油用牡丹籽粒破殼力學特性試驗研究

姬江濤，陶 滿，張志紅，耿令新，謝金法，候小改

(河南科技大學 農業(yè)裝備工程學院，河南 洛陽 471003)

0 引言

油用牡丹是一種新興的木本油料作物，具有高產出、高含油率、高品質的特點。牡丹籽油更有著巨大的食用價值和藥用價值，含有多種對人體有益的物質和元素。其中，不飽和脂肪酸和多不飽和脂肪酸α-亞麻酸含量豐富，已遠遠超過稱為“黃金液體”的橄欖油[1-6]。

目前，國外對于牡丹的研究幾乎是一片空白，僅有一些日本學者研究了中日兩國牡丹花瓣中花青素的差異[7]。國內在牡丹籽油萃取工藝方面取得了豐碩的成果，衍生出了眾多的萃取方法：易軍鵬等研究了牡丹籽油超臨界二氧化碳萃取工藝，李加興等研究了水酶法提取牡丹籽油工藝，楊倩研究了亞臨界萃取牡丹籽油的工藝等[8-9]。除此之外，趙海軍研究了牡丹籽種仁脫皮去苦技術，馬素敏[10-11]研究了脫臭工藝條件對牡丹籽油反式脂肪酸形成及品質的影響，而對于牡丹籽脫殼方法的研究還很少見報道。

牡丹籽要萃取油，脫殼是首道工序，也是牡丹籽加工的技術難題之一。關于牡丹籽脫殼機械，國內僅有錦州俏牌機械有限公司研制的微調式牡丹籽脫殼機[12]。其采用的是定砂輪和動砂輪配合摩擦，將牡丹籽殼磨碎的方法，雖然整仁率高，但脫殼率低且需要將牡丹籽分級，對牡丹籽仁磨損嚴重，造成了巨大的浪費，設備造價也過于昂貴，不能滿足牡丹籽加工發(fā)展的需要。分析其原因，主要是由于沒有正確的脫殼理論作指導。因此，本文研究牡丹籽的壓縮力學特性，意在探明牡丹籽如何破殼，為進一步研制新型的牡丹籽脫殼機提供理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料及設備

1)新鮮的油用牡丹種子：產地為河南洛陽。

2)設備：DNS系列電子萬能試驗機；DH-101-3BS型電熱恒溫熱風干燥箱；TD51001電子天平(分度值0.01g)；游標卡尺(200mm×0.01mm)。

3)工具：托盤、密封袋、標簽、數碼相機等。

1.2 試驗方法

油用牡丹籽粒破殼的難易程度不僅與外界的加載條件有關，更與自身的物理特性密不可分，如形狀、尺寸及含水率等[13]。本文采用單因素試驗對各個因素進行試驗，分析其對油用牡丹籽粒破殼力的影響。

1.2.1 油用牡丹籽粒形狀的確定

成熟后的牡丹籽粒形狀各異，大致可分為橢圓形和扁平型。隨機挑選100粒牡丹籽觀察，共進行5次試驗，得橢圓形占15%，扁平形占85%。

1.2.2 油用牡丹籽粒尺寸的確定

牡丹籽粒大小不一，通過對牡丹籽粒進行測量，將其分為3個等級，分別為A級、B級、C級，其等級對應尺寸如表1所示。

表1 牡丹籽的分級

Table 1 The quality grade of peony seeds mm

級別長度范圍寬度范圍厚度范圍A5.5～8.325.4～7.13.94～5.87B8.32～10.187.1～8.825.87～7.56C10.18～13.348.82～10.367.56～9.3

1.2.3 油用牡丹籽粒含水率的確定

牡丹籽粒在破殼前一般先需要對其進行干燥，將其含水率降到一定的安全貯存范圍。參照其他糧食作物，其安全含水率為14%左右。為了便于比較和更加全面地了解含水率對牡丹籽破殼的影響，考慮到牡丹籽干燥時的不均勻性和儲藏后水分的流失，本次試驗選取含水率為5%、8%、11%、14%、17%等5個水平的牡丹籽。

1.2.4 油用牡丹籽粒加載方向的確定

2011年以來，學校依據課程建設目標，以“奠基學生一生幸福必備的素養(yǎng)”，即道德素養(yǎng)、人文素養(yǎng)、科學素養(yǎng)、健康素養(yǎng)、藝術素養(yǎng)為核心，采用國家課程校本化、校本課程特色化、實踐活動課程化的實施途徑，嘗試構建了具有五一特色的“幸福素養(yǎng)”課程體系。

根據牡丹籽的形狀，可將平行于牡丹籽根頂連線方向作為長度，定為X向，寬度定為Y向，厚度定為Z向。試驗機加載方向如圖1、圖2所示。

圖1 橢圓形

圖2 扁平型

1.2.5 油用牡丹籽粒加載速度的確定

油用牡丹籽粒屬于農業(yè)物料的范疇，其加載速率的確定應控制在合理的范圍內。參照板栗、油茶果、蓖麻果、核桃等力學特性的研究[14]，并結合牡丹籽粒自身的尺寸，本文將加載速率定為5～25 mm/min，并等距分配，分別為5、10、15、20 、25mm/min。

