張黎驊，秦 文*，馬榮朝

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 610044；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014)

杏核壓縮力學(xué)特性的研究

張黎驊1,2，秦 文2,*，馬榮朝2

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 610044；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625014)

為了進(jìn)一步改進(jìn)杏核加工裝備的設(shè)計(jì)與制造，利用LDS-W10A型微機(jī)控制的力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行含水率及施壓方向?qū)π雍嗣摎ぬ匦杂绊懙难芯?，并建立相?yīng)的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)含水率在5.97%～30.14%時(shí)，分別沿X軸、Y軸和Z軸施壓時(shí)，含水率對(duì)破碎力和能耗影響較為明顯(P＜0.10)；沿X軸、Y軸對(duì)杏核施壓時(shí)，隨著含水率的增加，杏核所需破碎力和能耗逐漸減小。在相同含水率的條件下，杏核沿不同施壓方向所需破碎力和能耗有顯著差異，其中，沿X軸所需破碎力和能耗最大，分別為992N和1304.48mJ，沿Y軸所需破碎力和能耗最小，分別為268N和294.80mJ。相對(duì)于沿X、Y軸，沿Z軸施壓杏仁更容易破裂；而且含水率越高，則核仁越容易破裂。所以，杏核脫殼應(yīng)選擇沿Y方向施壓，并在脫殼前對(duì)杏核進(jìn)行適當(dāng)?shù)母稍镆员苊夂巳时黄茐摹?/p>

杏核；含水率；脫殼特性；數(shù)學(xué)模型

Abstract：In order to further improve the design and manufacture of apricot seed processing machinery, we used a LDS-W10A type microcomputer controlled mechanical testing machine to explore the effects of material moisture content and pressure direction on apricot seed cracking characteristics. Meanwhile, corresponding mathematical models were established. The results showed that moisture content varying between 5.97% and 30.14% had a significant effect on both rupture forces and energy consumptions(P< 0.10) along theX-axis,Y-axis andZ-axis of apricot seeds. Increasing moisture content resulted in lower rupture forces and energy consumptions alongX-axis andY-axis. Both required rupture forces and energy consumptions along different directions for cracking apricot seeds with the same moistures exhibited a significant difference, and the largest required rupture force and energy consumption were alongX-axis, 992 N and 1304.48 mJ, respectively and the required rupture force and energy consumption alongY-axis were the smallest, 268 N and 294.80 mJ, respectively. Compared withX-axis andY-axis, apricot seeds compressed alongZ-axis were more easily ruptured and the higher the moisture content, the more easily apricot seeds were ruptured. Consequently, apricot seeds should be compressed alongY-axis and be dried properly in advance so as to prevent almond breaking.

Key words：apricot seed；moisture content；cracking characteristic；mathematical model

杏(Prunus armeniacaL.)是一種很好的食品加工原料。近年來(lái)我國(guó)鮮杏總產(chǎn)約60多萬(wàn)t，其中年產(chǎn)杏核4.49萬(wàn)t[1]。據(jù)調(diào)查，在美國(guó)，杏仁的系列加工制品多達(dá)1000多種。杏仁富含磷、鉀、鈣、鎂、硼、鋅、硒等礦質(zhì)元素，含蛋白質(zhì)25%～27%，17種氨基酸(總量為26.725%)，總糖4.1%，杏仁苷2%～4%[2]，同時(shí)含有豐富的油脂，其含油量在50%左右[3-4]，且95%以上為亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，是制造高級(jí)護(hù)膚化妝品、優(yōu)質(zhì)食用油，也是高級(jí)潤(rùn)滑油的優(yōu)質(zhì)原料[4-5]。所以，深入研究杏核加工技術(shù)對(duì)發(fā)展我國(guó)杏產(chǎn)業(yè)有著舉足輕重的意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者余雅瓊[2]研究了杏仁蛋白的提取與物性，盛小娜[4]研究了提取甜杏仁油及水解蛋白的方法，國(guó)外學(xué)者 Gezer等[6]研究了杏核與杏仁的物理特性等，而對(duì)于杏核含水率對(duì)脫殼特性影響的研究還很少見報(bào)道。

