2024年3月9日发(作者:如何改掉坏习惯)
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ERE AL&FEEDiNDUST RY
饲
科
工
2010,No.9
碾米工业一
稻米力学特性及其品质关联研究现状及展望
张玉荣 ,刘 影 ,周显青 ,卞 科 ,杜 政 ,唐瑞明 ,李关琴
(1.河南_T业大学粮油食品学院,河南郑州450052;2.国家粮食局标准质量中心,北京 100036)
摘 要:综述了用于评价稻米加工品质的拉应力、弯曲应力、剪切应力的测定方法和主要设备,阐述了稻米力学特
性与其品质的关联性。并分析了稻米的胚乳结构、厚度、裂纹、垩白、水分、直链淀粉含量、蛋白质含量等因素对稻
米力学特性的影响。研究结果表明,稻米的力学特性是决定其加工品质的一个重要因素。目前对稻米力学特性
的研究尚未成熟,还需进一步深入研究。
关键词:稻米;品质检测;力学特性;理化特性
中图分类号:TS2l0.1 文献标识码:A 文章编号:1003—6202(201O)09—0001—04
Present situation of research and prospect on rice mechanical properties and its relevant quality
ABSTRACT:Methods and main equipments to determine the tensile stress,bending stress and shear stress for eval—
uating rice processing quality were summarized.Endosperm structure,thickness,crack,chalkiness,moisture con—
tent,amylase content,protein content and other factors of rice on its mechanical properties were analyzed.Seen
from the research results,rice mechanical property was an important factor to determi ̄】e its processing quality.At
present,researches on rice mechanical properties havefft become mature yet,thus further research work is still re—
quired.
KEYWORDS:rice;quality detection;mechanica1 property;physicochen1ical property
稻米是世界上种植历史最悠久、最重要的粮食 1.1 稻米力学特性表征
作物之一,以稻米为主要食粮的人口不断增加,对稻
目前,用于测定稻米力学特性的仪器主要有:
米的品质要求也越来越高。稻米品质是商品流通与
WDW型电子式万能试验机和质构仪,用于表征力
消费过程中的一种综合评价,也是稻米本身物理及
学特性的指标为拉应力、压应力、弯曲应力、剪切应
化学特性的综合反映。
力、破坏能、应力松弛等,试验稻米均为用砻谷机将
在稻谷成熟收割后,加工过程对大米品质的影响 稻谷去壳后的糙米。
是很大的。常规稻谷加T是一个物理处理过程,主要
1.1.1弯曲应力
包括清理、砻谷、碾米、抛光、白米分级、成品及副产品
据Siebenmorgeil T J等报道 j,选用3种典型
整理等工序。在加工过程中稻米籽粒受到剪切、挤 长粒型糙米,用三点弯曲应力表征其力学特性分布,
压、摩擦等力的作用,不同粒型的稻米力学特性不同, 所用仪器为质构仪,剪切装置如图1所示。试验中
能承受的压力、摩擦力、剪切力等也不同,故在加工过 使用5 kg的力量感应元,荷载探头的厚度为
