一、研究背景

稻谷作為全球重要的糧食作物，其品質(zhì)直接影響著經(jīng)濟(jì)價(jià)值和消費(fèi)者體驗(yàn)。脫殼是稻谷加工的關(guān)鍵起始步驟，脫殼過(guò)程中的脫殼率和稻谷斷裂行為是決定大米品質(zhì)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(shí)，若壓力不當(dāng)，稻谷易出現(xiàn)裂紋或破碎，這不僅會(huì)提高脫殼破損率，還會(huì)對(duì)后續(xù)加工產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，稻谷質(zhì)量還受其含水量和干燥溫度的左右，如在潮濕環(huán)境下品質(zhì)下降，干燥過(guò)程中又可能產(chǎn)生裂紋，浸泡也會(huì)改變其含水量進(jìn)而影響加工質(zhì)量。然而，目前對(duì)于稻谷加工質(zhì)量與浸泡條件、干燥溫度之間的關(guān)聯(lián)研究較為匱乏。

在這樣的研究現(xiàn)狀下，要深入了解稻谷的力學(xué)性能，優(yōu)化脫殼工藝，就需要精準(zhǔn)地測(cè)試和分析稻谷在不同條件下的力學(xué)特性及斷裂行為。紋理分析儀作為一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，能夠模擬實(shí)際加工過(guò)程中的受力情況，為研究提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持，對(duì)推動(dòng)稻谷加工領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

• 實(shí)驗(yàn)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(chǎn)自江蘇宿遷市。將稻谷樣本密封并在室溫下儲(chǔ)存180天，之后使用數(shù)字游標(biāo)卡尺測(cè)量單粒稻谷的三維尺寸（長(zhǎng)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(fēng)干燥箱中干燥1小時(shí)，另一部分則浸泡在去離子水中1小時(shí)、3小時(shí)、6小時(shí)和12小時(shí)，以獲得不同含水量的樣本。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保圣質(zhì)構(gòu)儀（TA.XTC - 18）發(fā)揮了核心作用。進(jìn)行單粒稻谷壓縮試驗(yàn)時(shí)，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(shè)為6mm 。設(shè)定預(yù)實(shí)驗(yàn)速度為1mm/s，后實(shí)驗(yàn)速度為2mm/s，觸發(fā)力為0.02N，數(shù)據(jù)采集頻率為200Hz。通過(guò)控制中心設(shè)置好位移和探頭速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(guò)程中受到的力，整個(gè)過(guò)程中稻谷在水平方向保持靜止，避免產(chǎn)生剪切力。

基于橡膠輥脫殼機(jī)的工作原理，研究人員在模擬脫殼實(shí)驗(yàn)中，將聚氨酯橡膠膜置于稻谷下方。當(dāng)探頭向下移動(dòng)對(duì)稻谷施加壓力時(shí)，橡膠膜同時(shí)對(duì)稻谷施加剪切力，模擬實(shí)際脫殼時(shí)稻谷的受力情況，通過(guò)紋理分析儀記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀的測(cè)試，研究人員獲得了豐富且關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在研究含水量對(duì)稻谷力學(xué)性能和破損行為的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著含水量增加，稻谷的斷裂能和斷裂強(qiáng)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(qiáng)度從12 - 13 N/mm降至8.5 - 9.5 N/mm。這是因?yàn)楹吭黾邮沟竟茸冘洠覂?nèi)部會(huì)產(chǎn)生吸濕裂紋，降低了稻谷品質(zhì)和力學(xué)性能。在觀察稻谷外觀時(shí)發(fā)現(xiàn)，浸泡會(huì)使稻殼和糙米變軟，結(jié)合力下降，導(dǎo)致在壓縮時(shí)出現(xiàn)斷裂，且糙米內(nèi)部存在吸濕裂紋和缺陷，影響品質(zhì)。

在研究稻谷在壓縮和模擬脫殼條件下的斷裂行為和力學(xué)性能時(shí)，紋理分析儀提供的數(shù)據(jù)顯示，三種稻谷在剛性壓縮試驗(yàn)中的斷裂能范圍為35 - 45 N·mm，斷裂強(qiáng)度范圍為9.5 - 10.5 N/mm，其中粳稻的斷裂能最小、斷裂強(qiáng)度最大。在模擬脫殼試驗(yàn)中，通過(guò)紋理分析儀繪制的時(shí)間 - 力曲線可知，秈稻受力最大，斷裂形式復(fù)雜；粳稻和糯米的應(yīng)力變化各有特點(diǎn)，且不同稻谷的斷裂形式差異明顯，表明剪切力在脫殼過(guò)程中對(duì)稻谷斷裂起重要作用。

研究速度和干燥溫度對(duì)稻谷的影響時(shí)，紋理分析儀同樣功不可沒(méi)。通過(guò)改變?cè)囼?yàn)速度，發(fā)現(xiàn)稻谷的斷裂強(qiáng)度和斷裂能在0.25mm/s時(shí)最低，隨后隨速度增加而逐漸增大。在不同干燥溫度試驗(yàn)中，觀察到溫度從30℃升高到60℃時(shí)，稻谷的斷裂能和斷裂強(qiáng)度下降，這與稻谷發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變有關(guān)；而繼續(xù)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(qiáng)度又有所增加。

紋理分析儀在本次稻谷研究中至關(guān)重要。它幫助研究人員全面深入地了解了不同因素對(duì)稻谷斷裂行為和力學(xué)性能的影響，為優(yōu)化稻谷脫殼工藝、提高大米品質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和有力的技術(shù)支撐，推動(dòng)了稻谷加工領(lǐng)域的科學(xué)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。