對(duì)于杏核加工來(lái)說，脫殼是一道關(guān)鍵且困難的工序，傳統(tǒng)的人工砸殼取仁的方法不僅效率低、產(chǎn)能小，而且破仁率高。雖然我國(guó)已研制了一些杏核的脫殼機(jī)械，但是其中多數(shù)脫殼效率低，脫殼后破仁率高，損失大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足杏核加工發(fā)展的需要[7-10]。分析其主要原因是由于對(duì)杏核壓縮力學(xué)特性的影響因素研究深度不夠，從而導(dǎo)致杏核脫殼機(jī)械設(shè)計(jì)的不合理[11]。因此，本次研究主要測(cè)定含水率和施壓方向?qū)ζ扑榱?、變形量以及能耗的影響，建立相?yīng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行回歸方程的顯著性檢驗(yàn)，為進(jìn)一步提高杏核脫殼機(jī)的破殼性能和降低杏仁破碎率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

測(cè)試中所用的杏(Prunus armeniacaL.)由四川省雅安市郊農(nóng)戶提供。將杏子去除果肉，取出杏核，挑選出完好的杏核并進(jìn)行清洗、裝袋密封，在4℃條件下貯藏以備實(shí)驗(yàn)之用。

1.2 儀器與設(shè)備

游標(biāo)卡尺(200mm×0.01mm) 美國(guó)邦克工具有限公司；LDS-W10A型微機(jī)控制電子拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī) 杭州艾斯達(dá)特檢測(cè)儀器有限公司；20-T(AS) 電熱恒溫干燥箱 南通聯(lián)豐計(jì)量技術(shù)有限公司；JD2000-2電子天平 北京中儀友信科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的測(cè)量

首先，人工將樣本核殼和核仁分離出來(lái)并適當(dāng)破碎，用精度為0.001g的天平稱量其初始總質(zhì)量，然后將杏核放在20-T(AS)恒溫干燥箱中105℃放置24h以上，取出并稱得絕干質(zhì)量[12]。則濕基含水率(me)為：

式中：m1為濕物質(zhì)質(zhì)量/g；m2為絕干質(zhì)量/g。

1.3.2 破碎力-位移曲線的測(cè)量

圖1 杏核的施壓方向Fig.1 Compression axes of apricot seeds

用LDS微機(jī)控制力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)以10mm/min速度對(duì)杏核進(jìn)行不同的含水率、不同方位施壓實(shí)驗(yàn)，杏核的X、Y和Z方向如圖1所示。當(dāng)壓頭接觸到杏核時(shí)，其顯示器開始顯示壓力數(shù)據(jù)，直到杏核因受力增大開始破裂時(shí)，壓力急速降低而自動(dòng)停機(jī)，記錄破碎力-位移曲線及壓力峰值。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)任選含水率相同的10顆杏核，最后取實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值[12-14]。

1.3.3 能耗的測(cè)定

杏核被破壞時(shí)所需的能量可由計(jì)算破碎力-變形曲線下方面積得到[15]，其計(jì)算公式為：

式中：F為破碎力/N；S為破壞時(shí)的變形量/mm。

1.3.4 杏仁破碎率的測(cè)定

在本次壓縮實(shí)驗(yàn)后，對(duì)每個(gè)杏仁采用放大鏡觀察是否產(chǎn)生破碎的裂紋，并由式(3)計(jì)算杏核的破碎率(C)。

式中：n1為損傷杏仁數(shù)；n0為杏仁實(shí)驗(yàn)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)杏核外形尺寸的測(cè)量與分析

四川杏核不同部位尺寸的測(cè)量值如表1所示。

表1 杏核外形尺寸及質(zhì)量Table 1 Dimensional properties and masses of apricot seeds

由表1可知，在長(zhǎng)度方向上極差為6.73mm；在寬度方向上極差為4.32mm；在厚度方向上極差為2.47mm。因此，在脫殼處理時(shí)，為保證脫殼品質(zhì)對(duì)杏核應(yīng)分級(jí)處理。對(duì)含水率對(duì)杏核的外形尺寸的影響的數(shù)據(jù)分析[16]結(jié)果如表2所示。由F檢驗(yàn)的結(jié)果表明含水率對(duì)杏核長(zhǎng)、寬、厚度尺寸的影響均顯著(P＜0.05)。杏核的長(zhǎng)、寬、高尺寸與含水率之間呈線性正相關(guān)，其原因主要是杏核吸收水分而膨脹所致。

