蕎麥碾搓脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

李進(jìn)才，趙習(xí)姮，趙建城，郭慧敏，王 超

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072； 2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072； 3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

蕎麥碾搓脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

李進(jìn)才1，趙習(xí)姮2，趙建城3，郭慧敏1，王 超3

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072； 2.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072； 3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

為提高蕎麥(FagopyrumesculentumMoench)碾搓脫殼生產(chǎn)效益，以整半仁率為脫殼指標(biāo)，對砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了正交優(yōu)化試驗(yàn)，并用5個蕎麥品種進(jìn)行了優(yōu)化技術(shù)參數(shù)的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，蕎麥碾搓脫殼砂盤的工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙對整半仁率均有顯著影響，其中以剝殼間隙影響最大，其次是工作面寬度；粒度3.8～4.2 mm、4.2～4.6 mm、4.6～5.0 mm蕎麥碾搓脫殼的砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)(工作面寬度-轉(zhuǎn)速-剝殼間隙)，分別為8 cm-813 r/min-3.6 mm、8 cm-813 r/min-3.8 mm、8 cm-813 r/min-4.2 mm，對應(yīng)的整半仁率在55%、59%、62%以上。該研究結(jié)果對蕎麥脫殼技術(shù)研發(fā)及脫殼生產(chǎn)工藝調(diào)整等有指導(dǎo)意義。

蕎麥籽粒；碾搓脫殼；砂盤工作面寬度；轉(zhuǎn)速；剝殼間隙；整半仁率

蕎麥(FagopyrumesculentumMoench)籽粒為三棱錐形，殼較堅韌，仁脆易碎，殼仁間隙較小，機(jī)械脫殼效率較低。近年來，我國蕎麥應(yīng)用及深加工發(fā)展迅速，但落后的脫殼技術(shù)與設(shè)備成為目前制約我國蕎麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個主要環(huán)節(jié)[1-3]。蕎麥碾搓脫殼設(shè)備便宜，操作簡單，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但存在仁破碎率較高或部分籽粒不能脫殼問題，生產(chǎn)效益較低。脫殼砂盤是蕎麥碾搓脫殼生產(chǎn)線中的關(guān)鍵部件，由劉艷輝等[4]的研究結(jié)果可以看出，磨盤工作面寬度對苦蕎脫殼的整半仁率有顯著影響；刁斯琴等[5]通過砂盤轉(zhuǎn)速和剝殼間隙的單因素試驗(yàn)，研究了剝殼間隙對蕎麥整半仁率的影響規(guī)律，結(jié)果表明，優(yōu)化碾搓脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)可以有效降低仁破碎率；陳偉等[6]也報道砂盤剝殼間隙很小的變化，會使出米率有很大差異。由此可見，蕎麥碾搓脫殼的生產(chǎn)效率與砂盤的工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙均有密切關(guān)系；但是，這些因素是同時對蕎麥產(chǎn)生碾搓作用，會互有影響與制約。為提高蕎麥碾搓脫殼生產(chǎn)效益，本研究對砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了正交優(yōu)化。

1 材料與方法

1.1 供試材料

蕎麥碾搓脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的供試蕎麥材料為山西中北部栽培的“晉蕎1號”；優(yōu)化技術(shù)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)的供試蕎麥材料為“晉蕎1號”(A)，以及山西中北部栽培的“日本蕎麥”(B)、“渾源蕎麥”(C)、“平魯甜蕎”(D)和“左權(quán)蕎麥”(E)等5個蕎麥品種。由于這5個蕎麥品種粒度為3.8～5.0 mm的籽粒占90%以上[7]，供試蕎麥材料用孔徑3.8、4.2、4.6、5.0 mm的圓孔篩篩分后，取粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥進(jìn)行砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)和優(yōu)化技術(shù)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

蕎麥碾搓脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，選取砂盤工作面寬度、砂盤轉(zhuǎn)速和砂盤剝殼間隙3個處理因素，各處理因素設(shè)計3個水平，如表1所示。粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案，均采用正交試驗(yàn)L9(34)確定9個組合處理，如表2所示。

對正交試驗(yàn)L9(34)優(yōu)選出的砂盤技術(shù)參數(shù)，用A、B、C、D、E的5個蕎麥品種進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，重復(fù)3次。

