糙米籽粒碾白与破碎特性研究.pdf

52摘要：以米、梗米、糯米为对象,进行了糙米不同碾白时间的试验，进而分析了在不同碾白时间下,糙米的留皮度和抗挤压破裂力的变化规律。结果表明：随着碾白时间的增加，3种糙米的留皮度降低、抗挤压破裂力轻微下降。在快速磨损阶段，糙米表面较突出的皮层被快速磨去，米和米主要集中在籽粒腹部和背部，糯米从四周向中心区域扩展；在平缓磨损阶段，碾白区域覆盖糙米表层。碾白时间为515s时，糙米籽粒的留皮度快速减小；随着碾白时间持续增加，留皮度减小的速率逐渐降低。关键词：糙米；留皮度；皮层；破碎特性Study on milling and crushing characteristics of brown riceTANG Rong,YANG Liu,CUI Bo,FAN Yu-chao,ZHANG Yong-lin?3,SONG Shao-yun?3(1.Changchun Institute of Engineering,Changchun 130103,Jilin,China;2.College of Mechanical Engineering,Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023,Hubei,China;3.Hubei Grain and Oil Machinery Engineering Technology Research Center,Abstract:Taking indica rice,japonica rice and glutinous rice as the objects,the experiments of differ-ent milling time of brown rice were carried out,and then the changes of skin retention and extrusioncracking resistance of brown rice under different milling time were analyzed.The results showed that withthe increase of milling time,the skin retention of the three kinds of brown rice decreased,and the extru-sion cracking resistance decreased slightly.In the rapid wear stage,the prominent cortex on the surfaceof brown rice was quickly worn away,japonica rice and indica rice were mainly concentrated in the abdo-men and back of grain,and glutinous rice expanded from the surrounding to the central region.In thegentle wear stage,the milled area was covered with brown rice surface.When the milling time was 5 15 s,the skin retention of brown rice grain decreased rapidly.With the continuous increase of millingtime,the rate of skin retention decreased gradually.Key words:brown rice;skin retention;cortex;crushing characteristic中图分类号：TS210.1稻米的种植覆盖亚洲各个国家和地区，满足了人们近2 0%的膳食能源需求，而稻米的大部分营养物质，如脂肪、维生素、膳食纤维、矿物质等都被储存在麸皮层中2-4。稻谷经奢谷去掉颖壳后可得糙米,糙米由麸皮层、胚乳层和胚乳组成，其中麸收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 1基金项目：湖北省自然科学基金（2 0 2 2 CFB944）；湖北省教育厅中青年人才项目（Q20211609）；江苏省食品先进制造重点实验室开放基金（2 0 2 1FM-03）；武汉轻工大学杰出青年科学基金（2 0 2 0 J06)作者简介：汤荣（2 0 0 1一），男，本科，研究方向为农业装备设计。