表2 含水率對(duì)杏核外形尺寸影響的分析結(jié)果Table 2 Analytical results of the effects of moisture content on apricot seed shape

2.2 杏核壓縮力-位移曲線的測(cè)量與分析

圖2 杏核沿不同方向的壓縮力-位移曲線Fig.2 Rupture force versus displacement curves of apricot seeds under compression loading along different axes

含水率為5. 97%的杏核從不同方向，以10mm/min速度壓縮時(shí)的力-位移曲線如圖2所示。杏核沿X、Y、Z軸施壓時(shí)，杏核的壓縮力-位移曲線明顯不同。其中，杏核沿Y軸施壓時(shí)主要以彈性變形為主；沿Z軸施壓時(shí)主要以塑性變形為主；沿Y、Z軸施壓時(shí)，杏核均沒有明顯的生物屈服點(diǎn)[10]。杏核沿X軸施壓時(shí)，開始階段為彈性變形，隨后才進(jìn)入塑性變形，并且出現(xiàn)了明顯的生物屈服點(diǎn)A。

當(dāng)選取不同的含水率和不同的加壓軸時(shí)，杏核最大破碎力、變形量、能耗以及杏仁破碎率等脫殼力學(xué)特性的測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 含水率對(duì)杏核脫殼力學(xué)特性的影響及杏仁破碎率Table 3 Effect of moisture content on cracking mechanical properties of apricot seeds and almond breaking rate

由表3可知，在本次壓縮實(shí)驗(yàn)后對(duì)每個(gè)杏仁采用放大鏡觀察，結(jié)果表明沿X軸和Y軸加載時(shí)，核仁均沒有產(chǎn)生裂紋。然而，沿Z方向施壓時(shí)，其破碎率隨著含水率的增加而增加，在含水率為30.14%時(shí)，破碎率達(dá)到最大值76.7%。在含水率為5.97%時(shí)，破碎率為最小值23.3%。主要原因是在Z軸方向杏核殼與杏仁之間間隙太小，導(dǎo)致脫殼施壓時(shí)將杏仁壓破。

2.3 含水率對(duì)杏核破碎力的影響

圖3 含水率對(duì)杏核破碎力的影響Fig.3 Effect of moisture content on required rupture force for apricot seeds

圖3所示為在不同含水率和加壓方向下所需的臨界破碎力。在沿X、Y軸施壓時(shí)，杏核所需的破碎力隨著含水率的增加而減小。在含水率從5.97%增加到30.14%時(shí)，X軸破碎力從992N下降到492N，Y軸破碎力從416N減少到268N。主要由于杏核在高含水率時(shí)，核殼變軟所致。而沿Z軸，含水率在5.97%～23.71%之間時(shí)，其破碎力隨含水率的增加而減小，含水率在23.71%～30.14%之間，其破碎力隨含水率的增加而增加。造成這一現(xiàn)象的原因是因?yàn)檠豘軸加壓時(shí)，杏仁在高含水率時(shí)，進(jìn)一步吸水膨脹并將其與殼的徑向間隙填滿，因而導(dǎo)致了破碎力有所增加。

表4 含水率對(duì)杏核破碎力影響的分析結(jié)果Table 4 Modeling of the effects of moisture content on required rupture forces for apricot seeds along different directions

采用SAS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到含水率及破碎力的關(guān)系如表4所示[17-19]。統(tǒng)計(jì)分析后可以發(fā)現(xiàn)，在X軸、Y軸和Z軸上，含水率對(duì)破碎力的影響顯著(P＜0.05)，而且含水率對(duì)破碎力之間存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系。

