粒型和含水率對秈糙米力學(xué)特性的影響

安紅周， 費小吉， 劉 潔， 楊 柳， 林 乾， 羅 瓊

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院1, 鄭州 450052) (河南省谷物品質(zhì)分析與加工國際聯(lián)合實驗室2 ，鄭州 450001) (豐益(上海)生物技術(shù)研發(fā)中心有限公司3，上海 200137) (廣州嶺南穗糧谷物股份有限公司4，廣州 511466)

稻谷作為我國的三大主糧之一，近10年總產(chǎn)量連續(xù)穩(wěn)定在2億t以上[1]，但受到消費誤區(qū)等因素的影響，我國大米過度加工的現(xiàn)象十分普遍[2]。碾白加工是造成稻米損傷的主要工序之一，碾白壓力會導(dǎo)致谷物的破碎。因此，了解糙米在加工時的力學(xué)特性，對提高稻米的產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

影響糙米力學(xué)特性的因素有糙米粒型、成分組成、籽粒結(jié)構(gòu)、裂紋[3]、含水量、惡白、干燥等因素。李毅念等[4]在研究糙米腹部或背部三點彎曲破碎力測試中，設(shè)置力學(xué)裝置底座寬3.4 mm的槽，分析米粒腹部、背部分別作為承壓面時的結(jié)構(gòu)強度差異性，發(fā)現(xiàn)糙米腹部的力學(xué)強度小于背部。黃小麗[5]研究稻米靜態(tài)壓縮力實驗，發(fā)現(xiàn)稻米含水率不同造成稻米呈現(xiàn)橡膠態(tài)或玻璃態(tài)，含水率大于23.5%時稻米變形隨受力增大呈線性增大趨勢，稻米呈現(xiàn)明顯的橡膠態(tài)特性，存在明顯破裂點，而含水率在16%～23.5%時，籽粒呈現(xiàn)彈塑性變形；當含水率低于16%時，稻米承受變形能力明顯降低，呈現(xiàn)出玻璃態(tài)特性。Zhang等[3]研究相對濕度17%、溫度60 ℃條件下，不同干燥時間對糙米的三點彎曲力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨干燥時間的延長，糙米的表觀彈性模量、抗彎強度和斷裂能均增大，裂紋糙米的抗彎強度和斷裂能均會降低，并且不同干燥時間下籽粒的力學(xué)性能不受開裂或破碎損失的影響。然而，在已有研究中，稻谷或糙米的力學(xué)特性，包括破碎力、破碎形變等通常是以樣本的平均值為分析指標，很難反映所有籽粒的物理和機械性能的顯著變化。研究糙米在受力過程中的機械損傷(礱谷、碾米過程中因為受力產(chǎn)生爆腰、碎米等)[6]，并結(jié)合籽粒尺寸分布對力學(xué)特性的影響進行分析，對降低糙米碾磨破碎問題以提高整精米率，減少糧食資源浪費具有重要意義。

秈米具有清甜的滋味，口感黏性較小。研究秈糙米的力學(xué)特性，分析影響糙米力學(xué)破碎的因素，糙米通過吸附水分獲得不同含水率的糙米，研究含水率對糙米機械破碎特性的影響，以及糙米尺寸分布對力學(xué)特性的影響。以期通過糙米力學(xué)特性來指導(dǎo)碾米加工，以減少碾磨破碎率，提高出米率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

晚秈稻： 2020年產(chǎn)自廣東省，收獲后的稻谷密閉包裝在2～4 ℃的條件下進行儲藏；實驗秈糙米由廣州穗糧谷物股份有限公司提供，糙米過18目篩，篩去灰塵及雜質(zhì)，撇去稻殼及大雜，取篩上物，人工選出不完善粒，得凈糙米置于4 ℃冰箱存放；3種秈糙米的初始水分分別為：沙軟粘(12.88±0.14)%、美香粘(12.81±0.04)%、天龍一號(13.03±0.09)%；伊紅Y-亞甲基藍染色劑(試劑級)。

1.2 儀器與設(shè)備

TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀，BE-TH恒溫恒濕箱，TM05C砂輥碾米機，J-V05真空包裝機，碎米分離器，游標卡尺，JMJT-12大米加工精度檢測儀。