2 試驗與分析

2.1 加載方向對油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機從試驗樣品中抽取適量油用牡丹籽粒，籽粒無霉變、無破損，用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%，從中挑選扁平形的B等級油用牡丹籽粒進行試驗。固定試驗機壓頭加載速率為15mm/min，分別對油用牡丹籽粒的X向、Y向、Z向進行加載，每組試驗重復5次取平均值。根據試驗結果，繪制油用牡丹籽粒沿不同加載方向加載時破殼力與位移之間的關系圖，如圖3所示。

圖3 油用牡丹籽粒沿不同方向加載時破殼力與位移之間的曲線圖

分析油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖可知：牡丹籽粒在準靜態(tài)壓縮試驗剛開始時，加載力與位移呈正比，即牡丹籽粒所受到的壓力與變形量之間為線性增長的關系，此時牡丹籽粒主要發(fā)生了彈性形變。隨著試驗機上壓頭的不斷下移，加載力逐漸增大，直線開始向曲線轉變，說明彈性形變和塑性形變同時發(fā)生。當加載力達到牡丹籽殼纖維組織所能承受的極限時，再繼續(xù)增大加載力，牡丹籽殼中的纖維組織便出現斷裂，抗壓能力瞬間急速降低，此時所需要的破殼力減小，牡丹籽粒外殼出現破裂。在此階段曲線上，最高點對應的加載力即為牡丹籽的破殼力。

根據不同加載方向下的油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖，記錄每次試驗下牡丹籽粒破殼時的破殼力值，并計算試驗結果的平均值，結果如表2所示。

表2 油用牡丹籽粒沿不同方向加載時的破殼力

由表2可以看出：油用牡丹籽粒的破殼力隨著加載方向的不同而表現出顯著的差異，破殼力之間存在如下關系：FX向加載

圖4 不同加載方向下牡丹籽的裂紋情況

2.2 加載速率對油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機從試驗樣品中抽取適量油用牡丹籽粒，籽粒無霉變、無破損，用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%，從中挑選扁平形的B等級油用牡丹籽粒進行試驗。固定加載方向為X向，調整試驗機使其以5個不同的加載速度對油用牡丹籽粒進行加載，根據油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖，記錄牡丹籽粒破殼時的破殼力值，每組試驗重復5次取平均值，結果如表3所示，對試驗結果進行單因素方差分析如表4所示。

表3 油用牡丹籽粒在不同加載速率時的破殼力

F0.05(4，20)=2.87F0.01(4，20)=4.43。

表4 油用牡丹籽粒破殼力與加載速率之間的方差分析表

Table 4 Analysis of variance between shelling force of peony seeds and loading rate

方差來源平方和自由度均方F回歸41044102641.54剩余4942024.7總和459824

表4中，F=41.54>F0.01(4，20)，說明加載速率對油用牡丹籽粒的破殼力影響極為顯著。由表3可知：加載速率不同，牡丹籽粒的破殼力值也不同。利用SPSS軟件，對表3中的數據進行回歸分析，得到油用牡丹籽粒破殼力關于試驗機加載速率的回歸方程為

y=-0.078x2+4.11x+61.18

(1)

其中，y為破殼力(N)；x為加載速率(mm/min)。

油用牡丹籽粒破殼力和加載速率之間的關系曲線如圖5所示。

圖5 油用牡丹籽粒破殼力和加載速率之間的關系曲線

由圖5可知：破殼力隨著加載速率的增加不斷升高，當加載速率超過20 mm/min后，破殼力增速趨于平緩。其主要原因是：加載速率越大，牡丹籽的外殼破裂程度就越充分，破殼時所要克服的阻力就越大。當加載速率增加到一定程度時，破殼所要克服的阻力達到極限后不再增加，破殼力也不再增加。

2.3 牡丹籽形狀對油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機從試驗樣品中抽取適量油用牡丹籽粒，籽粒無霉變、無破損，用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%，從中挑選B等級油用牡丹籽粒進行試驗。固定加載方向為X向，試驗機加載速度為15 mm/min，對扁平形和橢圓形的牡丹籽粒分別進行加載，根據油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖，記錄牡丹籽粒破殼時的破殼力值，每組試驗重復5次取平均值，結果如表5所示。對2組不同幾何形狀的牡丹籽粒破殼力進行方差分析，從而判斷牡丹籽粒的形狀對破殼力的影響程度，結果如表6所示。

表5 不同形狀的油用牡丹籽粒的破殼力

表6 油用牡丹籽粒破殼力與形狀的方差分析表

Table 6 Analysis of variance between shelling force and shape of peony seeds

方差來源平方和自由度均方F值回歸921.61921.627.63剩余266.8833.35總和1188.49

F0.05(1，8)=5.32F0.01(1，8)=11.26。

表6中，F=27.63>F0.01(1，8)，說明牡丹籽粒形狀對破殼力的影響極為顯著。由表5可知：橢圓型的牡丹籽破殼力比扁平形的要小些。其原因主要是：兩種形狀的牡丹籽在幾何尺寸(長度、寬度和高度)相近時，試驗機壓頭與其接觸面積存在一定的關系，即S扁平>S橢圓，接觸面積越小，牡丹籽殼受到的應力越集中，越容易破殼。另外，通過測量兩種形狀的牡丹籽在X方向殼與仁之間的間隙發(fā)現，間隙t橢圓>t扁平，間隙越大，越易破殼。