2.4 含水率對(duì)杏核變形量的影響

圖4 含水率對(duì)杏核變形量的影響Fig.4 Effect of moisture content on apricot seed deformation

圖4為含水率及加壓方向?qū)π雍似茐臅r(shí)變形的影響。沿X軸、Y軸施壓時(shí)，杏核的變形量隨著含水率的增加而增加。而且沿X軸杏核的變形要比其他兩軸大。這表明與其他兩軸相比杏核沿X軸方向更有彈性，而且更不容易破碎。隨著含水率從5.97%增加到30.14%，沿X軸方向加壓時(shí)，變形量從2.63mm增加到3.72mm；沿Y軸施壓時(shí)，變形量從1.94mm增加到2.20mm；沿Z軸加壓時(shí)，隨著含水率的增加，變形量從2.49mm逐漸下降到2.31mm，然后又上升到2.97mm。沿Z軸加壓時(shí)產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因是由于在高含水率的情況下，殼和核仁間無(wú)徑向間隙，以及杏核所需破碎力不斷增加。

表5 含水率對(duì)杏核變形量影響的分析結(jié)果Table 5 Modeling of the effects of moisture content on apricot seed deformation along different directions

采用SAS軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到含水率及變形量的關(guān)系如表5所示。統(tǒng)計(jì)分析后可以發(fā)現(xiàn)，在X軸、Y軸和Z軸上，含水率對(duì)變形量的影響是顯著的(P＜0.05)，而且含水率對(duì)破碎力之間存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系。

2.5 含水率對(duì)杏核能耗的影響

圖5 含水率及加壓軸對(duì)杏核脫殼能耗的影響Fig.5 Effect of moisture content and compression direction on required energy consumption for cracking apricot seeds

從表6和圖5可以看出，在X軸和Y軸上，隨著含水率從5.97%增加到30.14%，杏核破碎所需的能耗逐漸減少。產(chǎn)生這種趨勢(shì)的原因可以歸因于破碎力的減少幅度大于杏核位移的增加幅度從而使能耗減少，而且沿X軸破碎杏核比從另外兩軸需要更多的能耗。而在Z軸上，含水率從5.97%增加到30.14%杏核所需的能耗從702.18mJ逐漸減小到455.10mJ，而后增加到626.67mJ。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)含水率增加到23.71%時(shí)，從Z軸施加的破碎力和變形量均增加。

含水率對(duì)杏核破碎能耗影響的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表6所示，分別沿X軸、Y軸和Z軸施壓時(shí)，含水率對(duì)杏核的能耗影響較為明顯(P＜0.10)，而且含水率對(duì)能耗之間存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系。

3 結(jié) 論

3.1 在相同含水率的條件下，杏核沿不同施壓方向所需破碎力和能耗有顯著差異，其中，沿X軸對(duì)杏核施壓破裂所需的破碎力和能耗為最大，分別為992N和1304.48mJ；沿Y軸施壓所需的破碎力和能耗為最低，分別為268N和294.80mJ。因此在建立杏核施壓脫殼原理時(shí)，選擇沿Y軸施壓比沿另外兩個(gè)方向更合理。

3.2 當(dāng)含水率在5.97%～30.14%時(shí)，含水率、施壓方向?qū)ζ扑榱?、變形量及能耗影響較為顯著(P＜0.10)，而且破碎力、變形量及能耗均與含水率之間存在二階非線性的函數(shù)關(guān)系。

3.3 從杏核施壓造成核仁破裂的角度來(lái)講，相對(duì)于沿X、Y軸，沿Z軸施壓杏仁更容易破裂；在相同的施壓方向上，含水率越高，則核仁越容易破裂，所以杏核在脫殼前應(yīng)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行干燥以避免核仁在施壓脫殼時(shí)破碎率過高。

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Mechanical Properties of Apricot Seeds under Compression Loading

ZHANG Li-hua1,2，QIN Wen2,*，MA Rong-chao2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 610044, China；2. College of Information and Engineering Technology, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

S565.2

A

1002-6630(2010)17-0143-05

2010-06-14

四川教育廳青年基金項(xiàng)目(2006B011)

張黎驊(1969—)，男，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械與裝備。E-mail：zhanglihua69@126.com

*通信作者：秦文(1967—)，女，教授，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏。E-mail：qinwen1967@yahoo.com.cn