1.3 方法

1.3.1 秈糙米樣品的制備

將3 kg糙米放入溫度為15 ℃、相對濕度為65%的恒溫恒濕箱中，每隔12 h取100 g糙米，稱量重量并記錄數(shù)據(jù)，當這100 g糙米前后2次稱量差值<0.002 g時，即視為達到水分平衡，停止稱量[7]。當糙米樣品達到平衡水分后，以3%的梯度提高相對濕度，每個樣品實驗3組平行。平衡后樣品用整籽粒法105 ℃烘箱烘24 h測定其水分，糙米加濕條件參照賈富國等[8]的研究，每次加濕調(diào)質(zhì)的加濕量為1.0%～1.5%即視為適宜水分梯度，達到適宜水分梯度的樣品保存于雙層密封袋中真空保存，得到不同含水率的糙米樣品，實驗測定前再次測定樣品含水量。制備沙軟粘糙米的不同含水率樣品分別為(12.88±0.05)%、(13.82±0.02)%、(15.19±0.05)%、(16.56±0.02)%、(17.50±0.09)%。

1.3.2 糙米力學(xué)特性實驗測試

取完整秈糙米粒，平放在質(zhì)構(gòu)儀測試平臺上。壓縮力測試選用P36/R探頭。剪切力測試選用A/LKB-F探頭，底座間距2.5 mm。三點彎曲力測試選用HDP/BS探頭，底座間距4 mm。測前、測中、測后速度分別為0.5、0.1、10 mm/s，應(yīng)變?yōu)?0%，測定前測量籽粒的長、寬、厚。每個樣品取100粒秈糙米做重復(fù)實驗，取其平均值[9]。實驗對沙軟粘、美香粘、天龍一號3種糙米以及沙軟粘5個不同含水率糙米進行壓縮力、剪切力、三點彎曲力實驗測定。

1.3.3 大米加工品質(zhì)測定

1.3.3.1 樣品的制備

使用TM05C砂輥碾米機，選用36#砂輥碾米機(轉(zhuǎn)速1 060 r/min)碾磨，進樣量100 g，過10目篩篩去糠粉，分別對3種未經(jīng)加濕的秈糙米樣品沙軟粘(12.88±0.14)%、美香粘(12.81±0.04)%、天龍一號(13.03±0.09)%；按照10%碾減率進行碾磨，每個試樣碾磨3次。碾減率按公式計算：

1.3.3.2 碎米率的測定

參照GB/T 1354—2018，碎米為長度小于同批試樣完整米粒平均長度3/4、留存在1.0 mm圓孔篩上的不完整米粒。

1.3.3.3 留皮度的測定

參照GB/T 5502—2018測定，重復(fù)測定2次。取分樣后的整精米12 g于培養(yǎng)皿中，加入浸沒樣品的清水以除米糠，60 s后倒凈清水，然后加入同樣適量的伊紅-亞甲基藍染色液浸沒樣品搖勻以染色，靜置120 s后將染色劑倒凈，而后立即加入浸沒樣品量的80%乙醇溶液，搖勻后靜置60 s再倒去液體作為第1次漂洗，共漂洗3次。漂洗后用濾紙吸去試樣表面的水分，自然晾干到表面無水漬。將染色后的大米試樣，均勻并不重疊的分布于大米加工精度檢測儀的掃描底板中，用于樣品圖像采集并自動分析計算，得到大米樣品留皮度。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，采用Duncan進行方差分析及顯著性分析，調(diào)質(zhì)實驗重復(fù)3次，力學(xué)實驗重復(fù)100次，取平均值，數(shù)據(jù)結(jié)果以“平均值±標準偏差”表示。采用Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 糙米力-位移特征曲線

