影響西瓜子破殼載荷的因素研究

影響西瓜子破殼載荷的因素研究

西瓜子屬于堅果科，形狀扁平，形狀類似于橢圓形。由于其香脆可口、營養(yǎng)豐富,是人們喜愛的休閑食品,但其外殼堅硬,不易入味,并且食用過程中會損傷牙齒。為使西瓜子方便入味和食用,可以對其進(jìn)行預(yù)開口處理。目前不少加工廠以落后的手工砸取方式為主,生產(chǎn)率低,勞動成本高。破殼采用的原理大致可分為沖擊、研磨、滾壓及其混合型4類。西瓜子的破殼開口多是采用設(shè)置擠壓間距或破殼載荷的方法。為解決西瓜子預(yù)開口處理的技術(shù)難題,本試驗(yàn)主要對西瓜子破殼載荷的影響因素進(jìn)行研究,從而為其破殼加工工藝提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1壓力和水分測試西瓜子:江蘇省常州市周氏偉業(yè)食品有限公司,產(chǎn)地蘭州;電子數(shù)顯卡尺一把:精度為0.01mm,江南大學(xué)實(shí)驗(yàn)室;DHS20-1多功能紅外水分儀一臺:稱量范圍:0～100,讀數(shù)精度:0.001,水分含量測定可讀性:0.01%,上海精密科學(xué)儀器有限公司;LRXPLUS系列材料試驗(yàn)機(jī):負(fù)載分辨率小于負(fù)載傳感器的0.005%,位移分辨率小于0.1μm,阿美特克公司。1.2方法1.2.1試孔在對西瓜子進(jìn)行破殼時,其尖端裂開一道縫便達(dá)到開口的目的,由西瓜子的物理機(jī)械特性并經(jīng)試驗(yàn)證明:最佳受力和最易實(shí)現(xiàn)的截面為其最大寬度兩側(cè)(圖1)。1.2.2試驗(yàn)情況即破殼試驗(yàn)破殼開口試驗(yàn)采用LRXPLUS系列材料試驗(yàn)機(jī),沿西瓜子寬度方向?qū)ζ浼虞d(夾具自制),每次達(dá)到破殼載荷時西瓜子開口,試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)示意圖見圖2,西瓜子的破殼曲線見圖3。曲線先類似直線上升,并逐漸達(dá)到最大值,此時西瓜子尖端破殼開口,接著載荷劇減,繼續(xù)擠壓,變形量繼續(xù)增加,載荷隨之也逐漸增大,最后西瓜子被壓碎,載荷逐漸減小。1.3影響西瓜子破殼載荷的因素通過分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到破殼載荷與西瓜子寬度、加載速率、含水率之間的函數(shù)關(guān)系式,并用方差分析對方程進(jìn)行檢驗(yàn),研究這些因素是否是影響破殼載荷主要因素。1.3.1西瓜子的寬度測量3500枚西瓜子的寬度,以0.2mm為級數(shù)分組。在含水率和加載速率不變的情況下,對數(shù)量最多的5組西瓜子進(jìn)行破殼開口試驗(yàn)。1.3.2加載速度取某一寬度等級的西瓜子,在含水率不變的情況下,采用7種不同的加載速率進(jìn)行破殼開口試驗(yàn)。1.3.3紅外含水率測定取6份某種寬度等級的西瓜子,使其有不同的含水率,具體數(shù)值用多功能紅外水分儀測得(加熱溫度為100℃,加熱時間為2h),以某一加載速率進(jìn)行破殼開口試驗(yàn)。2結(jié)果與分析2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析西瓜子的寬度呈正態(tài)分布,在含水率為9.03%時,以下5個寬度范圍的西瓜子所占比例最多:[11.0,11.1)占10.48%;[11.2,11.3)占12.36%;[11.4,11.5)占11.88%;[11.6,11.7)占11.62%;[11.8,11.9)占9.74%,單位mm。設(shè)定加載速率為15mm/min,對其進(jìn)行破殼開口試驗(yàn),得到每次的破殼載荷,試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)SAS軟件分析處理,可知破殼載荷與西瓜子寬度之間的函數(shù)關(guān)系式為:y=14.88x-45.56式中:y——破殼載荷,N;x——西瓜子的寬度,mm。用方差分析對方程進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果見表1。由表1可知,P值為0.1311,大于0.01,故接受零假設(shè),認(rèn)為西瓜子寬度不是影響破殼載荷的顯著因素,所以可以設(shè)計定載荷的開口機(jī)械,尋求適應(yīng)范圍廣的破殼載荷,而不考慮西瓜子寬度的影響。2.2破殼加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在10,15,20,25,35,45,50mm/min7個不同的加載速率下,對含水率為9.03%,寬度范圍在[11.2,11.3)的西瓜子進(jìn)行破殼開口試驗(yàn),分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),可得破殼載荷與加載速度之間的函數(shù)關(guān)系式為:y=0.0503x+131.20239式中:y——破殼載荷,N;x——加載速率,mm/min?；貧w方程的方差分析見表2。由表2可知,P值為0.151,大于0.01,故也接受零假設(shè),認(rèn)為加載速率的大小對破殼載荷的影響不顯著,所以設(shè)計開口機(jī)械時應(yīng)選擇合適的加載速率,既滿足機(jī)械的穩(wěn)定性,又有較高的生產(chǎn)效率。2.3含水率對破殼載荷的影響取寬度范圍在[11.2,11.3)的西瓜子6份,與不同質(zhì)量的水混合分別裝在密閉容器內(nèi),等水被西瓜子充分吸收,具有不同的含水率后,用紅外水分儀測得含水率分別為:7.58%、9.03%、11.51%、13.71%、18.99%、21.41%,在15mm/min的加載速度下進(jìn)行破殼開口試驗(yàn),用matlab軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,得到含水率和破殼載荷之間的關(guān)系曲線見圖4。從圖4可知,破殼載荷與含水率之間為非線性關(guān)系,關(guān)系式為:y=0.2659x2-12.5x+207.9(7.58<x<21.41)式中:y——破殼載荷,N;x——含水率,%。對非線性回歸方程進(jìn)行擬合分析,得到觀測值和擬合值之間的相關(guān)系數(shù),非常接近于1,擬合滿足要求。對不同含水率下西瓜子開口時的最大破殼載荷進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。從表3可知,P值小于0.0001,故拒絕零假設(shè),含水率對破殼載荷的影響高度顯著。由試驗(yàn)可知,破殼載荷隨著含水率的增加不斷減小,而且含水率是一個高度顯著的影響因素。因此,在對西瓜子進(jìn)行機(jī)械破殼之前應(yīng)使其保持一個合理的含水率,可以節(jié)省很多的能量消耗。3西瓜子含水率的影響由試驗(yàn)可知對西瓜子進(jìn)行機(jī)械破殼開口的最佳加載位置是西瓜子的最大寬度兩側(cè),影響西瓜子破殼載荷的顯著因素為西瓜子的含水率,關(guān)系式為:y=0.2659x2-12.5x+2