储藏压力对大豆籽粒压缩特性的影响研究

唐福元 黄之斌，2 严晓婕，2 程绪铎，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)

大豆籽粒的结构和力学特性在收获后容易受到很多因素的影响，如温度、水分、空气湿度、储藏时间、储藏压力等对其结构和力学特性的影响，特别对储藏一段时间后的大豆籽粒，由于温度、水分、压力的影响，籽粒内部脂肪和蛋白质的混合状态将被改变，它的结构和力学特性将发生变化。现在国内一些储藏大豆的筒仓，堆高大，储藏时间久，在大豆堆深处，常常发生走油、赤变等严重影响大豆储藏及加工品质的现象。所以对大豆籽粒进行压缩试验研究，掌握其抵抗压力的特性，对储粮安全是非常必要的。

国外对于粮食的籽粒压缩力学特性的研究从20世纪 60年代就开始了[1－2]。Zorerb等[1]研究了马齿状玉米、小麦、豌豆、豆类植物在不同含水量下缓慢加载的特性，研究表明谷物挤压强度的影响参数是含水量、温度、加载速度和加载位置及物料尺寸。国内对大豆籽粒的压缩特性已有一些研究，刘传云等[3]对大豆的表观接触弹性模量进行了测定，他们仅测定了短轴方向的压缩特性，但没有测定中轴、长轴方向的压缩特性；刘志云等[4]对大豆的接触弹性模量进行了测定，但他们将大豆视为圆柱体，这样的假定与大豆籽粒的实际形状差别较大；马小愚等[5]测定了大豆籽粒力学性质，采用了自制力学性能测试装备，压缩时加载的速度偏大，难以准确揭示大豆籽粒静态压缩特性。对不同储藏压力下(87、115、150、161、211、300 kPa)储藏 6个月后的大豆籽粒进行X轴(长轴)、Y轴(中轴)、Z轴(短轴)压缩试验，测定了大豆的表观接触弹性模量、最大破坏力、最大破坏能、破坏点的变形量，分析了随着储藏压力的增加，大豆籽粒压缩的最大破坏力，最大破坏能，表观弹性模量的变化规律。为筒仓中大豆储藏压力提供阈值。

1 试验材料与仪器

1.1 试验材料

2011年东北黑龙江产秋大豆，外观形状近似椭圆状，几何尺寸见表1，储藏温度15℃，含水率10.68%。

表1 大豆籽粒的几何尺寸

1.2 试验仪器和设备

LHT－1型粮食回弹模量仪:南京土壤仪器厂有限公司；HG202－2(2A/2AD)电热干燥箱:南京盈鑫实验仪器有限公司；AL204分析天平、JSFD粉碎机:上海嘉定粮油仪器有限公司；CT3质构仪:美国Brookfield公司。

2 试验原理与方法

2.1 粮堆加压储藏试验原理

大豆样品装入回弹模量仪圆柱筒里，顶部加盖防潮布并施加载荷，在竖直压力作用下大豆样品无侧向膨胀，竖直方向上长度受压缩短，体积减小，但密度随之增大[6]。

开始试验后，大豆样品受到来自传压板的竖直压应力 σ1，钢筒侧面的侧压应力 σ2、σ3，底座对大豆垂直向上的支持压应力σ4。筒中大豆样品应力分布如图1所示。仪器图如图2所示。

图1 大豆样品应力分布

图2 LHT－1型粮食回弹模量实物图

2.2 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LHT－1型粮食回弹模量仪1号加载300 kPa的压力砝码，对LHT－1型粮食回弹模量仪2号加载150 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2个数据，直到储藏试验结束。

2.3 粮堆加压储藏的压力计算

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。装样筒内大豆堆表面下深度y处大豆微元受力示意图如图3所示。

图3 装样筒内粮食微元受力

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为大豆微元体的竖直压应力，ph为大豆微元体的侧向压应力，ρ为粮食的容重，g为重力加速度，A为筒的横截面面积。

大豆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(2)代入式(1)得:

对(3)式进行积分得大豆样品深度y处的竖直压应力为:

式中:p0为上表面压应力。

2.4 大豆籽粒压缩试验原理

将大豆籽粒放置在质构仪底座上，上部的圆截面的探头向下压缩大豆，质构仪记录下变形量和对应的载荷。由压缩的载荷与变形量的曲线，可给出大豆籽粒的最大破坏力，最大破坏能，破裂时的变形量，大豆籽粒的表观接触弹性模量计算方法如下:按ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准要求[7]，用赫兹公式计算大豆的表观接触弹性模量E。

式中:E为大豆表观接触弹性模量/MPa；F为大豆加载载荷/N；D为大豆的变形量/m；μ为大豆泊松比；RH，R＇H为大豆上接触面的曲率半径/m；R，R＇为大豆下接触面的曲率半径/m；K1，K2为中间常数(由 cosθ在 ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准中对应查出)[7]。

由于大豆与挤压平板两接触面曲率半径几乎相同，所以经过简化后，大豆的表观接触弹性模量公式为:

2.5 大豆籽粒压缩试验方法

用游标卡尺测定大豆的尺寸，见图4，灰色填充处代表胚。

用游标卡尺测定大豆的长(L)，宽(W)，高(H)，见图3，灰色填充处代表胚。用公式(7)、(8)、(9)计算出大豆的曲率半径RH，R′H和cosθ.