沙軟粘糙米受3種機械作用力時，其力與位移曲線如圖1所示。美香粘糙米和天龍一號糙米趨勢與沙軟粘一致。糙米在運輸、儲藏、加工過程中均會受到各種機械力而形成裂紋，最終造成籽粒破碎，這會對大米產(chǎn)品最終品質(zhì)產(chǎn)生影響。3種力隨著位移的增大出現(xiàn)小鋸齒狀，這與周顯青等[10]的結(jié)論一致。在壓縮力-位移曲線中，糙米在第一個峰值時產(chǎn)生破裂，然后力突然下降或平緩，在程序設(shè)定的應(yīng)變范圍內(nèi)，壓縮破碎力值可能隨著位移的變化繼續(xù)增加或降低，由此出現(xiàn)多個峰。三點彎曲力-位移曲線和剪切力-位移曲線較為相似，都在作用力初始階段出現(xiàn)細小鋸齒狀，最后樣品破裂，出現(xiàn)峰值(破碎力值)，隨后力值下降。糙米無論受何種力作用，過程中均會在內(nèi)部逐漸生成裂紋，隨著加載位移的增加，裂紋逐漸累積并擴展，最后使糙米抗形變能力減弱導(dǎo)致破碎。受力形式不同，糙米籽粒內(nèi)部產(chǎn)生的機械損傷有所差異，在破碎處的斷面情況也不同。在糙米受垂直于壓縮力方向上的力產(chǎn)生形變導(dǎo)致籽粒被壓碎時，此時受力及周圍部位淀粉顆粒也遭到嚴重的破壞。在三點彎曲破碎力作用下，糙米籽粒產(chǎn)生彎曲變形，組織內(nèi)部主要受拉應(yīng)力，損傷主要是內(nèi)部細胞在損傷源處的張性斷裂，淀粉顆粒組織未遭到破壞[9]。在剪切破碎力作用下，籽粒受力面積較大，且受到較小的擠壓作用，淀粉顆粒組織遭到破壞。

圖1 壓縮力、剪切力、三點彎曲力與位移圖

2.2 不同含水率糙米的力學(xué)破碎特性

糙米的含水量直接影響籽粒的抗破壞強度、糙米皮層與胚乳之間的結(jié)合[10]，這對糙米碾白過程中的破碎率和皮層的有效碾磨有很大影響。通過測定不同含水量沙軟粘糙米的壓縮力、剪切力、三點彎曲力，測定前分別測量糙米的長度、寬度和厚度，并計算破碎變形量。由表1可見，糙米通過吸濕，含水率從12.88%逐漸升高至17.50%，而糙米三軸尺寸變化沒有明顯趨勢。這可能是因為在調(diào)質(zhì)過程中，水分通過胚進入米粒內(nèi)部，再擴散到皮層，最后滲透進胚乳[11]。由表1可知，3種作用力中，壓縮破碎力值>剪切破碎力值>三點彎曲破碎力值。作用力下產(chǎn)生的破碎位移和破碎變形量也是同樣的趨勢。這是因為糙米在受壓縮力作用時，糙米受力面積較大，產(chǎn)生破碎的面積較剪切作用和三點彎曲作用較大，且為壓應(yīng)力[12]，而剪切破碎力和三點彎曲破碎力為拉應(yīng)力，因此，壓縮破碎力值和破裂位移較大。糙米在受三點彎曲作用力時，在探頭不斷向籽粒施加力的過程中，籽粒本身發(fā)生彈性形變，并在內(nèi)部形成一種拉應(yīng)力，直至斷裂破碎。由于力學(xué)裝置底座的間隙較大，彈性形變比剪切形變更易發(fā)生，因此糙米受三點彎曲作用力的破裂位移大于受剪切力時的破裂位移。

壓縮破碎力隨含水量的增加，破碎力值和破碎位移出現(xiàn)下降趨勢。這與Prasad等[13]研究在壓縮載荷作用下，稻谷在壓縮作用下的最大破碎力值隨著含水率增加而減小的結(jié)果一致。含水率15.19%～17.50%的破碎力值、破碎位移和破碎變形量明顯降低，含水率17.50%時的糙米壓縮破碎力值較原始糙米含水率(12.88%)減少22.12 N。說明含水率在15.19%～17.50%時，沙軟粘籽?？箟嚎s能力明顯降低。含水率從12.88%增加到17.50%，糙米籽粒產(chǎn)生的破碎位移呈減小趨勢，說明含水量的增加一定程度增大了籽粒的抗變形能力，這可能會在碾磨過程中增加糙米縱溝處皮層的有效碾磨，有利于糙米皮層的均勻和有效碾磨[14]。