2.4 牡丹籽尺寸對油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機從試驗樣品中抽取適量油用牡丹籽粒，籽粒無霉變、無破損，用烘干箱低溫將其干燥到含水率為11%，從中挑選扁平形的油用牡丹籽粒進行試驗。固定加載方向為X向，試驗機加載速度為15 mm/min，對A、B、C等3種等級的油用牡丹籽粒分別進行加載，根據油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖，記錄牡丹籽粒破殼時的破殼力值，每組試驗重復5次取平均值，結果如表7所示，對試驗結果進行單因素方差分析如表8所示。

表7 不同尺寸的油用牡丹籽粒的破殼力

表8 油用牡丹籽籽粒破殼力與尺寸的方差分析表

Table 8 Analysis of variance between shelling force and size of peony seeds

方差來源平方和自由度均方F值回歸5114.822557.477.185剩余397.61233.133總和5512.414

F0.05(2,12)=3.89F0.01(2,12)=6.93。

表8中，F=77.185>F0.01(2,12)，說明牡丹籽粒的大小對破殼力的影響極為顯著。由表7可知：油用牡丹籽粒的破殼力隨著牡丹籽粒的大小等級變化而變化，牡丹籽粒的尺寸越大，籽粒越飽滿，其相應的破殼力越大；反之，牡丹籽粒的尺寸越小，其對應的破殼力越小。其主要原因是：飽滿的籽粒殼仁之間間隙較小，果殼較厚，堅實度高。除此之外，試驗機壓頭與果殼的接觸面積的大小對破殼力的大小也有一定的影響，顯然SA級

2.5 牡丹籽含水率對油用牡丹籽粒破殼力的影響

隨機從試驗樣品中抽取適量油用牡丹籽粒，籽粒無霉變、無破損，用烘干箱低溫將其干燥到含水率5%、8%、11%、14%和17%等5個不同水平的含水率，從中挑選扁平形的B等級油用牡丹籽粒進行試驗。固定加載方向為X向，試驗機加載速度為15 mm/min，根據油用牡丹籽粒破殼力與位移的曲線圖，記錄牡丹籽粒破殼時的破殼力值，每組含水率試驗重復5次取平均值，結果如表9所示，對試驗結果進行單因素方差分析如表10所示。

表9 不同含水率的油用牡丹籽粒破殼力

表10 油用牡丹籽粒破殼力與含水率的方差分析表

Table 10 Analysis of variance between shelling force and moisture content of peony seeds

方差來源平方和自由度均方F值回歸72345.04418086.26263.0346剩余1375.22068.76總和73720.2424

F0.05(4,20)=2.87F0.01(4,20)=4.43。

表10中，F=263.034 6>F0.01(4,20)，說明牡丹籽的含水率對破殼力的影響極為顯著。由表9可知：不同含水率的牡丹籽其破殼的難易程度是不同的。用SPSS軟件，對表9中的數據進行回歸分析，得到油用牡丹籽粒破殼力關于籽粒含水率的回歸方程為

y=0.83x2-6.06x+70.53

(2)

其中，y為破殼力(N)；x為含水率(%)。

油用牡丹籽粒破殼力和含水率之間的關系曲線如圖6所示。

圖6 油用牡丹籽粒破殼力和含水率之間的關系曲線

由圖6可知：油用牡丹籽粒破殼力隨著含水率的降低而急速減小。其主要原因是：含水率較低時，牡丹籽粒的殼較脆，其抵抗變形和破碎的能力就越弱，越容易破殼。因此，在對油用牡丹籽粒進行脫殼時，含水率不宜太高，否則不易脫殼。

3 結論

1)影響牡丹籽破殼力的主要因素為加載方向、加載速率，以及牡丹籽粒的形狀、大小和含水率。

2)從X、Y、Z等3個不同的方向對牡丹籽施加載荷，其破殼力規(guī)律如下：FX

3)方差分析表明：加載速率及牡丹籽粒形狀、大小和含水率對破殼力的影響極為顯著。破殼力隨著加載速率的增加不斷升高，當加載速率超過20 mm/min后，破殼力增速趨于平緩；橢圓型的牡丹籽比扁平形的破殼力要小，更易破殼；牡丹籽尺寸越小，越易破殼；破殼力隨著含水率的增加而增加。

4)通過試驗，建立了破殼力與加載速率和含水率之間的函數模型。牡丹籽破殼力和加載速率之間的函數關系式為y=-0.078x2+4.11x+61.18，牡丹籽破殼力和含水率之間的函數關系式為y=0.83x2-6.06x+70.53。

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