通信作者：杨柳（198 9一），男，博士，副教授，研究方向为粮油智能装备设计与作业机理研究。粮食与油脂糙米籽粒碾白与破碎特性研究汤荣”，杨柳”，崔波”，范雨超”，张永林2，宋少云3（1.长春工程学院，吉林长春130 10 3；2.武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉430 0 2 3；3.湖北省粮油机械工程技术研究中心，湖北武汉430 0 2 3）Wuhan 430023,Hubei,China)文献标志码：A2023年第36 卷第10 期文章编号：10 0 8-9 57 8(2 0 2 3)10-0 0 52-0 4皮层是多层细胞组织，由果皮、种皮、珍珠层和糊粉层构成，占据糙米整体的5%6%5-6 。我国稻谷加工业普遍存在过度加工的问题，不仅导致米粒营养成分的流失，还造成了资源浪费，因此，合理控制加工精度具有重要意义。现有的大米加工精度检2023年第36 卷第10 期验方法主要有直接比较法、染色法、白度仪测量法7 。直接比较法是通过肉眼观察米粒的留皮程度，因样品的皮层颜色和其余部分的颜色相近，所以很难准确判断留皮程度，检验结果的失真度较大。染色法是通过化学试剂对碾磨的米粒染色,再进行对比，但样品在浸泡时其皮层有掉落的可能，并且化学染色剂使用后易污染环境。白度仪可用于测量稻米加工精度，但由于大米品种不同，米粒的白度有较大差异。同时，大米在碾磨过程中，由于挤压、剪切、摩擦、碰撞等机械作用的影响8，会造成糙米的破碎并产生裂纹，使稻米的食味品质降低，而合理地控制加工精度可以减少碎米率9。鉴于此,本研究采用几种常见的稻米进行碾磨，针对传统检测方法的缺陷，运用Image-J软件对碾磨后的米粒表面照片进行处理，通过改变阈值大小，准确清晰地识别出碾磨后的区域与残留皮层,从而得到留皮度与米粒表面皮层分布特性，能够很好表征米粒的加工精度。同时对其挤压力学性能进行测试,探究碾磨时间对米粒加工特性的影响规律,对提高糙米碾磨质量、降低碎米率、减少浪费具有重要意义。1材料与方法1.1材料与试剂米（郑旱10 号），产自河南省；米（黄华占），产自广东省；糯米（连糯1号），产自江苏省。1.2仪器与设备TA.XTC-18质构仪，上海保圣实业发展有限公司；超眼A005+自动对焦电子数码显微镜，深圳超眼科技有限公司；NA-JCB试验用小型出白机，浙江省台州市路桥农奥粮仪厂；奥豪斯Explorer天平,武汉集思仪器设备有限公司；LGJ4.5型检验碧谷机，浙江省台州市粮仪厂；三和游标卡尺，宁波京虹机械科技有限公司。1.3试验方法1.3.1样品的制备试验前，用游标卡尺分别测量每颗糙米的长度、宽度和厚度，得到糙米的尺寸。表1糙米尺寸尺寸郑旱10 号长度5.26 0.23宽度3.12 0.14厚度2.05 0.16粮食与油脂3种稻米通过试验垄谷机去除外壳后得到糙米,然后挑选出颗粒饱满，无裂纹,形状大小颜色相近的糙米籽粒，分别用出白机进行不同时间的碾白。1.3.2留皮度的测定为得到糙米籽粒碾磨时间与留皮度之间的关系,将不同碾白时间的籽粒取5组分别在Image-J软件下进行识别。根据碾磨过的籽粒样品的实际长度,在Image-J中标记米粒图像的像素长度，通过调整原始图片的亮度和对比度，使其去皮区域（白色）与糠皮部分（黑色）对比明显，从而提高软件的识别率，最后通过设定图像阈值对图像进行分割，进而得到测试籽粒的总面积S，和留皮部分的总面积S2，取平均值。留皮度(H)计算见式(1)。H=100%S,(a）原始图片图 1 糯米5 s碾白图1.3.3压缩力学特性的测定为研究糙米籽粒在不同碾白时间下其力学特性,采用质构仪对籽粒进行测试。试验前，选取直径为6 mm的圆柱体下压探头，测试前和测试后速度为1mm/s，下压距离0.8 mm,测试采用单次下压模式,然后调整质构仪的位置，使其水平放置，再对探头进行调节，保证圆柱体探头的中心位置对准承重平台上试样样品的中心位置，最后校准传感器，重置探头高度。调整完毕后，对米粒进行压缩试验，得到破裂力，每组样品测试10 次，结果取平均值。2结果与分析2.1不同种类稻米的留皮度特性分析由图2 可知：随着碾白时间的增加,3种糙米的皮层逐渐被碾削，留皮度逐渐降低。