2024年3月9日發(作者:如何改掉壞習慣)

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飼
科
工
2010,No.9
碾米工業一
稻米力學特性及其品質關聯研究現狀及展望
張玉榮 ,劉 影 ,周顯青 ,卞 科 ,杜 政 ,唐瑞明 ,李關琴
(1.河南_T業大學糧油食品學院,河南鄭州450052;2.國家糧食局標準質量中心,北京?。保埃埃埃常叮?/p>
摘 要:綜述了用于評價稻米加工品質的拉應力、彎曲應力、剪切應力的測定方法和主要設備,闡述了稻米力學特
性與其品質的關聯性。并分析了稻米的胚乳結構、厚度、裂紋、堊白、水分、直鏈淀粉含量、蛋白質含量等因素對稻
米力學特性的影響。研究結果表明,稻米的力學特性是決定其加工品質的一個重要因素。目前對稻米力學特性
的研究尚未成熟,還需進一步深入研究?!?/p>
關鍵詞:稻米;品質檢測;力學特性;理化特性
中圖分類號:TS2l0.1 文獻標識碼:A 文章編號:1003—6202(201O)09—0001—04
Present?。螅椋簦酰幔簦椋铮睢。铮妗。颍澹螅澹幔颍悖琛。幔睿洹。穑颍铮螅穑澹悖簟。铮睢。颍椋悖濉。恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。幔睿洹。椋簦蟆。颍澹欤澹觯幔睿簟。瘢酰幔欤椋簦?/p>
ABSTRACT:Methods?。幔睿洹。恚幔椋睢。澹瘢酰椋穑恚澹睿簦蟆。簦铩。洌澹簦澹颍恚椋睿濉。簦瑁濉。簦澹睿螅椋欤濉。螅簦颍澹螅?,bending?。螅簦颍澹螅蟆。幔睿洹。螅瑁澹幔颉。螅簦颍澹螅蟆。妫铮颉。澹觯幔臁?/p>
uating?。颍椋悖濉。穑颍铮悖澹螅螅椋睿纭。瘢酰幔欤椋簦。鳎澹颍濉。螅酰恚恚幔颍椋澹洌牛睿洌铮螅穑澹颍怼。螅簦颍酰悖簦酰颍?,thickness,crack,chalkiness,moisture?。悖铮睢?/p>
tent,amylase content,protein?。悖铮睿簦澹睿簟。幔睿洹。铮簦瑁澹颉。妫幔悖簦铮颍蟆。铮妗。颍椋悖濉。铮睢。椋簦蟆。恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。鳎澹颍濉。幔睿幔欤澹洌樱澹澹睢?/p>
from?。簦瑁濉。颍澹螅澹幔颍悖琛。颍澹螅酰欤簦?,rice mechanical?。穑颍铮穑澹颍簦。鳎幔蟆。幔睢。椋恚穑铮颍簦幔睿簟。妫幔悖簦铮颉。簦铩。洌澹簦澹颍恚椋浚濉。椋簦蟆。穑颍铮悖澹螅螅椋睿纭。瘢酰幔欤椋簦粒簟?/p>
present,researches?。铮睢。颍椋悖濉。恚澹悖瑁幔睿椋悖幔臁。穑颍铮穑澹颍簦椋澹蟆。瑁幔觯澹妫妫簟。猓澹悖铮恚濉。恚幔簦酰颍濉。澹?,thus further research work?。椋蟆。螅簦椋欤臁。颍濉?/p>
quired.
