大蒜蒜皮分离力学特性试验研究

李心平，孙臣臣，王升升

（河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471003）

0 引言

大蒜是人们日常生活中经常食用的一种调味品，是著名的医药两用植物，在我国种植分布广泛，全国各地基本均有种植[1]。我国已成为世界上最大的大蒜生产、消费和出口国，大蒜出口量占世界大蒜贸易量的90%[2-3]，但是我国大蒜收获机械化水平较低，尤其是深加工中的蒜皮分离环节，仍以人工为主。

农业物料力学是农业工程的基础研究领域之一[4]。蒜皮分离是大蒜深加工产业中的基础和核心环节，由于蒜皮厚度较小，脆性大，使得蒜皮不易连续剥离，且蒜米易受损伤，增大了大蒜去皮机械的难度，因此，亟需对大蒜蒜皮开展力学特性研究。贾生涛等[5]进行了大蒜物料力学特性的研究，得出含水率和加载速度对大蒜压碎力有显著性影响，大蒜在亚克力、有机玻璃、不锈钢接触面的最大摩擦角依次增大；徐陶[6-7]对大蒜种子的外形参数特征、重心相对位置、休止角、最大静摩擦角、悬浮特性、抗破坏性等物理特性进行研究，得出蒜瓣的弧面在受同等压力作用下更容易受到损伤；BAYAT F[8]研究了含水率对大蒜表皮力学特性的影响，得出大蒜表皮断裂时的应力和应变；KAUR M[9]通过对剥皮和未剥皮的大蒜进行摩擦性能试验，得出胶合板和镀锌铁板2 种材质表面的休止角和外摩擦系数；陈红[10]进行了宽皮柑橘的剥皮力学特性果皮分离特性试验研究，得出剥皮方向对剥皮特性和剥皮速度对果皮分离最大拉力值具有显著性影响，并将剥皮过程分为类弹性阶段、类屈服阶段和分离阶段；史诺[11]进行了棉秆挤压剥皮剪切力学特性试验，得出加载强度对切向剥皮剪切强度影响显著；陈争光等[12-14]进行了玉米秸秆皮拉伸和剪切特性试验，得出剪切速度和含水率对剪切强度影响较显著；张宁等[15-16]进行了谷子茎秆和叶片的切割和拉伸试验，得出切割速度对茎秆极限切应力影响较大。而有关大蒜蒜皮分离方面的研究比较薄弱，国内外鲜有关于大蒜力学特性方面的文献发表。

针对现有大蒜去皮机械存在的去皮率低、蒜米易损伤等问题，研究了蒜皮分离力学特性。通过研究蒜皮分离过程中的极限分离力值，确定蒜皮分离过程中的关键因素，以期为大蒜去皮机械的设计和结构优化提供参数支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以山东金乡大蒜为研究对象，单个蒜头有6～8 瓣，单层排列，选用直径为50～60 mm 且表面无破损的大蒜头进行试验[17]，如图1 所示。

图1 金乡大蒜和蒜瓣外形尺寸

随机挑选100 粒饱满的蒜瓣进行外形尺寸测量，测量结果如表1 所示。

表1 蒜瓣外形尺寸

对表1 数据进行概率统计，得出频率分布如图2所示，可知金乡大蒜长度、宽度和厚度的尺寸频率均符合正态分布，以此作为分离力学试验依据。

图2 蒜瓣外形尺寸正态分布

试验前，对自然条件下存放的蒜瓣蒜皮含水率进行随机抽取检测，测定其含水率在10%～35%之间。随机选取蒜瓣500 粒，分成5 组，每组100粒，5 组含水率分别控制在10%、15%、20%、25%、30%左右。为了得到精确含水率的样品，首先把自然条件下储存的蒜皮放入电热恒温烘箱，温度设为60 ℃，每隔10 min 测量1 次样品质量，直至得到样品所需的不同含水率。含水率计算公式为

式中：

ω——含水率，%；

m——样品质量，g；

m1——烘干后样品质量，g。

1.2 试验仪器

试验仪器采用上海保圣实业发展有限公司生产的TA.XTC-16 质构仪，传感器最小感应力为0.01 gf，位移精度为0.001 mm；数显游标卡尺，精度为0.01 mm；美国Vision Research 公司生产的Phantom Miro LC111高速摄像仪，满幅拍摄速率为1 630 帧/秒；卤素快速水分测定仪；电热恒温鼓风烘箱；Olympus 体视显微镜。大蒜分离力学特性试验平台如图3 所示。

