油用牡丹籽粒破壳力学特性试验研究

1、油用牡丹籽粒破壳力学特性试验研究姬江涛 陶满 张志红 耿令新 谢金法 候小改河南科技大学农业装备工程学院摘要：油用牡丹籽粒的破壳机理是研制牡丹籽脱壳机的理论基础，对油用牡丹产业的 发展有着重要的影响。为此，对油用牡丹籽粒进行了准静态压缩试验，选取影响 油用牡丹籽粒破売力的不同因素加载方向、加载速率，以及牡丹籽粒的形状、尺 寸、含水率进行了试验和分析。结果表明:沿x向加载时最省力;加载速率及牡丹 籽粒形状、尺寸和含水率对破壳力的影响极为显著;随着加载速率的增加，油用 牡丹籽粒的破壳力先呈增大趋势，后逐渐趋向于平缓;随着籽粒含水率的降低， 油用牡丹籽粒的破壳力逐渐减小;椭圆形、尺寸较小的牡丹籽较易

2、破壳，并由试 验得出了破壳力和加载速率z间、破壳力和牡丹籽含水率z间的函数关系式。关键词：牡丹籽;破壳力;压缩试验;作者简介：姬江涛（1965-），男，河南偃师人，教授，（e-nia订） jjt0907163. com。作者简介：张志红（1964-）,女，天津人，高级工程师，（e-mail） lyzzh36163. com。收稿日期：2017-03-22基金：河南省科技攻关计划项目（152102110077）experimentai research of mechanics characteristics of peony seeds crackingji jiangtao tao man

3、zhang zhihong geng lingxinxie jinfa hou xiaogaidepartment of agricultural engineeringequipment, henan university of science andtechnology;abstract：the mechanism of oil and peony seeds is the theoretical basis for the development of peony seed husking machine, which has an importsnt influence on the

4、dcvclopment of peony industry. in this paper, the quasi-static compression test was carried out on the peony grain. the loading direction, loading rate, shape, size and water content of the peony kernel were studied and analyzed. the results show that: at x direction loading, the force was the small

5、est. the rate of loading, the shape, size and moisturc content of peony grain were extrcmcly signif icant on the breaking force. with the increase of loading rate, the crustacean force of peony grain increased first and then gradually became smooth. with the decrease of grain moisture content, the b

6、reaking force of peony kernel decreased gradual 1 y. oval and smal 1 er peony seeds are more easily brokcn shells, and the relationship between the breaking force and the loading rate, the breaking force and the moisture content of the peony seed is obtained from the test.keyword：peony seeds; breaki

7、ng force; compression test;received： 2017-03-220引言油用牡丹是一种新兴的木木油料作物，具有高产出、高含油率、高品质的特点。 牡丹籽油更有着巨大的食用价值和药用价值，含有多种对人体有益的物质和元 素。其中，不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸亚麻酸含量丰富，已远远超过称 为“黄金液体”的橄榄油1-6 o目前，国外对于牡丹的研究儿乎是一片空白，仅有一些日本学者研究了中日两 国牡丹花瓣中花青素的差异也。国内在牡丹籽油萃取工艺方面取得了丰硕的成 果，衍生岀了众多的萃取方法：易军鹏等研究了牡丹籽油超临界二氧化碳萃取工 艺，李加兴等研究了水酶法提取牡丹籽油工艺，杨倩

8、研究了亚临界萃取牡丹籽 油的工艺等8-9 o除此之外，赵海军研究了牡丹籽种仁脱皮去苦技术，马素敏 吐111研究了脱臭工艺条件对牡丹籽油反式脂肪酸形成及品质的影响，而对于 牡丹籽脱壳方法的研究还很少见报道。牡丹籽要萃取油，脱壳是首道工序，也是牡丹籽加工的技术难题之一。关于牡丹 籽脱売机械，国内仅有锦州俏牌机械有限公司研制的微调式牡丹籽脱売机曲。 其采用的是定砂轮和动砂轮配合摩擦，将牡丹籽壳磨碎的方法，虽然整仁率高， 但脱壳率低且需要将牡丹籽分级，对牡丹籽仁磨损严重，造成了巨大的浪费， 设备造价也过于昂贵，不能满足牡丹籽加工发展的需要。分析其原因，主要是由 于没有正确的脱壳理论作指导。因此，本文研