KEYWORDS:rice;quality?。洌澹簦澹悖簦椋铮?;mechanica1 property;physicochen1ical property
稻米是世界上種植歷史最悠久、最重要的糧食 1.1 稻米力學特性表征
作物之一,以稻米為主要食糧的人口不斷增加,對稻
目前,用于測定稻米力學特性的儀器主要有:
米的品質要求也越來越高。稻米品質是商品流通與
WDW型電子式萬能試驗機和質構儀,用于表征力
消費過程中的一種綜合評價,也是稻米本身物理及
學特性的指標為拉應力、壓應力、彎曲應力、剪切應
化學特性的綜合反映?!?/p>
力、破壞能、應力松弛等,試驗稻米均為用礱谷機將
在稻谷成熟收割后,加工過程對大米品質的影響 稻谷去殼后的糙米。
是很大的。常規稻谷加T是一個物理處理過程,主要
1.1.1彎曲應力
包括清理、礱谷、碾米、拋光、白米分級、成品及副產品
據Siebenmorgeil?。浴。实葓蟮馈。?,選用3種典型
整理等工序。在加工過程中稻米籽粒受到剪切、擠 長粒型糙米,用三點彎曲應力表征其力學特性分布,
壓、摩擦等力的作用,不同粒型的稻米力學特性不同, 所用儀器為質構儀,剪切裝置如圖1所示。試驗中
能承受的壓力、摩擦力、剪切力等也不同,故在加工過 使用5 kg的力量感應元,荷載探頭的厚度為
程中不能用同一標準來衡量,但是當這些外力作.}=}j大
1.5?。恚椋欤欤瑢挾龋梗埂。桑睿桑睿c距離3.4 n-l ̄l,探頭以
于谷殼的結合強度及胚乳自身的結合強度時,就會使
0.5 ram/s速度下降剪切樣品?!?/p>
稻谷發生一定程度的破裂或破碎,降低整精米率。所
研究結果表明,使糙米破碎的彎曲應力與籽粒
以,稻米力學特性是決定其加工品質的一個重要因
的寬度(相關系數為0.10)和長度(相關系數為
素,若能較好地測定稻米所受力的類型并計算其大
0.08)微弱相關。但是,彎曲應力和厚度相關系性較
小,建立科學的稻米力學評價方法,對改善加工時出 大;并且厚籽粒有較高的彎曲應力。對于3個品種,
現碎米過多情況,提高稻米的品質有著重要意義。 使籽粒破碎的彎曲應力曲線有2個峰:較高峰值出
現在30?。巫笥遥^低峰值出現在l5?。巫笥?。品種
1 稻米力學特性與品質性狀的關系
之間的平均彎曲應力相近,但是破碎力分布不勻?!?/p>
收稿日期:2010—07—05;修回日期:20l0一O8?。臁。贰?/p>
基金項目:“十一五”國家科技支撐計劃重點專項“國際標準研制”~糧食類國際標準研制與開發(項日編號:2006BAK04A20 25)
作者簡介:張玉榮(1967),女,副教授,主要研究方向為農產品貯藏與品質檢驗。
通訊作者:周顯青(】964),男,教授,博士,碩士生導師,主要從事谷物科學及產后加工與利用研究?!?/p>
一 張玉榮等:稻米力學特性及其品質關聯研究現狀及展 ̄/2olo年第9期
然而對于同一品種來說,整精米率與破碎力的平均
玻璃板
值不相關,而是與強度大的籽粒(彎曲應力超過
I刪定鋼板 口J移 功鋼板
20 N)分布關系密切。且用另外7個品種驗證了整
?。上矣稹?/p>
精米率與強度大的籽粒的分布呈線性相關?!?/p>
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圖4壓縮試驗裝置示意圖
1.1.3剪切力
目前,剪切力的測定都是使用wDW型電子式
萬能試驗機,并配以自行設計的剪切裝置?。荨<羟小?/p>