图3 大蒜分离力学特性试验平台

1.3 试验原理与方法

1.3.1 试验原理

农作物的力学特性主要有拉伸特性、剪切特性、弯曲特性和压缩特性[4]。本文研究的目的是得到蒜皮在分离过程中极限分离力值，给大蒜去皮装置提供数据参考。因此，从宏观结构上，通过试验探究不同分离方向、含水率和载荷加载速度对蒜皮极限分离力的影响，得到蒜皮在分离过程中的极限分离力值[18]；从微观结构上，通过Olympus 体视显微镜观察蒜皮细胞排列和纤维束的分布情况，以此分析和验证蒜皮分离力学特性[19-20]。

1.3.2 试验方法

由大蒜的生物学特性可知，蒜瓣形状不规则，通常分为1 个弧面和2 个非弧面，弧面曲率比较大，不易作为试验表面，故选择蒜瓣非弧面作为试验表面。蒜皮紧紧包裹在蒜米上，试验时夹具难以对蒜皮进行夹持，故选用强力胶水将T 形硬纸板粘到蒜皮非弧面，通过活动夹头夹持T 形硬纸板以实现对蒜皮的分离试验。

试验时用固定夹具将待分离蒜瓣的非弧面保持水平，活动夹头夹持粘接在蒜皮非弧面上的T 形硬纸板，牵引绳一端与质构仪传感器相连，另一端通过固定滑轮与活动夹头相连，通过质构仪带动牵引绳使得蒜皮从蒜瓣上分离，完成蒜皮分离试验。根据蒜皮分离的不同方向，试验分为鳞芽向根部分离、横向分离、根部向鳞芽分离3 部分，分离方向如图4 所示。

图4 蒜皮不同分离方向

分离试验时试样受力如图5 所示，以鳞芽向根部和根部向鳞芽为分离方向时，蒜皮受到牵引力T，蒜米受到分离力F，2 个力大小相等，方向相反，从而在蒜米和蒜皮的分离处产生拉伸和剪切作用，同时试样弧面受到固定夹具的夹持力F1和F2，2 个力大小相等，方向相反；以横向为分离方向时，蒜皮受到牵引力T，蒜米受到分离力F，蒜瓣弧面受到微型夹具的夹持力F1和F2，2 个力大小相等，方向相反[11]。

图5 蒜皮分离受力情况

1.3.3 试验因素与指标

根据预试验和理论分析，选取与蒜皮分离密切相关的分离方向、含水率和载荷加载速度为试验因素，以极限分离力值为试验指标进行试验与分析，研究各因素间的交互作用，试验因素水平如表2 所示。其中，分离方向的1～3 分别对应鳞芽向根部、横向、根部向鳞芽。

表2 因素水平表

2 结果与分析

2.1 试验方案与结果

采用Box-Behnken 试验设计原理，共进行17 组试验，每次试验重复5 次，结果取其平均值，试验方案和结果如表3 所示。

表3 试验方案和结果

采用Design-Expert 8.0.6 软件对表3 中试验数据进行分析，得到试验因素分离方向、含水率和载荷加载速度与试验指标极限分离力之间的拟合方程，计算公式为

对各项进行方差分析，方差分析结果如表4 所示。由表4 可知，二次回归模型的P＜0.000 1，表明试验模型极显著；失拟项的P值为0.078 7，表明失拟项不显著，模型决定系数R2为0.976 5，拟合精度较高，表明该模型能够比较准确地对极限分离力指标进行预测。

表4 方差分析结果

通过比较P值得出：对于极限分离力，因素x1、对模型影响极为显著，因素对模型影响显著，其他因素不显著。3 因素对极限分离力影响的主次顺序为含水率、分离方向、载荷加载速度。剔除不显著项后，拟合方程为

2.2 交互作用对极限分离力的影响

为分析交互作用对试验指标的影响，固定其中1个因素为0 水平，绘制出各试验因素之间交互作用对试验指标的响应曲面，如图6 所示。

图6 各因素对极限分离力的响应曲面

图6（a）为载荷加载速度处于0 水平，含水率在15%～25%时，根部向鳞芽分离方向下极限分离力最小，其次是鳞芽向根部分离方向，最大是横向分离方向。这可能是受到蒜皮生物学特性影响导致的，蒜皮紧紧包裹在蒜米上，外形呈现出两头尖中间粗，蒜皮上的纤维束呈现出根部、鳞芽密集和中间较平均的情况，纤维束越多抵抗拉伸和剪切的能力也就越强，即极限分离力越大。

图6（b）为含水率处于0 水平，载荷加载速度在5～10 mm/min 时，极限分离力下降趋势不明显，载荷加载速度在10～15 mm/min 时，极限分离力下降趋势明显。这是因为蒜皮同谷子和玉米茎秆都属于粘弹性材料，纤维和组织之间存在粘聚力，本质上属于分子间作用力[18]，当载荷加载速度较慢时，牵引力逐渐克服蒜皮基本组织间的粘聚力，形变过程比较长，分离力在分离过程中逐渐变大。当载荷加载速度超过某个数值继续增大时，形变过程比较短，极限分离力变化比较明显。