9、究牡丹籽的压缩力学特性，意在探 明牡丹籽如何破壳，为进一步研制新型的牡丹籽脱壳机提供理论依据。1试验材料和方法1.1试验材料及设备1）新鲜的油用牡丹种子:产地为河南洛阳。2）设备:d7s系列电子万能试验机;dh-101-3bs型电热恒温热风干燥箱;td51001 电子天平（分度值0. olg）;游标卡尺（200mmx0. 01mm）。3）工具:托盘、密封袋、标签、数码相机等。1. 2试验方法油用牡丹籽粒破壳的难易程度不仅与外界的加载条件有关，更与自身的物理特 性密不可分，如形状、尺寸及含水率等13。本文采用单因素试验对各个因素进 行试验，分析其对油用牡丹籽粒破壳力的影响。1. 2. 1油用牡丹

10、籽粒形状的确定成熟后的牡丹籽粒形状各界，大致可分为椭圆形和扁平型。随机挑选100粒牡丹 籽观察，共进行5次试验，得椭圆形占15%,扁平形占85%。1. 2. 2油用牡丹籽粒尺寸的确定牡丹籽粒大小不一，通过对牡丹籽粒进行测量，将其分为3个等级，分别为a 级、b级、c级，其等级对应尺寸如表1所示。下载原表 1 牡丹籽的分级 table 1 the quality grade of peony seeds 表a5.5 8.325.4 7. 1b8.32 10. 187. 1 -8.8210. 18 -13.34 82 -10.361.2.3油用牡丹籽粒含水率的确定牡丹籽粒在破壳前一般先需要对其进行干

11、燥，将其含水率降到一定的安全贮存 范围。参照其他粮食作物，其安全含水率为14%左右。为了便于比较和更加全面 地了解含水率对牡丹籽破壳的影响，考虑到牡丹籽干燥时的不均匀性和储藏后 水分的流失，本次试验选取含水率为5%、8%、11%、14%、17%等5个水平的牡丹 籽。1.2.4油用牡丹籽粒加载方向的确定根据牡丹籽的形状，可将平行于牡丹籽根顶连线方向作为长度，定为x向，宽 度定为y向，厚度定为z向。试验机加载方向如图1、图2所示。下载原图图 1 椭圆形 fig. 1 oval peony seeds图2扁平型fig. 2 flat peony seeds下载原图1. 2. 5油用牡丹籽粒加载速度的

12、确定油用牡丹籽粒屈于农业物料的范畴，其加载速率的确定应控制在合理的范围内。 参照板栗、油茶果、麓麻果、核桃等力学特性的研究14,并结合牡丹籽粒自身 的尺寸，本文将加载速率定为525 mm/min,并等距分配，分别为5、10、15、 20、 25mm/mino2试验与分析2.1加载方向对油用牡丹籽粒破壳力的影响随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温 将其干燥到含水率为11%,从中挑选扁平形的b等级油用牡丹籽粒进行试验。固 定试验机压头加载速率为15mm/min,分别对油用牡丹籽粒的x向、y向、z向进 行加载，每组试验重复5次取平均值。根据试验结果，绘制油用牡丹籽粒

13、沿不同 加载方向加载时破壳力与位移之间的关系图，如图3所示。0-2().40.60.81. 0l：位移/mm图3油用牡丹籽粒沿不同方向加载时破壳力与位移之间的曲线图fig. 3 the relationship between the breaking force and the displacement when the peony grain is loaded in diffcrcnt dircctions分析油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图可知:牡丹籽粒在准静态压缩试验刚开 始时，加载力与位移呈正比，即牡丹籽粒所受到的压力与变形量之间为线性增 长的关系，此时牡丹籽粒主要发牛了弹性形变。

14、随着试验机上压头的不断下移, 加载力逐渐增大，直线开始向曲线转变，说明弹性形变和塑性形变同吋发生。当 加载力达到牡丹籽壳纤维组织所能承受的极限时，再继续增大加载力，牡丹籽 壳中的纤维组织便出现断裂，抗压能力瞬间急速降低，此时所需要的破壳力减小，牡丹籽粒外壳岀现破裂。在此阶段曲线上，最高点对应的加载力即为牡丹籽 的破壳力。根据不同加载方向下的油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录每次试验下 牡丹籽粒破壳时的破壳力值，并计算试验结果的平均值，结果如表2所示。表2油用牡丹籽粒沿不同方向加载时的破壳力table 2 the shelling force of oil with peony grain

15、in different directions下载原表加载方向破壳力/n1234x向加载1079910193y向加载155162168165z向加载220231224229由表2可以看岀:油用牡丹籽粒的破壳力随着加载方向的不同而表现岀显著的差 异，破売力z间存在如下关系:几向加泌他向加泌f：向加鹤即当沿着x方向进行加载时 油用牡丹籽粒的破壳力最小，当沿着z方向进行加载时油用牡丹籽粒的破壳力 最大。其主要原因是:壳仁之间的间隙为x方向最大，间隙越大，越易破壳;x方 向与压头接触面积较小，加载力相同时壳所受到的压强较大，越易破壳。油用牡丹籽粒加载方向不同，其各个部位受力情况不一样，导致牡丹籽壳破壳