程中不能用同一标准来衡量,但是当这些外力作.}=}j大
1.5 mill,宽度9.9 InIn,支点距离3.4 n-l ̄l,探头以
于谷壳的结合强度及胚乳自身的结合强度时,就会使
0.5 ram/s速度下降剪切样品。
稻谷发生一定程度的破裂或破碎,降低整精米率。所
研究结果表明,使糙米破碎的弯曲应力与籽粒
以,稻米力学特性是决定其加工品质的一个重要因
的宽度(相关系数为0.10)和长度(相关系数为
素,若能较好地测定稻米所受力的类型并计算其大
0.08)微弱相关。但是,弯曲应力和厚度相关系性较
小,建立科学的稻米力学评价方法,对改善加工时出 大;并且厚籽粒有较高的弯曲应力。对于3个品种,
现碎米过多情况,提高稻米的品质有着重要意义。 使籽粒破碎的弯曲应力曲线有2个峰:较高峰值出
现在30 N左右,较低峰值出现在l5 N左右。品种
1 稻米力学特性与品质性状的关系
之间的平均弯曲应力相近,但是破碎力分布不匀。
收稿日期:2010—07—05;修回日期:20l0一O8 l 7
基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重点专项“国际标准研制”~粮食类国际标准研制与开发(项日编号:2006BAK04A20 25)
作者简介:张玉荣(1967),女,副教授,主要研究方向为农产品贮藏与品质检验。
通讯作者:周显青(】964),男,教授,博士,硕士生导师,主要从事谷物科学及产后加工与利用研究。
一 张玉荣等:稻米力学特性及其品质关联研究现状及展 ̄/2olo年第9期
然而对于同一品种来说,整精米率与破碎力的平均
玻璃板
值不相关,而是与强度大的籽粒(弯曲应力超过
I删定钢板 口J移 功钢板
20 N)分布关系密切。且用另外7个品种验证了整
I弦羽
精米率与强度大的籽粒的分布呈线性相关。
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稻j 籽粒 …
.一
J— 一一1
图4压缩试验装置示意图
1.1.3剪切力
目前,剪切力的测定都是使用wDW型电子式
万能试验机,并配以自行设计的剪切装置 ]。剪切
压头的上部(图5a)有M12的螺纹,与横梁上的传
图1三点弯曲应力试验装置
感器相连接。下端为剪切柄,宽2 mnl,直接与粮食
1.1.2拉应力
籽粒接触,进行剪切。载物台(图5b)有4个小螺栓
Kamst G F等 使用一种新的直径压缩试验方
将其固定在下底座上,中间用垫片隔开,使被剪切后
法测定糙米的抗拉强度,受力示意图见图2。应用
的碎粒能从载物台槽口掉到下面,以免堆积在载物
原理为“劈裂法测定材料的劈裂抗拉强度”,这种测
台上影响其他籽粒的剪切。剪切速度为1 mm/min。
定抗拉强度的方法是存试件的中线(圆柱体试件为
直径方向)上下两个方向施加集中压力,使在试件中
产生拉应力,最终使试件断裂的力为拉应力。
Kamst G F等试验糙米模型如图3所示,试验
材料为长粒型品种,试验前将糙米两端切除,只保留
中间尺寸均匀部分,使糙米近似为圆柱体状。模型
b载物台
的长度为2.0~2.7 him,其剪切截面为椭圆形,短
轴和长轴的平均长度分别为1.7和2.1 mm,试验
图5剪切装置示意图
中分别测定了长轴截面和短轴截面的抗拉强度。
1.2 力学特性与品质关联性
研究表明,在同等条件下,抗拉强度为
有研究报道_4 ],对糙米拉应力和弯曲应力的
(10±2)MPa,而抗压强度为(73±l5)MPa,糙米
测定能较好地反应整精米率。Kamst G F等 的研
的抗拉强度大大低于抗压强度;其直径方向的断裂
究也证明,在同等条件下糙米所能承受的抗拉强度
只是由拉力引起的,并且长轴方向的破坏力和短轴
比抗压强度小,使稻米破碎的力为拉应力或弯曲应
方向的破坏力无显著差异。试验装置见图4。
力。王岩等 测定了辽宁省生产的33个水稻品种
的剪切力。研究表明,不同品种糙米的剪切力存在
差异,其值分布区问为31~6O N;而长粒型的糙米