表1 不同粒度蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的處理因素與水平

表2 蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)方案L9(34)

處理序號處理因素及其水平工作面寬度轉(zhuǎn)速剝殼間隙111121223133421252236231731383219332

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)

砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)和優(yōu)化技術(shù)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)的觀測指標(biāo)均為整半仁率，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥脫殼后，分別用孔徑1.8、2.0、2.2 mm的圓孔篩篩分，篩上留存的為蕎麥整半仁和未脫殼籽粒，撿出未脫殼籽粒，整半仁率=脫殼后整半仁質(zhì)量÷脫殼前蕎麥質(zhì)量×100%。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有TK300型蕎麥脫殼機(jī)、RF300A型電機(jī)變頻器和EMT260B型數(shù)字轉(zhuǎn)速表。

1.5 數(shù)據(jù)分析

優(yōu)化試驗(yàn)L9(34)和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果，采用Excel 2000軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。處理因素對整半仁率影響的顯著性用F檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，以“**”和“*”分別表示在F<0.01和F<0.05水平顯著。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差”，不同品種間的差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan法，以不同英文字母a、b和c表示在P<0.05水平差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒度3.8～4.2 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)

粒度3.8～4.2 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析如表3所示。由正交試驗(yàn)L9(34)整半仁率的統(tǒng)計分析得知：砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙對整半仁率均有顯著影響(F<0.05)，其中以剝殼間隙的影響最大(F<0.01)，其次為工作面寬度(F<0.01)；各處理因素優(yōu)水平為工作面寬度8 cm，轉(zhuǎn)速813 r/min，剝殼間隙3.6 mm，砂盤優(yōu)化工藝參數(shù)為:工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙3.6mm。

粒度3.8～4.2 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)(工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙3.6 mm)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，5個蕎麥品種A、B、C、D和E脫殼的整半仁率均在55%以上，但不同品種之間有差異，其中品種A低于D，品種B低于C、D和E(P<0.05)，其他品種之間差異較小(P>0.05)。

表3 粒度3.8～4.2 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)L9(34)的結(jié)果及其分析

注：**和*分別表示F檢驗(yàn)在1%和5%水平顯著。

圖1 粒度3.8～4.2 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)

2.2 粒度4.2～4.6 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)

粒度4.2～4.6 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析如表4所示。由正交試驗(yàn)L9(34)整半仁率的統(tǒng)計分析得知：砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙對整半仁率均有顯著影響(F<0.05)，其中以剝殼間隙的影響最大(F<0.01)，其次為工作面寬度(F<0.05)；各處理因素優(yōu)水平為：工作面寬度8 cm，轉(zhuǎn)速813 r/min，剝殼間隙3.8 mm。砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)為：工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙3.8 mm。

粒度4.2～4.6 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)(工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙3.8 mm)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。5個蕎麥品種A、B、C、D和E脫殼的整半仁率均在59%以上，但不同品種之間有差異，其中品種A低于D，品種B低于C、D和E(P<0.05)，其他品種之間差異較小(P>0.05)。

表4 粒度4.2～4.6 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)L9(34)的結(jié)果及其分析

注：**和*分別表示F檢驗(yàn)在1%和5%水平顯著。

圖2 粒度4.2～4.6 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)

2.3 粒度4.6～5.0 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)

粒度4.6～5.0 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)正交優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析如表5所示。由正交試驗(yàn)L9(34)整半仁率的統(tǒng)計分析得知：砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙對整半仁率均有顯著影響(F<0.05)，其中以剝殼間隙的影響最大(F<0.01)，其次為工作面寬度(F<0.01)；各處理因素優(yōu)水平為：工作面寬度8 cm，轉(zhuǎn)速813 r/min，剝殼間隙4.2 mm。砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)為：工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙4.2 mm。

粒度4.6～5.0 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)(工作面寬度8 cm-轉(zhuǎn)速813 r/min-剝殼間隙4.2 mm)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。5個蕎麥品種A、B、C、D和E脫殼的整半仁率均在62%以上，但不同品種之間有差異，其中品種A低于C和D，品種B低于C、D和E(P<0.05)，其他品種之間差異較小(P>0.05)。