壓頭的上部(圖5a)有M12的螺紋,與橫梁上的傳
圖1三點彎曲應力試驗裝置
感器相連接。下端為剪切柄,寬2?。恚睿?,直接與糧食
1.1.2拉應力
籽粒接觸,進行剪切。載物臺(圖5b)有4個小螺栓
Kamst G?。频取∈褂靡环N新的直徑壓縮試驗方
將其固定在下底座上,中間用墊片隔開,使被剪切后
法測定糙米的抗拉強度,受力示意圖見圖2。應用
的碎粒能從載物臺槽口掉到下面,以免堆積在載物
原理為“劈裂法測定材料的劈裂抗拉強度”,這種測
臺上影響其他籽粒的剪切。剪切速度為1?。恚恚恚椋??!?/p>
定抗拉強度的方法是存試件的中線(圓柱體試件為
直徑方向)上下兩個方向施加集中壓力,使在試件中
產生拉應力,最終使試件斷裂的力為拉應力?!?/p>
Kamst?。恰。频仍囼灢诿啄P腿鐖D3所示,試驗
材料為長粒型品種,試驗前將糙米兩端切除,只保留
中間尺寸均勻部分,使糙米近似為圓柱體狀。模型
b載物臺
的長度為2.0~2.7?。瑁椋恚浼羟薪孛鏋闄E圓形,短
軸和長軸的平均長度分別為1.7和2.1?。恚?,試驗
圖5剪切裝置示意圖
中分別測定了長軸截面和短軸截面的抗拉強度。
1.2 力學特性與品質關聯性
研究表明,在同等條件下,抗拉強度為
有研究報道_4?。?,對糙米拉應力和彎曲應力的
(10±2)MPa,而抗壓強度為(73±l5)MPa,糙米
測定能較好地反應整精米率。Kamst G F等 的研
的抗拉強度大大低于抗壓強度;其直徑方向的斷裂
究也證明,在同等條件下糙米所能承受的抗拉強度
只是由拉力引起的,并且長軸方向的破壞力和短軸
比抗壓強度小,使稻米破碎的力為拉應力或彎曲應
方向的破壞力無顯著差異。試驗裝置見圖4?!?/p>
力。王巖等 測定了遼寧省生產的33個水稻品種
的剪切力。研究表明,不同品種糙米的剪切力存在
差異,其值分布區問為31~6O?。?;而長粒型的糙米
的剪切力則主要集中在30~40 。隨著抗剪切
力的增大,食味值是呈上升趨勢的 一;整精米率與強
度大(彎曲應力大于20?。危┑淖蚜7植汲示€性相關
關系,整精米率越高,打破籽粒所需的力越大 ],平
均抗彎強度一般與裂紋百分率呈負相關性。張洪霞
圖2直徑壓縮試驗示意圖
等l_8 基于稻米力學流變學指標,并使用主成分分析
方法確定了硬度因子、彈性因子、黏性因子是與稻米
品質相關的3個主成分因子,其中,彈性因子和黏性
因子為米飯食味品質評定的主成分因子 j。程玉來
等 研究小麥的力學特性與品質之間的關系,所測
定的剪切力值分布區間為69.14~124.1?。?;剪切力
與蛋白質含量呈顯著正相關,與濕面筋含量和干面
a剪訓部位?。庾蚜DP汀?/p>
筋含量均呈正相關,與體積質量、千粒重呈正相關,
圖3直徑壓縮試驗稻米籽粒模型
與淀粉含量呈負相關,但均未達到顯著水平,相關系
張玉榮等:稻米力學特性及其品質關聯研究現狀及展 ̄/2olo年第9期
一
數很小?!?/p>
2影響稻米力學特性的因素
2.1 胚乳結構
由于胚乳占整個糙米籽粒的90 左右,故它的
力學特性對加工工藝的影響最大。胚乳的淀粉細胞
腔中充滿著具有一定晶體結構的淀粉粒,淀粉顆粒
之間填充作為黏結劑的儲藏性蛋白質,將淀粉粒粘
牢,使胚乳具有不同程度的硬度和脆性 ~”。。稻米
籽粒力學特性的差異是由胚乳中淀粉粒和蛋白質基
質結合的緊密程度所決定的,胚乳結構緊密,胚乳蛋
白質基質較多,淀粉粒和蛋白質結合較牢固的品種,
