葡萄籽物理特性試驗研究

周 亞，張東峰*，馬建龍，韓棒斌

（1.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

隨著人們健康理念的不斷增強(qiáng)，人們對食用油品質(zhì)也有了更高的追求，葡萄籽油中含豐富的亞油酸和多種不飽和脂肪酸，更加符合現(xiàn)代的健康理念[1]。葡萄籽破殼環(huán)節(jié)是整個葡萄籽油生產(chǎn)加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)的葡萄籽榨油是對整個葡萄籽進(jìn)行壓榨提取，這種方式出油率較低。該研究提出的新型葡萄籽榨油技術(shù)是先對葡萄籽進(jìn)行破殼，然后進(jìn)行殼仁分選，最后直接對分選出的籽仁進(jìn)行榨油。這種方法比傳統(tǒng)的方法出油率提高一倍，而葡萄籽的物理特性則是影響其破殼的關(guān)鍵問題。本文主要研究寧夏地區(qū)葡萄籽的物理特性，為設(shè)計葡萄籽破殼分選技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

該研究選取測試的葡萄籽為寧夏地區(qū)紅酒莊園釀酒后的從酒糟（葡萄渣）中分離出來的葡萄籽。釀酒葡萄大多數(shù)為赤霞珠、蛇龍珠、梅樂等不同品種，葡萄渣中一般有葡萄梗、葡萄籽、葡萄皮等。

儀器有游標(biāo)卡尺、推拉力計、萬能材料試驗機(jī)、精密電子天平、紅外水分干燥儀、掃描電鏡等。

游標(biāo)卡尺為東莞三量量具有限公司生產(chǎn)的數(shù)顯式游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm，量程為0～150 mm。

推拉力計為東莞三量量具有限公司生產(chǎn)的SL-500型數(shù)顯式推拉力計，精度為0.1 N，量程為0～500 N。

萬能材料試驗機(jī)是由蘇州牧象檢測設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MXS-20T 型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)，其精度和量程為0.001～1 000 mm/min。

電子天平是由愛來寶（濟(jì)南）生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的賽多麗斯BSA224S 型，精度為0.1 mg，最大承重為220 g。

掃描電鏡為北京中科科儀股份有限公司生產(chǎn)的KYKY-EM8100 型掃描儀，分辨率可達(dá)到3 nm，放大倍數(shù)為15～8 000，自由可調(diào)。

為確保試驗的準(zhǔn)確性，將采用多次測試和統(tǒng)一均化分析的統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行試驗。試驗過程中將對每一種參數(shù)都進(jìn)行多次重復(fù)測試，這樣可以減少由隨機(jī)誤差產(chǎn)生的影響。對每一次測試出的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均分析處理，最終得出準(zhǔn)確可靠的葡萄籽物理特性參數(shù)。

2 主要試驗指標(biāo)

試驗測定的特性有葡萄籽的形狀、幾何尺寸、葡萄籽含水率、千粒重、籽仁所占葡萄籽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、破殼所需最大破殼力和微觀結(jié)構(gòu)等。與破殼分選機(jī)設(shè)計有關(guān)的物理特性主要有形狀與外形尺寸、含水率、破殼所需的破殼力等。在決定破殼分選機(jī)工件部件參數(shù)時，經(jīng)常采用統(tǒng)計學(xué)方法測定種子的上述特性[2]。

葡萄籽的形狀與尺寸影響葡萄籽在破殼分選時的流動性與填充度，同時也決定了篩選時篩網(wǎng)的大小和形狀等參數(shù)。在設(shè)計破殼機(jī)時，葡萄籽的形狀直接決定了破碎元器件的幾何尺寸以及配合尺寸。

觀察葡萄籽的微觀結(jié)構(gòu)可以直接分析出葡萄籽的結(jié)構(gòu)特點，了解葡萄籽殼和籽仁的結(jié)構(gòu)關(guān)系以及葡萄籽內(nèi)部是否存在可能干涉破殼的各種微觀雜質(zhì)異物等，同時也對后續(xù)破殼方法的設(shè)計提供了理論支持。