在515s碾/mm白阶段，糙米籽粒麸皮层所占比率快速下降，留皮黄华占连糯1号7.12 0.305.0 0.362.36 0.243.2 0.211.87 0.122.4 0.1853S2(1)(b)Image-J处理度迅速下降；当碾白时间大于15s后，留皮度的变化速率逐渐减缓；随着碾白时间不断增加，3种糙米的留皮度减小速率均不断降低，且当碾白时间为5425s时，糯米皮层被去除9 0%以上；从相同碾磨时间下不同品种留皮度差异观察可知，糯米的留皮度始终处于较低的水平,这与其表面的平滑程度以及麸皮层所占厚度相关。相对于其他样品，在碾白时间较短时，釉米的留皮度较高，这是因为米横截面积多呈圆状,粒型细长，褶皱较凸显 10 ,短时间内碾磨效果不佳；比较不同米型的留皮度下降速率，梗米的下降速率最小，这是由于梗米的腹部和背部有明显的区分边界，从而形成较深的沟区域，导致碾磨难度较大，并且麸皮层表面不规则，梗米各区域碾磨程度不一。而米的留皮度下降速率最快，这表明达到一定加工精度时所用的时间最短。100灿米90糯米梗米807060%/至5040302010图2 在不同碾白时间下3种米粒的留皮度2.2糙米碾白作用皮层特性分析不同品种的稻米的表面结构不同，组成成分也有所差异,这导致其在碾磨过程中呈现出不同的损伤特性。由图3可知：随着碾白时间的增加,3种糙米的表面麸皮层都在逐渐被碾磨，当碾白时间达到25s时,3种米粒表面麸皮层基本去除。米粒碾白部分的扩张主要分为2 个阶段，第1阶段是快速碾磨阶段（515s），这一阶段米粒皮层被去除的速率较快,其中米和梗米的去皮区域主要分布在籽粒腹部和背部的交汇处，这部分的皮层先被去除，而糯米因其整体结构相对平滑，导致磨损区域是从籽粒四周向中心区域汇合。同时，几种糙米的背沟区域残留皮层都较多，过度碾除这个区域则会损伤胚乳，降低米粒的营养价值，这可能是造成米粒过度加工的原因之一;第2 阶段是平缓磨损阶段（1520s）,这一阶段米粒上残余皮层和第1阶段中的碾白区域被共同碾磨，碾白区域扩张速率逐渐减缓。这与图2 中3种米粒的留皮度变化趋势一致。粮食与油脂2.3在不同碾白时间下糙米力学特性分析在碾磨过程中，糙米籽粒受到摩擦力作用的同时,还受到其他机械力的作用，主要由挤压、剪切、摩擦和碰撞组成 ,其中挤压力对糙米破裂起着决5102023年第36 卷第10 期mmSmm5smm图33种米粒在不同碾白时间下皮层分布图1520碾白时间/s10s(a)米10s15s(b）灿米10s15s(c）糯米25定性作用,在压力作用下，糙米内部的天然裂纹扩展的同时,也会产生受压性裂纹，多条小裂纹聚合成大裂纹之后，延伸至表面，造成米粒的破碎 12 。因此,分析不同碾磨时间下的糙米籽粒力学特性的变化规律,有助于明确籽粒在碾磨过程中的受力特性，进而减少碎米率，提高加工品质。由图4可知：随着碾白时间的增加3种糙米的破裂力都呈现出下降趋势。原因是随着碾白时间的增加,糙米皮层被碾磨的越来越多,籽粒完整性被米120糯米梗米100F80N/6040200图43种糙米米粒在不同碾白时间下的破裂力15S51020s20s20S1520时间/s25s25s252023年第36 卷第10 期破坏,天然保护屏障失去平衡，质构仪探头直接作用于米粒的胚乳部分，使得3种米的强度降低。而在相同的碾白时间下，不同品种的破裂力差异性较大,相比其他2 种试验米粒,糯米的破裂力始终较高。随着碾白时间的增加，留皮度始终处于较低水平,而压缩力学测试指明其抵抗破裂的能力同样处于较高的数值,这表明在相同的碾白时间下，留皮度的改变对米粒的力学特性影响较小，而是样品的粒质和粒型起决定作用。3结论以3种常规稻米为研究对象，进行了糙米不同碾白时间的试验，进而分析了在不同碾白时间下，糙米的留皮度和抗挤压破裂力的变化规律。研究显示,随着碾白时间的增加，留皮度都逐渐降低，破裂力的下降幅度较小。在碾白时间增加的整个过程中,糙米留皮度的减小速率逐渐降低,在碾白时间较短时，梗米和米的磨损区域主要集中在籽粒腹部和背部，而糯米的磨损区则主要由四周向中心区域汇合。同时，随着碾白时间的增加，糙米皮层逐渐被碾去，失去外层保护3种米粒的力学特性呈现轻微下降的趋势。糙米的加工精度多数由所设定碾磨时间来控制，通过研究不同碾白时间对几种常见糙米的留皮度、皮层分布特性以及力学特性的影响,充分反映了米粒的碾白过程，对控制精碾、适碾下的加工精度具有重要意义。0+00+00+00:(上接第39页）32 LIANG Z X,GAO J H,YU P X,et al.History,mecha-nism of action,and toxicity:A review of commonly useddough rheology 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