隨著含水量的增加，三點彎曲破碎力值及破碎位移呈降低趨勢，且在含水率16.46%～17.50%時破碎形變量和破碎力顯著降低(P<0.05)。表明糙米抵抗三點彎曲力的拉應(yīng)力變小，這可能是因為隨著水分的增加，糙米皮層逐漸被軟化，使其抗形變能力降低。尤其在含水率17.50%時，三點彎曲力值由初始含水率(12.88%)的17.88 N降低至10.99 N。剪切破碎力值和破碎位移隨含水量增加呈下降趨勢。含水量15.19%的力值相較初始含水率12.88%的力值，減少10.19 N，其破碎位移減少0.04 mm，隨著含水量的進一步增加，力值和破碎位移無顯著性變化(P>0.05)。說明含水量進一步升高對糙米的彎曲形變量影響較小，即剛度變小。含水率13.00%～17.00%糙米碾磨后拋光對整精米率產(chǎn)生影響，主要原因是碾磨過程中碾削和摩擦擦離作用使糙米產(chǎn)生形變，這種形變的恢復(fù)需要一些時間，且含水率13.00%～17.00%范圍內(nèi)碾磨后的米粒均會發(fā)生一定程度的形變，而形變恢復(fù)后拋光的白米與直接拋光相比，整精米率明顯提高[15]。說明在糙米加工過程中適當提高米粒的含水率能提高出米率。

表1 不同含水率的沙軟粘糙米尺寸和力學(xué)特性變化

2.3 糙米尺寸與力學(xué)特性的相關(guān)性

圖2為初始水分下沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米的尺寸與三點彎曲破碎力值的關(guān)系圖，破碎力分別與長度、寬度、厚度進行線性擬合，得到擬合方程和相關(guān)系數(shù)。如圖所示，3種糙米厚度與三點彎曲破碎力值的線性擬合相關(guān)性系數(shù)為0.326 46～0.563 42，較之糙米長度和寬度與三點彎曲破碎力值的線性擬合，具有相對較高的系數(shù)，表明糙米的厚度與破碎力具有相對較高的相關(guān)性。即，厚度大的籽粒在受力破碎時需要發(fā)生更大的形變，更大的力，從而堆積裂紋使其破裂，一定程度上說明較厚的籽粒抵抗破碎變形的能力越強，剛度越大[16]。

圖2 沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米尺寸與破碎力的關(guān)系

2.4 糙米破碎位移與破碎力的相關(guān)性

圖3為初始水分下沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米的三點彎曲破碎力與破碎位移和破碎變形量的關(guān)系圖。由圖3可知，沙軟粘、美香粘和天龍一號糙米的破碎位移與破碎力值存在相關(guān)性，R2分別為0.726 54、0.712 83和0.832 48。糙米在受到三點彎曲作用時發(fā)生形變，隨著力的增加，變形增加，直至斷裂。沙軟粘、美香粘和天龍一號的破碎變形量分別為8%～18%、4%～15%和6%～17%。 沙軟粘的破碎變形量最大，且平均厚度最小。因此，籽粒厚度與破碎力具有相關(guān)性。

2.5 糙米籽粒尺寸分布與三點彎曲破碎力分布

沙軟粘、美香粘和天龍一號的平均厚度分別為1.59、1.67、1.65 mm。然而，平均值并不完全反映3種糙米尺寸的情況，為更好分析糙米尺寸對破碎力值的影響，現(xiàn)將3種糙米籽粒做三軸尺寸及破碎力頻率分布，取100粒秈糙米，測量其長寬厚并進行三點彎曲實驗，結(jié)果如圖4所示。美香粘和天龍一號糙米長度分布呈單峰分布，長度分布的峰值分別有50%集中在6.75和40%集中在6.25 mm，美香粘糙米平均長度(6.82 mm)高于天龍一號糙米平均長度(6.49 mm)。沙軟粘糙米長度分布出現(xiàn)雙峰，有44%的糙米籽粒長度集中分布在6.25 mm，有14%集中分布在7.75 mm，這增加了沙軟粘的平均長度，為6.72 mm。3種糙米中美香粘糙米的長度均勻性最好，天龍一號次之，沙軟粘糙米的長度均勻性最差，可以考慮加工中采取粒度分級，根據(jù)粒度選用不同的加工參數(shù)，以減少碎米的產(chǎn)生。

