温度20 ℃。实验只测定了不同储藏时间与不同储藏压力的籽粒压缩特性，给出了储藏压力与储藏时间对籽粒压缩特性的影响规律，未能给出储藏温度、储藏含水率对籽粒压缩特性的影响规律。储藏温度越高，籽粒的结构损伤越大；储藏含水率越高，籽粒的结构越松软；因此，储藏温度、储藏含水率影响籽粒压缩特性。实验可以进一步定量分析储藏温度、储藏含水率对籽粒压缩特性的影响规律。

3 结论

稻谷籽粒的破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、最大接触应力随着储藏压力的增加而减小，稻谷籽粒的每一个压缩特性与储藏压力都呈线性关系。

稻谷籽粒的破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、最大接触应力随着储藏时间的增加而减小，稻谷籽粒的每一个压缩特性与储藏时间都呈线性关系。

稻谷籽粒的破坏力、破坏能、破坏应变、表观接触弹性模量、最大接触应力的最大值都是在零储藏压力与零储藏时间获得，这表明长时间大压力储藏稻谷损伤籽粒结构，减小其抵抗破裂的能力。