图6（c）为分离方向处于0 水平，含水率与载荷加载速度的交互作用对极限分离力的影响。当含水率从15%增大至25%时，极限分离力随载荷加载速度的增大而减少；当载荷加载速度从5 mm/min增大至15 mm/min 时，极限分离力随含水率的减小而减小。这是因为蒜皮生物学上为膜质鳞被，含水率过高时，蒜皮上的膜质与蒜米粘接在一起，增大分离力。含水率＜25%时，随着含水率的增大，蒜皮细胞间的水分增多，蒜皮上的纤维束脆性减少，韧性增大，导致极限分离力增大；随着蒜皮含水率减小，膜质鳞被逐渐硬化，蒜皮上的纤维束脆性增大，韧性较小，蒜米和蒜皮间的粘接力减少，使得极限分离力减小，蒜皮更易剥落。但蒜皮含水率并非越小越好，蒜皮含水率过小，易导致蒜皮在弧面部位开裂，失去蒜皮分离意义，且包裹在里面的蒜米随蒜皮含水率的减小而减小。

3 蒜皮力学特性试验

3.1 试验材料与方法

为了验证上述试验中的分析结果，选取对极限分离力影响最大的因素含水率进行蒜皮的力学特性试验。力学特性试验主要为蒜皮横向拉伸、纵向拉伸和剪切试验。

由于蒜皮的生物学特性，需对蒜瓣进行手工破瓣取皮，而蒜皮弧形面不易取皮，故在非弧形面处进行取皮并将蒜皮制成25×15×t（t为蒜皮厚度）的试样[21]。为防止拉伸过程中试样在夹持部位打滑和夹具对试验的损坏，在试样的两端夹紧处分别贴上医用胶布，再在胶布外用双面胶粘上硬纸板[15]。经过试验，发现此方法能有效的防止试样在夹持部位打滑和损坏。为保证数据的可靠性，每组试验重复测试5 次，由质构仪记录相关数据，并由与质构仪匹配的软件输出各项参数。

3.2 蒜皮拉伸试验

拉伸试验时，试样一端由质构仪平台上的下夹具夹持，另一端由质构仪传感器处的上夹具夹持。将质构仪载荷加载速度设定为10 mm/min，启动质构仪对试样进行拉伸，试样发生形变，在拉伸过程中，上夹具匀速运动，直至试样完全断裂时停止，试验结束。部分试样破坏结果如图7 所示。

图7 试样拉伸破坏结果

3.2.1 横向拉伸试验

图8 为不同含水率下的蒜皮横向拉伸试验位移 — 抗拉力曲线，表明含水率对蒜皮的抗拉力具有显著性影响。在载荷加载速度为10 mm/min，含水率为10%、15%、20%、25%和30%时，抗拉力分别为3.23、5.95、8.69、11.67、10.03 N。由图8 可知，从载荷加载开始至试样断裂，曲线基本上为线性，表明蒜皮在达到强度极限后发生断裂，断裂面比较整齐。蒜皮横向拉伸时表现为脆性断裂，断裂基本上沿着纤维的方向，故曲线表现为载荷达到顶点后急速下降的趋势。

图8 蒜皮横向拉伸试验位移-抗拉力曲线

3.2.2 纵向拉伸试验

图9 为不同含水率下的蒜皮纵向拉伸试验位移 — 抗拉力曲线。在载荷加载速度为10 mm/min，含水率为10%、15%、20%、25%和30%时，抗拉力分别为8.79、10.64、15.11、21.13、18.85 N。从载荷加载开始至试样断裂，曲线基本上为线性，在达到强度极限后发生断裂。纵向拉伸试验时，试样断裂面为波浪状粗糙面，是因为在纵向拉伸时，断裂面垂直于纤维方向，需要克服纤维束的抗拉强度，而波浪状的粗糙断裂面因消耗较多的能量，从而表现出较多的韧性，因此，蒜皮在纵向拉伸时属于韧性断裂。

图9 蒜皮纵向拉伸试验位移-抗拉力曲线

对比蒜皮的横向和纵向抗拉力可知，含水率在25%时抗拉力最大，高于或者低于25%含水率，蒜皮抗拉力均有下降的趋势。当含水率<25%时，随着含水率的升高，其细胞组织发生变化，使得拉伸过程从塑性变形为主转变为弹性变形为主；当含水率>25%时，拉伸过程又以塑性变形为主，使得蒜皮抗拉力下降。由图8、图9 可知，纵向抗拉力约为横向抗拉力的1.74～2.72 倍，表明蒜皮的纵向抗拉能力高于横向抗拉能力。是因为蒜皮细胞是严格纵向排列的，横向拉伸时，断裂面平行于蒜皮的纤维方向；纵向拉伸时，断裂面垂直于蒜皮的纤维方向，如图10 所示。