力學特性好,加T L}J不易產生碎米;相反,胚乳結構
疏松,胚乳蛋白質基質較少,淀粉粒和蛋白質結合較
松散的品種,力學特性差,加工中易產生碎米?!?/p>
2.2 外觀特性
2.2.1 厚度
稻米籽粒厚度是一個與其長度、寬度和粒重都
有關的指標,它對稻米研磨、外觀和食味品質有著重
要影響。據文獻報道[ ~” ,將稻谷按厚度分級
后,大部分稻谷籽粒的破碎牢與厚度有關。厚度最
小的稻谷籽粒其糙米籽粒和精米籽粒破碎率最大;
部分厚度較大籽粒破碎率也較大,而處于中間厚度
的籽粒破碎率卻較??;人部分籽粒的精米破碎率隨
厚度的減小而增加。在同樣的礱谷和碾米加工條件
下,脫殼率、總產量、加1 損失、堊白粒數量和破損?!?/p>
數量與稻谷籽粒的厚度具有顯著的相關性?!?/p>
Siebenmorgen?。浴。室弧〉妊芯浚硞€典型稻米品種的破
碎與其籽粒的厚度相關系數分別為:0.44、0.41和
0.24。厚度越小,其力學特性越弱,在礱谷和碾白過
程中受擠』玉、剪切和力矩作用容易斷裂。脫殼率和
碾白率隨著籽粒厚度的減小而減小,籽粒厚度與加
工過程中籽粒爆腰,整精米率下降密切相關“ 。
2.2.2 裂紋
裂紋是糙米籽粒的胚乳組織出現裂縫,而籽?!?/p>
的籽實皮層組織仍然保持完整。出現裂紋的根本原
兇在于有內部應力產生,并且超過稻谷顆粒的強
度 。Zhang?。训取y定完善籽粒的抗彎強度
要比爆腰粒大,完善籽粒的抗彎強度值為
4O~6O MPa,而爆腰粒的抗彎強度值只有
0~20?。停穑?。裂紋粒具有較弱的力學特性、較小的
彎曲應力,大大降低了米粒的機械強度,在加工和儲
運等過程中易產生碎米,影響整精米率。裂紋產生
的原因主要有以下兒方面?!?/p>
(1)干燥環節。稻米干燥過程中,水分轉移和溫
度變化是必然的。較多研究表明,十燥時產生的裂
紋主要是籽粒中央的拉伸斷裂,水分遷移過程在籽
粒內部引起不同程度的內應力,這是引起裂紋的主
要原因。水分分布平衡的過程會使糙米表面細胞擴
張,但是籽粒內部細胞的體積不變甚至縮小,導致糙
米表面產生壓應力。根據力的相互作用原理,在中
心會產生相同大小的拉應力。糙米的抗拉強度要低
于其抗壓強度,由此可以斷定,裂紋是由拉應力產生
的,且發生在籽粒內部,由中心向垂直于長軸方向延
伸 。 。”~ 。同時稻米經過干燥,內部細胞組織失
去固有的彈性,籽粒強度有一定程度的減小,較易產
生裂紋?!?/p>
(2)加工環節。稻谷加丁成精米需較多過程,其
中礱谷和碾米過程最易產生裂紋。如礱谷時脫殼率
過高,輥問壓力過大,流量不均,快慢輥線速差不當
等,以及碾米時間過長,米溫過高等現象均可使裂紋
率增加甚至直接產生碎米?!?/p>
(3)儲藏環節。稻米在儲藏中產生裂紋是由于
外界溫度和濕度的變化,使水分發生變化并遷移,但
【大】水分遷移和擴散速度不均勻。使胚乳內部產生水
分差值,導致稻米出現裂紋 ?!?/p>
2.2.3 堊白
堊白是指稻米胚乳中不透明的部分。完善粒的
細胞和淀粉顆粒都緊密地結合在一一起;而堊白粒的
單粒淀粉比復粒淀粉數量多,且出現了氣體空間(微
細空穴)和一些無序顆粒結構。! 。堊白依所處的部
位可分為背自、心白、腹白,其形成機理普遍認為是
因灌漿期使胚乳淀粉粒和蛋白質顆粒排列疏松、顆
粒問充氣形成 一?!?/p>
堊白部分降低了籽粒抵抗外力的能力,使加工
過程的整精米率降低。研究表明,稻米品種中堊白
粒較多,則易碎籽粒也越多(彎曲應力小于20 N)?!?/p>