千粒重是正確計算破殼喂入量的必要依據(jù)。在后續(xù)設(shè)計破殼分選機(jī)時，千粒重可以為確定機(jī)器破殼室容積尺寸的大小提供依據(jù)，也可以作為破殼元器件受力分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

葡萄籽的含水率是正確計算破碎力大小的必要條件，為破殼分選機(jī)破碎輥的設(shè)計提供依據(jù)[3]。在測定破殼分選設(shè)備的最優(yōu)工作參數(shù)時，含水率是一個重要影響因素，含水率不同，破殼的效果也不同。

葡萄籽的破殼力是直接影響破殼分選機(jī)作業(yè)效果的參數(shù)，故葡萄籽的破殼力可以作為破殼分選機(jī)工作的一個性能指標(biāo)。在設(shè)計破殼機(jī)時，葡萄籽的破殼力可以用于確定破殼元器件的尺寸、運行速度、電機(jī)的選型等等。

葡萄籽在葡萄渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗可以估算寧夏地區(qū)葡萄籽的產(chǎn)量以及葡萄籽分選機(jī)的喂入量。

3 試驗測定與分析

3.1 葡萄籽的形狀與尺寸

由于不同品種的葡萄籽在形態(tài)上存在差異性，故葡萄籽的形狀和尺寸目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。本文選取的試驗對象，形狀為扁平的紡錘形，試驗測定其寬度、厚度，統(tǒng)計其粒徑大小分布規(guī)律[4]。從試驗的葡萄籽中隨機(jī)選取100 粒葡萄籽，用游標(biāo)卡尺測量并繪制統(tǒng)計圖，見圖1～2。

圖1 葡萄籽厚度分布

圖2 葡萄籽寬度分布

由圖1～2 可知，葡萄籽的寬度、厚度均呈正態(tài)分布，寬度分布主要集中在3.4～4.0 mm，厚度主要集中在2.4～3.0 mm。

葡萄籽粒徑的寬度、厚度經(jīng)均值計算后，結(jié)果見表1。

表1 種子的幾何尺寸

由圖1～2 可知，葡萄籽種子的形狀和外形尺寸具有明顯的差異性。葡萄籽的平均寬度為3.70 mm，平均厚度為2.73 mm。

3.2 葡萄籽的微觀結(jié)構(gòu)

運用掃描電子顯微鏡，對葡萄籽剖面進(jìn)行掃描。放大倍數(shù)不同，不僅可以觀察葡萄籽內(nèi)部構(gòu)造，也能觀察到葡萄籽內(nèi)部細(xì)胞排列結(jié)構(gòu)。剖面掃描圖見圖3～6。

由圖3 可以清晰地看到，葡萄籽的結(jié)構(gòu)包括種皮、外殼、籽仁和木質(zhì)夾層。種皮凹凸不平地分布在外殼上；外殼厚度不均勻，形狀復(fù)雜不規(guī)則；籽仁上密布油脂空隙，且籽仁、外殼和木質(zhì)夾層之間相互連接緊密，交錯糅雜在一起，這對后續(xù)的分離清選帶來一定的干擾；木質(zhì)夾層排列混亂，表層崎嶇不平且中間有孔隙，故其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不高。

圖3 葡萄籽剖面20 倍放大圖

由圖4 發(fā)現(xiàn)，外殼的細(xì)胞呈長條狀，豎直排列且排列較為均勻緊密，細(xì)胞的這種排列方式使葡萄籽的外殼質(zhì)地堅硬。

圖4 葡萄籽外殼500 倍放大圖

由圖5 可知，葡萄籽仁內(nèi)遍布著蜂巢狀隔層，在每個隔層中都含有油脂分子團(tuán)。油脂分子團(tuán)表面不光滑，遍布凸起，且各油脂分子團(tuán)的形狀大小各不相同。大多數(shù)油脂分子團(tuán)并未充滿整個隔層，與隔層壁存在空隙，因此這些油脂分子團(tuán)便于提取。由圖5 可證實，葡萄籽仁內(nèi)含有大量油脂，且易于提取。

圖5 葡萄籽籽仁500 倍放大圖

由圖6 可知，木質(zhì)夾層細(xì)胞分子排列混亂，中間存在少量間隙，且沒有油脂；同時，有大量碎屑存在，這是由于木質(zhì)夾層的脆性大導(dǎo)致其易破碎。因此，在后續(xù)葡萄籽的破碎中可能出現(xiàn)木質(zhì)夾層粉末化的現(xiàn)象。