16、 时产生的裂纹形式也不相同。试验表明:当沿着x方向对油用牡丹籽粒进行加载 时，牡丹籽壳沿着纵棱的方向产生纵向裂纹，产生这种裂纹后牡丹籽壳较易用 手剥开，可见这种裂纹有助于壳仁分离;沿y向加载时，中段岀现横向裂纹，随 着加载力的增加，裂纹不断延伸，直至在中部形成交点并向四周辐射;沿z向加 载时，破壳的形式和y向加载时相近，裂纹都产生在中部。其破壳形式如图4 所示。(a) x向加载(b) y向加载图4不同加载方向下牡丹籽的裂纹情况fig. 4 the crack of peony seeds compressed on different parts下载原图2.2加载速率对油用牡丹籽粒破壳力的影响

17、随机从试验样品屮抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温 将其干燥到含水率为11%,从中挑选扁平形的b等级油用牡丹籽粒进行试验。|古| 定加载方向为x向，调整试验机使其以5个不同的加载速度对油用牡丹籽粒进行 加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破壳 力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表3所示，对试验结果进行单因索方 差分析如表4所示。表3油用牡丹籽粒在不同加载速率时的破壳力table 3 the shelling force of peony seeds at different loading rates下载原表加载速率/mm min"

18、破壳力/n12345828379811089951059815991021071052011410910611825111123115117表4油用牡丹籽粒破壳力与加载速率z间的方差分析表table 4 analysis of variance between shelling force of peony seeds and loading rate下载原表方差来源平方和自由度回归4 10441 (剩余494202,总和4 59824f二41.54>f0 （）（4,20）表4屮，uu】，说明加载速率对油用牡丹籽粒的破壳力影响极为显著。由表3可知:加载速率不同，牡丹籽粒的破 壳力值也不同

19、。利用spss软件，对表3中的数据进行回归分析，得到油用牡丹 籽粒破壳力关于试验机加载速率的冋归方程为y 二一 0.078/ +4. 11% + 61.18其屮，y为破壳力（n） ;x为加载速率（mm/min）。油用牡丹籽粒破壳力和加载速率z间的关系曲线如图5所示。加载速率/%n>魚w图5油用牡丹籽粒破壳力和加载速率之间的关系曲线fig. 5 the relationship between shel 1 ing force of peony seeds and loading rate下载原图由图5可知:破壳力随着加载速率的增加不断升高，当加载速率超过20 mm/min 后，破壳力增速

20、趋于平缓。其主要原因是:加载速率越大，牡丹籽的外壳破裂程 度就越充分，破壳时所要克服的阻力就越大。当加载速率增加到一定程度时，破 壳所要克服的阻力达到极限后不再增加，破壳力也不再增加。2.3牡丹籽形状对油用牡丹籽粒破壳力的影响随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温 将其干燥到含水率为11%,从屮挑选b等级油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方 向为x向，试验机加载速度为15 mm/min,对扁平形和椭圆形的牡丹籽粒分别进 行加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳时的破 壳力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表5所示。对2组不同几何形状的 牡丹籽

21、粒破壳力进行方差分析，从而判断牡丹籽粒的形状对破壳力的影响程度， 结果如表6所示。表5不同形状的油用牡丹籽粒的破壳力tabic 5 diffcrcnt shapes of oil with peony grain breaking shell force下载原表形状破壳力/n1234扁平形1099495109椭圆形86798478表6油用牡丹籽粒破壳力与形状的方差分析表table 6 analysis of variance between shelling force and shape of peony seeds下载原表方差来源平方和自由度均回归921.6192剩余266.8833.总和

22、1 188.49f二27. 63>f°oi (1,8)表6屮，uu1，说明牡丹籽粒形状对破壳力的影响极为显著。由表5可知:椭圆型的牡丹籽破壳力比扁平形的要小 些。其原因主要是:两种形状的牡丹籽在几何尺寸(长度、宽度和高度)相近时, 试验机压头与其接触面积存在一定的关系，即s扁平s脈，接触面积越小，牡丹 籽壳受到的应力越集中，越容易破壳。另外，通过测量两种形状的牡丹籽在x 方向壳与仁z间的间隙发现，间隙t椭qt扁平，间隙越大，越易破壳。2.4牡丹籽尺寸对油用牡丹籽粒破壳力的影响随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温 将其干燥到含水率为11%,从中挑