表5 粒度4.6～5.0 mm蕎麥脫殼砂盤技術(shù)參數(shù)優(yōu)化正交試驗(yàn)L9(34)的結(jié)果及其分析

注：**和*分別表示顯著性F檢驗(yàn)在1%和5%水平顯著。

圖3 粒度4.6～5.0 mm蕎麥脫殼砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)

3 討論

3.1 砂盤工作面寬度對整半仁率的影響

砂盤工作面寬度與蕎麥籽粒受碾搓路徑長成正比，較寬的砂盤工作面一方面有利于提高脫殼效率，另一方面也會增加仁破損率，整半仁率是兩個方面的綜合體現(xiàn)。在本研究的砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙3個處理因素的各3水平試驗(yàn)范圍內(nèi)，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥脫殼優(yōu)選砂盤工作面寬度，均以較大砂盤工作面寬度8 cm優(yōu)于較小工作面寬度4和6 cm(見表3～表5)。當(dāng)然，也不一定是砂盤工作面寬度越大越好，如濕潤苦蕎麥碾磨脫殼的整半仁率就是砂盤工作面寬度5 mm大于7 mm[4]。

3.2 砂盤轉(zhuǎn)速對整半仁率的影響

砂盤轉(zhuǎn)速與脫殼生產(chǎn)效率密切相關(guān)，但砂盤轉(zhuǎn)速越高蕎麥籽粒瞬時受力也越大，較高的砂盤轉(zhuǎn)速一方面有利于提高脫殼效率，另一方面也會增加仁破損率，整半仁率是兩個方面的綜合體現(xiàn)。在本研究的砂盤工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙3個處理因素的各3水平試驗(yàn)范圍內(nèi)，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥脫殼砂盤優(yōu)選轉(zhuǎn)速，均以較低轉(zhuǎn)速813 r/min優(yōu)于較高轉(zhuǎn)速986 r/min和1 174 r/min(見表3～表5)。如果砂盤轉(zhuǎn)速設(shè)定進(jìn)一步降低，雖然仁破損率會減少，但生產(chǎn)效率也會降低，整半仁率并不一定會提高。從刁斯琴等[5]的研究報道可以看出，粒度4.6～4.8 mm蕎麥在較優(yōu)剝殼間隙4.0 mm下，碾磨脫殼砂盤轉(zhuǎn)速以1 038 r/min整半仁率較高，砂盤轉(zhuǎn)速低于985 r/min時整半仁率則逐漸下降。濕潤苦蕎麥碾磨脫殼的砂盤轉(zhuǎn)速過高或過低，也導(dǎo)致了整半仁率的下降[4]。

3.3 砂盤剝殼間隙對整半仁率的影響

砂盤剝殼間隙與蕎麥籽粒的碾搓受力大小成正比，與工作面寬及轉(zhuǎn)速的影響一樣，較小的砂盤間隙一方面有利于提高脫殼效率，另一方面也會增加仁破損率。陳偉等[6]報道砂盤剝殼間隙僅0.2 mm的微小變化，出米率相差近20%。粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥碾搓脫殼砂盤優(yōu)選剝殼間隙，分別以3.6、3.8、4.2 mm較好(見表3～表5)，刁斯琴等[5]也報道優(yōu)選的粒度4.6～4.8 mm蕎麥碾搓脫殼的砂盤剝殼間隙為4.0 mm。

另外，計算即可得知，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的蕎麥碾搓脫殼，平均粒度與較優(yōu)剝殼間隙的差值分別為0.4、0.6、0.6 mm，表明較小粒度的蕎麥碾搓脫殼以相對較大的剝殼間隙為宜，反之較大粒度的蕎麥碾搓脫殼以相對較小的剝殼間隙為宜。這是由于，三棱錐形蕎麥的殼仁間隙，特別是棱角處的殼仁間隙，一般與粒度大小成正比；所以，較大粒度的蕎麥以相對較小剝殼間隙進(jìn)行碾搓脫殼時，脫殼效率較高，但仁破損率并不會同比例增大。

3.4 不同蕎麥品種整半仁率的差異

不同蕎麥品種的含水率有差異，由此會造成殼韌性的不同，不同蕎麥品種的殼仁間隙及仁硬度等也差異[7]。因此，反映碾搓脫殼效率和仁破損率的整半仁率指標(biāo)，在5個蕎麥品種A、B、C、D和E之間的也有差異(見圖1～圖3)。但是，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm的各蕎麥品種采用砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)脫殼時，整半仁率分別都在55%、59%、62%以上，表明砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)適用于不同蕎麥品種的碾搓脫殼。