图10 蒜皮细胞结构和纤维束显微图

3.2.3 高速摄影观察

采用高速摄影观察河南杞县大蒜蒜皮横向和纵向拉伸试验过程，高速摄影机拍摄参数设置：分辨率为1 024×768，拍摄间隔为1 ms，帧差为1 帧，部分试样断裂结果如图11 所示。

图11 蒜皮横、纵向拉伸断裂过程

由图11 可知，蒜皮在横、纵向拉伸试验时，断裂过程可分为3 个阶段。第1 阶段，随着载荷加载增大，克服了蒜皮基本组织和纤维束之间的粘聚力，试样在中间部位开始出现断裂点（图11b）。横向拉伸时，断裂点出现在纤维束与基本组织间的薄弱处，纵向拉伸时，断裂点出现在纤维束体积最小处；第2 阶段，随着载荷的继续加大，断裂点开始从中间向两边扩展为裂缝（图11c）。横向拉伸时，断裂点沿着纤维方向扩展，纵向拉伸时，断裂点沿着垂直于纤维方向扩展；第3 阶段，当载荷达到极限值后，试样被完全拉断，出现断裂面（图11d）。横向拉伸时，断裂面沿着纤维方向呈圆弧状且较为光滑，纵向拉伸时，断裂面垂直于纤维方向呈波浪状且较为粗糙。

3.3 蒜皮剪切试验

进行蒜皮剪切试验时，将不同含水率的试样水平放置在质构仪平台的固定夹具上，质构仪传感器处装上切刀，将质构仪传感器参数设定后启动质构仪，切刀开始对试样进行剪切，试样发生形变，在剪切过程中，切刀以10 mm/min 匀速下降，直至试样完全断裂时停止，试验结束。每组试验重复5 次，记录其平均值，由与质构仪匹配的软件记录相关曲线和数据。

由图12 可知，不同含水率的蒜皮在剪切试验时有2 种断裂形式，断裂面均垂直于纤维方向。这是因为蒜皮含水率较低或较高时，蒜皮因为低强度表现为脆性断裂特征，断裂面表现为波浪状，如图12（a）；当蒜皮含水率为20%左右时，蒜皮内的基本组织和纤维束粘聚力较强，基本组织和纤维束共同发挥作用，蒜皮因为高强度表现为韧性断裂，断裂面表现为锯齿状，如图12（b）。

图12 2 种剪切断裂面

由图13 可知，含水率对剪切力具有显著性影响。在剪切速度为5 mm/min，含水率为10%、15%、20%、25%和30%时，剪切力为5.29、8.21、11.38、15.25、12.66 N。含水率为25%时剪切力最大，高于或者低于25%含水率，蒜皮剪切力均有下降的趋势，这是因为含水率在10%左右时纤维束脆性大，蒜皮易被剪断，故剪切力小，随着含水率增大，纤维束韧性增大，蒜皮不易被剪断，故剪切力增大。当含水率>25%时，蒜皮脆性又继续变大，使得蒜皮易被剪断，剪切力减小。由蒜皮剪切试验位移 — 剪切力关系曲线可知，载荷不断增大进而克服蒜皮内基本组织和纤维束的粘接力和纤维束的强度，最终在纤维体积最小处发生断裂，纤维持续断裂形成裂缝，载荷呈阶梯状下降，直至完全断裂形成断裂面。

4 结语

1）采用了Box-Behnken 试验设计方法，建立了极限分离力的回归模型，得到分离方向、含水率和载荷加载速度对剥皮力影响极显著（P ＜0.01），影响因素的主次顺序依次为含水率、分离方向、载荷加载速度，最优因素组合为根部向鳞芽分离、含水率15%、载荷加载速度10 mm/min，此时分离力最小。因素的交互分析表明，含水率和载荷加载速度的交互作用对极限分离力影响显著（P ＜0.05)。

2）蒜皮的拉伸试验表明，含水率对蒜皮横、纵向抗拉力影响显著。含水率为10%～30%时，横向抗拉力依次为3.23、5.95、8.69、11.67、10.03 N，纵向抗拉力依次为8.79、10.64、15.11、21.13、18.85 N。较低的含水率有利于蒜皮的断裂。相同含水率下，蒜皮纵向抗拉力约为横向抗拉力的1.74～2.72 倍。通过高速摄影观察拉伸过程，验证了蒜皮在拉伸试验中的断裂特征，横向拉伸时，蒜皮为脆性断裂；纵向拉伸时，蒜皮为韧性断裂。

3）蒜皮的剪切试验表明，含水率对蒜皮剪切力影响显著。含水率为10%、15%、20%、25%、30%时，剪切力依次为5.29、8.21、11.38、15.25、12.66 N。剪切试验时，蒜皮具有波浪状和锯齿状2 种断裂面形状，均垂直于纤维方向。