的剪切力则主要集中在30~40 。随着抗剪切
力的增大,食味值是呈上升趋势的 一;整精米率与强
度大(弯曲应力大于20 N)的籽粒分布呈线性相关
关系,整精米率越高,打破籽粒所需的力越大 ],平
均抗弯强度一般与裂纹百分率呈负相关性。张洪霞
图2直径压缩试验示意图
等l_8 基于稻米力学流变学指标,并使用主成分分析
方法确定了硬度因子、弹性因子、黏性因子是与稻米
品质相关的3个主成分因子,其中,弹性因子和黏性
因子为米饭食味品质评定的主成分因子 j。程玉来
等 研究小麦的力学特性与品质之间的关系,所测
定的剪切力值分布区间为69.14~124.1 N;剪切力
与蛋白质含量呈显著正相关,与湿面筋含量和干面
a剪训部位 b籽粒模型
筋含量均呈正相关,与体积质量、千粒重呈正相关,
图3直径压缩试验稻米籽粒模型
与淀粉含量呈负相关,但均未达到显著水平,相关系
张玉荣等:稻米力学特性及其品质关联研究现状及展 ̄/2olo年第9期
一
数很小。
2影响稻米力学特性的因素
2.1 胚乳结构
由于胚乳占整个糙米籽粒的90 左右,故它的
力学特性对加工工艺的影响最大。胚乳的淀粉细胞
腔中充满着具有一定晶体结构的淀粉粒,淀粉颗粒
之间填充作为黏结剂的储藏性蛋白质,将淀粉粒粘
牢,使胚乳具有不同程度的硬度和脆性 ~”。。稻米
籽粒力学特性的差异是由胚乳中淀粉粒和蛋白质基
质结合的紧密程度所决定的,胚乳结构紧密,胚乳蛋
白质基质较多,淀粉粒和蛋白质结合较牢固的品种,
力学特性好,加T L}J不易产生碎米;相反,胚乳结构
疏松,胚乳蛋白质基质较少,淀粉粒和蛋白质结合较
松散的品种,力学特性差,加工中易产生碎米。
2.2 外观特性
2.2.1 厚度
稻米籽粒厚度是一个与其长度、宽度和粒重都
有关的指标,它对稻米研磨、外观和食味品质有着重
要影响。据文献报道[ ~” ,将稻谷按厚度分级
后,大部分稻谷籽粒的破碎牢与厚度有关。厚度最
小的稻谷籽粒其糙米籽粒和精米籽粒破碎率最大;
部分厚度较大籽粒破碎率也较大,而处于中间厚度
的籽粒破碎率却较小;人部分籽粒的精米破碎率随
厚度的减小而增加。在同样的砻谷和碾米加工条件
下,脱壳率、总产量、加1 损失、垩白粒数量和破损粒
数量与稻谷籽粒的厚度具有显著的相关性。
Siebenmorgen T J一 等研究3个典型稻米品种的破
碎与其籽粒的厚度相关系数分别为:0.44、0.41和
0.24。厚度越小,其力学特性越弱,在砻谷和碾白过
程中受挤』玉、剪切和力矩作用容易断裂。脱壳率和
碾白率随着籽粒厚度的减小而减小,籽粒厚度与加
工过程中籽粒爆腰,整精米率下降密切相关“ 。
2.2.2 裂纹
裂纹是糙米籽粒的胚乳组织出现裂缝,而籽粒
的籽实皮层组织仍然保持完整。出现裂纹的根本原
凶在于有内部应力产生,并且超过稻谷颗粒的强
度 。Zhang Q等 测定完善籽粒的抗弯强度
要比爆腰粒大,完善籽粒的抗弯强度值为
4O~6O MPa,而爆腰粒的抗弯强度值只有
0~20 Mpa。裂纹粒具有较弱的力学特性、较小的
弯曲应力,大大降低了米粒的机械强度,在加工和储
运等过程中易产生碎米,影响整精米率。裂纹产生
的原因主要有以下儿方面。
(1)干燥环节。稻米干燥过程中,水分转移和温
度变化是必然的。较多研究表明,十燥时产生的裂
纹主要是籽粒中央的拉伸断裂,水分迁移过程在籽
粒内部引起不同程度的内应力,这是引起裂纹的主
要原因。水分分布平衡的过程会使糙米表面细胞扩
张,但是籽粒内部细胞的体积不变甚至缩小,导致糙
米表面产生压应力。根据力的相互作用原理,在中
心会产生相同大小的拉应力。糙米的抗拉强度要低
于其抗压强度,由此可以断定,裂纹是由拉应力产生
的,且发生在籽粒内部,由中心向垂直于长轴方向延
伸 。 。”~ 。同时稻米经过干燥,内部细胞组织失
去固有的弹性,籽粒强度有一定程度的减小,较易产
生裂纹。
(2)加工环节。稻谷加丁成精米需较多过程,其
中砻谷和碾米过程最易产生裂纹。如砻谷时脱壳率
过高,辊问压力过大,流量不均,快慢辊线速差不当