23、选扁平形的油用牡丹籽粒进行试验。固定加载 方向为x向，试验机加载速度为15 mm/min,对a、b、c等3种等级的油用牡丹 籽粒分别进行加载，根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒 破壳时的破壳力值，每组试验重复5次取平均值，结果如表7所示，对试验结果 进行单因素方差分析如表8所示。表7不同尺寸的油用牡丹籽粒的破壳力table 7 different sizes of o订with peony grain breaking shel 1 force下载原表尺寸破壳力/n1234a级75848179b级998710195c级121132119128表8油用牡丹籽籽粒破壳力与尺寸的方差

24、分析表tabl( between shel1ing force and size of peony seedsb 8 analysis of variance 下载原表方差来源平方和自由度均回归5 114.822 5f剩余397.61233.总和5512.414表8中，f=77. 185>fo.oi (2, 12),说明牡丹籽粒的大小对破壳力的影响极为显 著。由表7可知:油用牡丹籽粒的破壳力随着牡丹籽粒的大小等级变化而变化， 牡丹籽粒的尺寸越大，籽粒越饱满，其相应的破壳力越大;反之，牡丹籽粒的尺 寸越小，其对应的破壳力越小。其主要原因是:饱满的籽粒壳仁之间间隙较小， 果壳较厚，坚实度高。

25、除此之外，试验机压头与果壳的接触面积的人小对破壳力 的大小也有一定的影响，显然sa/sb/sc级。2.5牡丹籽含水率对油用牡丹籽粒破壳力的影响随机从试验样品中抽取适量油用牡丹籽粒，籽粒无霉变、无破损，用烘干箱低温 将其干燥到含水率5%、8%、11%、14%和17%等5个不同水平的含水率，从中挑选 扁平形的b等级油用牡丹籽粒进行试验。固定加载方向为x向，试验机加载速度 为15mm/n)in,根据油用牡丹籽粒破壳力与位移的曲线图，记录牡丹籽粒破壳吋 的破壳力值，每组含水率试验重复5次取平均值，结果如表9所示，对试验结果 进行单因素方差分析如表10所示。表9不同含水率的油用牡丹籽粒破壳力table

26、9 different water content of oi 1 wi th peony grain breaking shel 1 force下载原表含水率/%破壳力/n123455966504988892799111104109101991413413013614417202230214209表1 0油用牡丹籽粒破壳力与含水率的方差分析表table 10 analysis of variance between shelling force and moisture content of peony seeds卜载原表f = 263. 034 6>表10中，几 “(4,20)方差来

27、源平方和自由度均回归72 345.04418 0剩余1 375.22068.总和73 720.2424明牡丹籽的含水率对破壳力的影响极为显著。由表9可知:不同含水率的牡丹籽 其破壳的难易程度是不同的。用spss软件，对表9屮的数据进行回归分析，得 到油用牡丹籽粒破壳力关于籽粒含水率的回归方程为y = 0. 83%2 - 6. 06% + 70. 53其中，y为破壳力(n)山为含水率(%) o油用牡丹籽粒破壳力和含水率之间的关系曲线如图6所示。1()()5011含水率/%图6油用牡丹籽粒破売力和含水率之间的关系曲线fig. 6 the relationship between shell bre

28、aking force and moisture content of peony seeds 卜 载原图由图6可知：油用牡丹籽粒破壳力随着含水率的降低而急速减小。其主要原因是: 含水率较低时，牡丹籽粒的壳较脆，其抵抗变形和破碎的能力就越弱，越容易 破壳。因此，在对油用牡丹籽粒进行脱壳时，含水率不宜太高，否则不易脱売。3结论1) 影响牡丹籽破壳力的主要因素为加载方向、加载速率，以及牡丹籽粒的形状、 大小和含水率。2) 从x、y、z等3个不同的方向对牡丹籽施加载荷，其破壳力规律如fx vfy 巧卜:即沿x向加载最省力，且沿x向加载产生的裂纹有助于壳仁分离。3) 方差分析表明:加载速率及牡丹籽粒形

29、状、大小和含水率对破壳力的影响极为 显著。破壳力随着加载速率的增加不断升高，当加载速率超过20mm/min后，破 売力増速趋于平缓;椭圆型的牡丹籽比扁平形的破壳力要小，更易破壳;牡丹籽 尺寸越小，越易破壳;破壳力随着含水率的增加而增加。4) 通过试验，建立了破壳力与加载速率和含水率之间的函数模型。牡丹籽破壳 力和加载速率之间的函数关系式为y二-0. 078x+4. llx+61. 18,牡丹籽破壳力和 含水率z间的函数关系式为y=0. 83x-6. 06x+70. 53。参考文献1 周海梅，马锦琦，苗春雨，等牡丹籽油理化指标和脂肪酸成分分析j中 国油脂，2009, 34 (7) : 72-74.2 翟文婷，朱献