堊白率越高,即使籽粒厚度較大,強度也越低.堊白
率與糙米率、精米率及整精米率呈負相關_ , ?!?/p>
可能由于堊自粒胚乳淀粉粒和蛋白質顆粒排列疏松
的原兇,加工時易斷裂成碎米,整精米率相應下降,
2.3 化學特性
2.3.1 水分
水分塒稻米的力學特性影響較犬。稻米水分降
低.其籽粒強度增大,角質率高的籽粒強度變化尤為
顯著。Zhang?。训取。菅芯勘砻?,在十燥過程中,隨著
水分的去除,籽??箯潖姸仍龃?。稻米水分由
2O.4 降低到l0.4 時,其抗彎強度由l9.2 MPa
增加到57.8?。停校?。當水分由原始的20.4 降低到
14 時,抗彎強度增加緩慢。但當水分進一步降低
到10.4 時,抗彎強度迅速增加。很多研究也證
實一 ,在一一定水分含量范圍內,籽粒的強度隨水
分含量的降低而增加.水分含量與力學特性呈負相
關,主要是}}J于稻米籽粒的含水率越低,則淀粉和蛋
白結合越緊密,籽粒的強度和硬度越大,抵抗破裂和
承受的載荷的能力也就越大?!?/p>
■
2。3.2直鏈淀粉
張玉榮等:稻米力學特性及其品質關聯研究現狀及展望/2010年舞9期
農業工程學報,2009,25(2):251~255.
Yadav B?。说取⊙芯勘砻?,在相同研磨精度
下,稻米品種中直鏈淀粉含量越低,整精米率越高?!?/p>
張洪霞等[z8 ̄3o]通過測定糙米籽粒壓縮、剪切與應力
松弛特性指出,糙米的硬度和彎曲應力隨直鏈淀粉
含量的增加而增加;應力松弛模量隨直鏈淀粉的增
加而減小?!?/p>
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J,Spadaro?。省。剩拢颍澹幔耄幔纾濉。铮妗。欤铮睿纾纾颍幔椋睢。颍椋悖濉。椋睢。颍濉?/p>
[12]
Matthews
lation?。簦铩。耄澹颍睿澹臁。簦瑁椋悖耄睿澹螅螅郏剩荩茫澹颍澹幔臁。茫瑁澹恚椋螅簦颍?,t978,53
(1):13~19.
2.3.3蛋白質
王巖等_6 的研究表明,稻米的抗剪切力與稻米
hews?。辏樱穑幔洌幔颍铩。省。剩停椋欤欤椋睿纭。穑澹颍妫铮颍怼?/p>
[13]
Wadsworth?。省。?,Matt
蛋白質含量呈負相關,但相關系數未達到顯著水平。
張洪霞等_3叩認為,稻米的應力松弛模量隨蛋白質含
量的增大而增大。
3結論及展望
研究表明,稻米籽粒的厚度、裂紋、堊白、水分、
直鏈淀粉含量及蛋白質含量對其加工品質影響較
大,通過改變這些因素可使稻米品質得到明顯改善?!?/p>
目前這方面的研究和探索還比較少,尤其是直鏈淀
粉和蛋白質含量對稻米力學特性和加工品質的影
響,還需進一步深入研究。若能從微觀水平及分子
水平角度,通過改變環境和遺傳因素進一步研究稻
米化學成分對其品質的影響,可從根本上改善稻米
品質。
稻米力學特性對其加工品質影響很大,但是國
內外對稻米理化、力學特性與品質的關系報道較少,
就物性和化學成分對其力學特性影響,乃至力學特
性測定與表征方法還沒形成共識。目前急需找到一
種科學方法,以準確地表征稻米籽粒的力學特性,并
篩選 關聯性特征指標用于預測其最終品質?!?/p>
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(責任編輯:俞蘭苓)
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