- 保圣質構儀：稻谷力學性能研究的關鍵助力
- 發布日期：2025-03-20 瀏覽次數：269
一、研究背景
稻谷作為全球重要的糧食作物，其品質直接影響著經濟價值和消費者體驗。脫殼是稻谷加工的關鍵起始步驟，脫殼過程中的脫殼率和稻谷斷裂行為是決定大米品質的核心要素，而這些又受到橡膠輥線速度、稻谷含水量、干燥溫度等多種因素的影響。在稻谷脫殼時，若壓力不當，稻谷易出現裂紋或破碎，這不僅會提高脫殼破損率，還會對后續加工產生不利影響。同時，稻谷質量還受其含水量和干燥溫度的左右，如在潮濕環境下品質下降，干燥過程中又可能產生裂紋，浸泡也會改變其含水量進而影響加工質量。然而，目前對于稻谷加工質量與浸泡條件、干燥溫度之間的關聯研究較為匱乏。
在這樣的研究現狀下，要深入了解稻谷的力學性能，優化脫殼工藝，就需要精準地測試和分析稻谷在不同條件下的力學特性及斷裂行為。紋理分析儀作為一種先進的實驗設備，能夠模擬實際加工過程中的受力情況，為研究提供關鍵的數據支持，對推動稻谷加工領域的發展具有重要意義。
二、實驗方法
本研究選用了三種常見的稻谷品種，即秈稻、粳稻和糯米，這些稻谷均產自江蘇宿遷市。將稻谷樣本密封并在室溫下儲存180天，之后使用數字游標卡尺測量單粒稻谷的三維尺寸（長度、寬度和厚度），篩選出尺寸相近的完整谷粒備用。為制備不同特性的樣本，一部分稻谷被置于不同溫度（30℃、60℃、90℃、120℃、150℃）的電鼓風干燥箱中干燥1小時，另一部分則浸泡在去離子水中1小時、3小時、6小時和12小時，以獲得不同含水量的樣本。
在實驗過程中，保圣質構儀（TA.XTC - 18）發揮了核心作用。進行單粒稻谷壓縮試驗時，把單粒稻谷放在探頭和剛性底座之間，保證稻谷放置方向一致，探頭直徑設為6mm 。設定預實驗速度為1mm/s，后實驗速度為2mm/s，觸發力為0.02N，數據采集頻率為200Hz。通過控制中心設置好位移和探頭速度等實驗參數后，啟動實驗，使探頭中心與稻谷中心先接觸，利用力傳感器收集稻谷在壓縮過程中受到的力，整個過程中稻谷在水平方向保持靜止，避免產生剪切力。
基于橡膠輥脫殼機的工作原理，研究人員在模擬脫殼實驗中，將聚氨酯橡膠膜置于稻谷下方。當探頭向下移動對稻谷施加壓力時，橡膠膜同時對稻谷施加剪切力，模擬實際脫殼時稻谷的受力情況，通過紋理分析儀記錄相關數據。
三、實驗結果
通過質構儀的測試，研究人員獲得了豐富且關鍵的實驗數據。在研究含水量對稻谷力學性能和破損行為的影響時，發現隨著含水量增加，稻谷的斷裂能和斷裂強度下降。如從圖2（1a） - （1b）可看出，斷裂能從160 - 140 N·mm降至100 - 90 N·mm，斷裂強度從12 - 13 N/mm降至8.5 - 9.5 N/mm。這是因為含水量增加使稻谷變軟，且內部會產生吸濕裂紋，降低了稻谷品質和力學性能。在觀察稻谷外觀時發現，浸泡會使稻殼和糙米變軟，結合力下降，導致在壓縮時出現斷裂，且糙米內部存在吸濕裂紋和缺陷，影響品質。
在研究稻谷在壓縮和模擬脫殼條件下的斷裂行為和力學性能時，紋理分析儀提供的數據顯示，三種稻谷在剛性壓縮試驗中的斷裂能范圍為35 - 45 N·mm，斷裂強度范圍為9.5 - 10.5 N/mm，其中粳稻的斷裂能最小、斷裂強度最大。在模擬脫殼試驗中，通過紋理分析儀繪制的時間 - 力曲線可知，秈稻受力最大，斷裂形式復雜；粳稻和糯米的應力變化各有特點，且不同稻谷的斷裂形式差異明顯，表明剪切力在脫殼過程中對稻谷斷裂起重要作用。
研究速度和干燥溫度對稻谷的影響時，紋理分析儀同樣功不可沒。通過改變試驗速度，發現稻谷的斷裂強度和斷裂能在0.25mm/s時最低，隨后隨速度增加而逐漸增大。在不同干燥溫度試驗中，觀察到溫度從30℃升高到60℃時，稻谷的斷裂能和斷裂強度下降，這與稻谷發生玻璃化轉變有關；而繼續升高溫度，由于稻殼和糙米表面變光滑、硬度增加，斷裂能和斷裂強度又有所增加。
紋理分析儀在本次稻谷研究中至關重要。它幫助研究人員全面深入地了解了不同因素對稻谷斷裂行為和力學性能的影響，為優化稻谷脫殼工藝、提高大米品質提供了堅實的數據基礎和有力的技術支撐，推動了稻谷加工領域的科學研究和產業發展。
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