圖4 沙軟粘、美香粘、天龍一號糙米長度、寬度、厚度、破碎力分布圖

3種糙米的寬度均呈多峰分布，沙軟粘寬度值有26%為1.95 mm，美香粘寬度值有22%為1.90 mm，天龍一號寬度值有25%為1.95 mm，均有多個小峰值集中分布在其他寬度值上，一定程度上說明3種糙米的寬度分布不均勻，在加工過程中寬度不宜作為調(diào)節(jié)參數(shù)的依據(jù)。3種糙米厚度均呈單峰的正態(tài)分布，沙軟粘厚度值有31%為1.60 mm，美香粘厚度值有30%為1.70 mm，天龍一號厚度值有46%為1.65 mm。沙軟粘和美香粘的厚度均勻性相似。天龍一號籽粒厚度分布較集中，說明其籽粒厚度均勻性較好。籽粒厚度集中在某一范圍，有利于加工中設(shè)備參數(shù)的選擇，這是天龍一號碎米少的重要因素之一，表2也證實，天龍一號的厚度比美香粘小0.02 mm，留皮度低1.85%，但是碎米率只高了0.3%。

破碎力呈單峰的正態(tài)分布。沙軟粘和美香粘破碎力分布的峰值在15 N，天龍一號破碎力分布的峰值在25 N，說明三點彎曲作用下破碎天龍一號大米需要更大的作用力；沙軟粘、美香粘和天龍一號破碎力峰值的百分比分別為50%、38%和45%，美香粘破碎力峰值的百分比最低，說明其加工的均勻性差；沙軟粘、美香粘和天龍一號的破碎籽粒質(zhì)量分數(shù)達到100%時，其所需的破碎力分別為22.5、27.5 N和30 N。這可能是因為沙軟粘的厚度最小，美香粘雖然峰值所在的厚度最大，但厚度分布較分散，所以三點彎曲作用下破碎所需的力比天龍一號小。沙軟粘破碎力范圍最集中，說明加工沙軟粘時調(diào)節(jié)的壓力范圍小，操作性好，加工的成品米較均勻。因此，破碎力的分布與厚度的分布保持較高的一致性，糙米籽粒厚度越大，破碎力越高，這可能有利于減少碾磨時籽粒的破碎率。這與Siebenmorgen等[16]研究中厚度大的籽粒比例越高，抗破壞能力大的籽粒比例越高的結(jié)果保持一致。

2.6 糙米力學(xué)特性與加工品質(zhì)的相關(guān)性

糙米厚度分布與三點彎曲破碎力具有相關(guān)性，進一步分析籽粒尺寸、破碎力與碾米加工品質(zhì)的關(guān)系，結(jié)果見表2。三點彎曲破碎力平均值大小為天龍一號>美香粘>沙軟粘，厚度平均值大小為天龍一號和美香粘均大于沙軟粘，與前述分析厚度分布與破碎力具有相關(guān)性一致。因此，厚度越大，破碎力越高。在3種糙米碾減率約為10%時，其碎米率出現(xiàn)一定差異性，沙軟粘、美香粘和天龍一號碎米率分別為18.50%、16.30%和16.60%，沙軟粘的碎米率明顯大于天龍一號和美香粘的碎米率，天龍一號和美香粘的碎米幾乎相等，說明厚度會影響秈米的破碎力和碾磨碎米率。一定實驗條件下，籽粒厚度大的分布頻率越高，破碎力越高，碎米率越低。若在糙米碾磨前將糙米籽粒按照厚度進行分級加工，并分別選取適宜的碾磨參數(shù)等，將有助于降低碎米率，一定程度上提高秈米出米率。

表2 3種糙米加工品質(zhì)指標與力學(xué)特性指標

3 結(jié)論

糙米含水量越高，所需要的破碎力(壓縮力、剪切力、三點彎曲力)越小，含水率從16.46%增加到17.50%時，壓縮力值和三點彎曲破碎力值顯著降低(P<0.05)，說明糙米抗壓縮和三點彎曲的能力顯著降低，過高的含水量不利于糙米的加工。三點彎曲破碎力值的分布與厚度的分布保持較高的一致性，糙米籽粒厚度越高且分布越集中時，破碎力越高。厚度越大且均勻度越高的糙米在碾米工藝中能更好的選擇設(shè)備參數(shù)，有效降低碎米率。