4 結(jié)論

據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果及其分析可知，蕎麥碾搓脫殼砂盤的工作面寬度、轉(zhuǎn)速和剝殼間隙對整半仁率均有顯著影響，其中以剝殼間隙影響最大，其次為工作面寬度，粒度3.8～4.2、4.2～4.6、4.6～5.0 mm蕎麥碾搓脫殼的砂盤優(yōu)化技術(shù)參數(shù)(工作面寬度-轉(zhuǎn)速-剝殼間隙)，分別為8 cm-813 r/min-3.6 mm、8 cm-813 r/min-3.8 mm、8 cm-813 r/min-4.2 mm，其優(yōu)化技術(shù)參數(shù)對蕎麥脫殼技術(shù)與設(shè)備研發(fā)，以及蕎麥脫殼生產(chǎn)工藝調(diào)整等具有指導(dǎo)意義。

[1] 胡志超．加強(qiáng)蕎麥脫殼加工設(shè)備研究開發(fā)促進(jìn)蕎麥加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[J]．中國農(nóng)機(jī)化，2004(3)：11-13．

[2] 徐樹科．蕎麥的營養(yǎng)功能、應(yīng)用及其脫殼工藝和設(shè)備[J]．糧食與飼料工業(yè)，2004(12)：17-19．

[3] 向達(dá)兵，彭鐮心，趙 鋼，等．蕎麥栽培研究進(jìn)展[J]．作物雜志，2013(3)：1-6．

[4] 劉艷輝，杜文亮，吳英思．苦蕎麥脫殼工藝及主要參數(shù)的優(yōu)化[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2008(12)：131-133．

[5] 刁斯琴，杜文亮，隋建民，等．剝殼間隙對蕎麥整半仁率的影響規(guī)律[J]．食品與機(jī)械，2013，29(3)：191-193，221．

[6] 陳 偉，杜文亮，魏 鵬，等．剝殼間隙周向均勻性對蕎麥剝殼的影響[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2017(9)：19-24．

[7] 李進(jìn)才，趙習(xí)姮，趙建城，等．蕎麥籽粒的物理學(xué)特性研究[J]．食品與機(jī)械，2016，32(7)：1-4，79．

(責(zé)任編輯：俞蘭苓)

Optimization of technical parameters for sand wheel of extrusion-grind hulling in buckwheat (FagopyrumesculentumMoench) seeds

LI Jin-cai1, ZHAO Xi-heng2, ZHAO Jian-cheng3, GUO Hui-min1, WANG Chao3

(1. School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 3. Chinese Academy of Agricultural Mechanization Science, Beijing 300083, China)

In order to improve production efficiency of buckwheat extrusion-grind hulling, the orthogonal optimization tests of technical parameters was carried out by taking the whole-half kernel percentage as measuring index, working face width, rotational speed and shucking gap of the sand wheel as design variables. Five buckwheat cultivars were used to perform the confirmatory tests of optimized technical parameters. The results showed that:the face width, rotational speed and shucking gap imposed significant effect on the whole-half kernel percentage, specifically the shucking gap had the greatest impact, followed by the face width. The optimized technical parameters of extrusion-grind hulling method for three groups of buckwheat categorized by their grain sizes (grain size ranging between 3.8-4.2 mm, 4.2-4.6 mm, or 4.6-5.0 mm) were as follows (working face width-rotational speed-shucking gap): 8 cm-813 r/min-3.6 mm, 8 cm-813 r/min-3.8 mm, 8 cm-813 r/min-4.2 mm, and the resulted corresponding whole-half kernel percentage were over 55%, 59%, 62% respectively. These research results provide valuable information for the research and development, and production process adjustment of buckwheat hulling techniques.

buckwheat seeds; extrusion-grind hulling; working face width of sand wheel; rotational speed; shucking gap; whole-half kernel percentage

2017-02-16；

2017-04-22

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303069)。

李進(jìn)才(1960-)男，副教授，博士，主要從事食品貯藏與加工方面的研究。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.001

S517；TS210.4

A

1003-6202(2017)05-0001-05