图4 大豆尺寸示意图

大豆为椭圆形状颗粒，根据 ASAE S 368.4 DEC2000(R2006)标准压缩工具选定条件，选择压缩底座为TA－RT－KIT，压缩探头为TA10进行压缩。

加载速度:根据ASAE S368.4DEC2000(R2006)标准，压缩速度越接近静载荷越好，即压缩速度越小越接近静载荷，选取0.02 mm/s。

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，本次试验每种压缩方式各选择重复压缩30次[8－9]。压缩方位如图5所示。

图5 Z轴、Y轴、X轴压缩试验示意图

3 大豆籽粒压缩试验结果与分析

根据公式(4)，在顶部加压300 kPa的筒内，大豆容重为780 kg/m3，大豆的内摩擦角为27.35°，大豆与筒壁的摩擦系数为0.307[10]在顶部加压150 kPa的筒内，大豆容重为760 kg/m3，大豆的内摩擦角为34.25°，大豆与筒壁的摩擦系数为0.32得到顶部加压300 kPa筒内取样位置的压力分别为300、211和161 kPa。顶部加压150 kPa筒内取样位置的压力分别为150、115和87 kPa。这些被取样的大豆在相对应的压力下储藏了6个月。

3.1 不同储藏压力下X轴(长轴)压缩大豆籽粒的压缩特性

在储藏压力分别为 87、115、150、161、211、300 kPa条件下，大豆储藏6个月。每一个储藏压力的大豆，取30个样品进行X轴(长轴)压缩，得到大豆籽粒的最大破坏力、最大破坏能、变形量，并且通过计算得到大豆籽粒的表观接触弹性模量，结果如表2所示。

表2 大豆籽粒X轴(长轴)压缩参数

表2的结果表明大豆籽粒压缩的最大破坏力、最大破坏能、变形量、表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小。

储藏压力增大，大豆籽粒的结构损伤增大，它的抵抗破坏的力和能将减小，弹性模量也减小，试验结果表明了储藏压力对大豆籽粒结构的改变规律。

3.2 不同储藏压力下Y轴(中轴)压缩大豆的压缩特性

在储藏压力分别为 87、115、150、161、211、300 kPa条件下，大豆储藏6个月。每一个储藏压力的大豆，取30个样品进行Y轴(中轴)压缩，得到大豆籽粒的最大破坏力、最大破坏能、压缩变形量，并且通过计算得到大豆籽粒的表观接触弹性模量，结果如表3所示。

表3的结果表明大豆籽粒压缩的最大破坏力、最大破坏能、变形量、表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小。

表3 大豆籽粒Y轴(中轴)压缩参数

储藏压力增大，大豆籽粒的结构损伤增大，它的抵抗破坏的力和能将减小，弹性模量也减小，试验结果表明了储藏压力对大豆籽粒结构的改变规律。

3.3 不同储藏压力储藏后，Z轴(短轴)压缩大豆的压缩特性

在储藏压力分别为 87、115、150、161、211、300 kPa条件下，大豆储藏6个月。每一个储藏压力的大豆，取30个样品进行Z轴(短轴)压缩。大豆籽粒没有明显的破裂点，所以得不到最大破坏力、最大破坏能和最大变形量。其表观接触弹性模量如表4所示。

表4 大豆籽粒Z轴(短轴)压缩的表观接触弹性模量

表4的结果表明表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小。

储藏压力增大，大豆籽粒的结构损伤增大，弹性模量减小，试验结果表明了储藏压力对大豆籽粒结构的改变规律。

4 结论

4.1 在储藏压力为87～300 kPa条件下储藏6个月，大豆籽粒长轴压缩的最大破坏力随着储藏压力的增大而减小，变化范围是101.51～85.30 N，最大破坏能随着储藏压力的增大而减小，变化范围为83.33～68.28 mJ。表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小，变化范围是185.34～156.93 MPa。

4.2 在储藏压力为87～300 kPa条件下储藏6个月，大豆籽粒中轴压缩的最大破坏力随着储藏压力的增大而减小，变化范围是91.81～76.77 N，最大破坏能随着储藏压力的增大而减小，变化范围为84.12～69.13 mJ。表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小，变化范围是200.29～131.99 MPa。

4.3 在储藏压力为87～300 kPa条件下储藏6个月，大豆籽粒短轴压缩时没有破裂点，表观接触弹性模量随着储藏压力的增大而减小，变化范围为288.8～206.73 MPa。

参考文献

[1]Zorerb G C，Hall C W.Some Mechanical and rheological properties of grain[J].The Journal of Agricultural Engineering，1960，5(1):83－92

[2]Zorerb G C.Instrumentation and measurement techniques for determining physical properties of farm products[J].Transaction of the ASAE，1967，10(1):100－109

[3]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

[4]刘志云，温吉华.大豆弹性模量的测量与研究[J].粮食储藏，2010(3):27－30

[5]马小愚，雷得天.大豆籽粒力学性质的试验研究[J].农业机械学报，1988(3):69－75

[6]石翠霞，陆琳琳，程绪铎.小麦堆压缩试验的特性研究[J].粮食储藏，2011(4):33－37

[7]ASAE S368.4 DEC2000(2006)，Compression Test of Food Material of Convex Shape[S].St Joseph；American Society of Agriculture and Biological Engineers，2006:72－76

[8]Misra R N，Young J X.A model for predicting the modulus of moisture content on the modulus of elasticity of soybeans[J].Transactions of ASAE，1981，24(5):1241－1338

[9]程绪铎，黄之斌，夏俞芬.大豆表观弹性模量的测定[J].粮食储藏，2012(3):9－13

[10]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.