等,以及碾米时间过长,米温过高等现象均可使裂纹
率增加甚至直接产生碎米。
(3)储藏环节。稻米在储藏中产生裂纹是由于
外界温度和湿度的变化,使水分发生变化并迁移,但
【大】水分迁移和扩散速度不均匀。使胚乳内部产生水
分差值,导致稻米出现裂纹 。
2.2.3 垩白
垩白是指稻米胚乳中不透明的部分。完善粒的
细胞和淀粉颗粒都紧密地结合在一一起;而垩白粒的
单粒淀粉比复粒淀粉数量多,且出现了气体空间(微
细空穴)和一些无序颗粒结构。! 。垩白依所处的部
位可分为背自、心白、腹白,其形成机理普遍认为是
因灌浆期使胚乳淀粉粒和蛋白质颗粒排列疏松、颗
粒问充气形成 一。
垩白部分降低了籽粒抵抗外力的能力,使加工
过程的整精米率降低。研究表明,稻米品种中垩白
粒较多,则易碎籽粒也越多(弯曲应力小于20 N)。
垩白率越高,即使籽粒厚度较大,强度也越低.垩白
率与糙米率、精米率及整精米率呈负相关_ , 。
可能由于垩自粒胚乳淀粉粒和蛋白质颗粒排列疏松
的原凶,加工时易断裂成碎米,整精米率相应下降,
2.3 化学特性
2.3.1 水分
水分埘稻米的力学特性影响较犬。稻米水分降
低.其籽粒强度增大,角质率高的籽粒强度变化尤为
显著。Zhang Q等 ]研究表明,在十燥过程中,随着
水分的去除,籽粒抗弯强度增大。稻米水分由
2O.4 降低到l0.4 时,其抗弯强度由l9.2 MPa
增加到57.8 MPa。当水分由原始的20.4 降低到
14 时,抗弯强度增加缓慢。但当水分进一步降低
到10.4 时,抗弯强度迅速增加。很多研究也证
实一 ,在一一定水分含量范围内,籽粒的强度随水
分含量的降低而增加.水分含量与力学特性呈负相
关,主要是}}J于稻米籽粒的含水率越低,则淀粉和蛋
白结合越紧密,籽粒的强度和硬度越大,抵抗破裂和
承受的载荷的能力也就越大。
■
2。3.2直链淀粉
张玉荣等:稻米力学特性及其品质关联研究现状及展望/2010年舞9期
农业工程学报,2009,25(2):251~255.
Yadav B K等 研究表明,在相同研磨精度
下,稻米品种中直链淀粉含量越低,整精米率越高。
张洪霞等[z8 ̄3o]通过测定糙米籽粒压缩、剪切与应力
松弛特性指出,糙米的硬度和弯曲应力随直链淀粉
含量的增加而增加;应力松弛模量随直链淀粉的增
加而减小。
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Matthews
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2.3.3蛋白质
王岩等_6 的研究表明,稻米的抗剪切力与稻米
hews j,Spadaro J J.Milling perform—
[13]
Wadsworth J I,Matt
蛋白质含量呈负相关,但相关系数未达到显著水平。
张洪霞等_3叩认为,稻米的应力松弛模量随蛋白质含
量的增大而增大。
3结论及展望
研究表明,稻米籽粒的厚度、裂纹、垩白、水分、
直链淀粉含量及蛋白质含量对其加工品质影响较
大,通过改变这些因素可使稻米品质得到明显改善。
目前这方面的研究和探索还比较少,尤其是直链淀
粉和蛋白质含量对稻米力学特性和加工品质的影
响,还需进一步深入研究。若能从微观水平及分子
水平角度,通过改变环境和遗传因素进一步研究稻
米化学成分对其品质的影响,可从根本上改善稻米
品质。
稻米力学特性对其加工品质影响很大,但是国
内外对稻米理化、力学特性与品质的关系报道较少,
就物性和化学成分对其力学特性影响,乃至力学特
性测定与表征方法还没形成共识。目前急需找到一
种科学方法,以准确地表征稻米籽粒的力学特性,并
筛选 关联性特征指标用于预测其最终品质。
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(责任编辑:俞兰苓)
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