圖6 葡萄籽木質(zhì)夾層100 倍放大圖

3.3 葡萄籽的千粒重

千粒重表示種子的飽滿程度，是種子物理特性的一個重要指標(biāo)，與種子的飽滿度、填充度、均勻性、粒徑大小成正比。

該試驗采用千粒法，分別從含水率7%葡萄籽樣品中取N=1 000 粒葡萄籽，重復(fù)試驗3 次，用精密電子秤測出其質(zhì)量（單位：g），測得3 次重復(fù)差小于5%，取其平均數(shù)，得出含水率7%葡萄籽的千粒重。

經(jīng)均值計算后得出，含水率在7%的葡萄籽的千粒重為24.39 g。

3.4 葡萄籽的含水率

含水率是種子所含水的質(zhì)量與種子質(zhì)量的百分比，是種子保持生命活力且能安全貯藏的含水量，與葡萄籽的破碎力成反比。

該試驗按照《農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程：水分測定》中的方法進(jìn)行測定。葡萄籽的含水率見表2。

表2 葡萄籽不同時期的含水率

3.5 葡萄籽的破殼力

破殼力指能破壞葡萄籽殼體的最小力。測試方法：隨機(jī)抽取大小均勻的葡萄籽，按照含水率不同進(jìn)行分類，使用萬能試驗臺和SL-500 數(shù)顯式推拉力計，擠壓葡萄籽直到葡萄籽殼體破裂，讀出最大峰值并記錄。從每組葡萄籽中隨機(jī)抽取多個依次測量，測量后根據(jù)測量結(jié)果繪制出葡萄籽破殼力明細(xì)表。該次試驗分別以葡萄籽含水率7%，12%，17%，22%，27%等作為梯度進(jìn)行測量。由表3 可知，含水率越高所需要的破殼力越小，在含水率最小處（自然條件下葡萄籽最小含水率在7%）需要最大的破殼力為35 N，即兩者成反比。破殼力明細(xì)表見表3。

表3 葡萄籽破殼力明細(xì)表

3.6 葡萄籽在葡萄渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

通過測試葡萄渣質(zhì)量和分離出的葡萄籽質(zhì)量計算葡萄籽在葡萄渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。該次試驗葡萄渣的含水率分為10%，20%和30%。為保證試驗的準(zhǔn)確性，從計算出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)中去掉一個最大值和一個最小值，求平均值。試驗后的結(jié)果見表4。

表4 葡萄籽占葡萄渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由試驗結(jié)果可知，由于葡萄籽和葡萄渣吸水系數(shù)的不同，導(dǎo)致隨著葡萄渣含水率的上升，葡萄籽在葡萄渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

4 結(jié)論

本文研究葡萄籽的外形尺寸、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、破殼力的大小、含水率等相關(guān)物理特性，通過試驗分析發(fā)現(xiàn)：

（1）葡萄籽的含水率直接影響破殼力的大小，它們一般成反比。

（2）含水率為7%的葡萄籽，所需破殼力約為35.1 N；含水率為27%的葡萄籽，所需破殼力約為26.1 N。

（3）葡萄籽的厚度分布范圍為2.0～3.2 mm，寬度分布為3.0～4.2 mm，且呈現(xiàn)出正態(tài)分布規(guī)律。由數(shù)據(jù)可知，葡萄籽大致呈紡錘形，寬度和厚度略微有差異。

（4）葡萄籽在葡萄渣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高，但依然跟含水率有一定關(guān)聯(lián)。葡萄渣含水率為10%時，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.21%；含水率為20%時，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.5%；含水率為30%時，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.58%。由數(shù)據(jù)可知，葡萄籽占葡萄渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與葡萄渣的含水率成反比。這一結(jié)論為后續(xù)殼仁分離方法的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

（5）由葡萄籽微觀結(jié)構(gòu)圖可以看出，葡萄籽內(nèi)部有木質(zhì)夾層與籽仁互相嵌套，因此葡萄籽仁和這些夾層如何分離是葡萄籽破殼榨油的一個難點。