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,可以對其進行預開口處理。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置擠壓間距或破殼載荷的方法。為解決西瓜子預開口處理的技術難題,本試驗主要對西瓜子破殼載荷的影響因素進行研究,從而為其破殼加工工藝提供理論依據。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食品有限公司,產地蘭州;電子數顯卡尺一把:精度為0.01mm,江南大學實驗室;DHS20-1多功能紅外水分儀一臺:稱量范圍:0～100,讀數精度:0.001,水分含量測定可讀性:0.01%,上海精密科學儀器有限公司;LRXPLUS系列材料試驗機:負載分辨率小于負載傳感器的0.005%,位移分辨率小于0.1μm,阿美特克公司。1.2方法1.2.1試孔在對西瓜子進行破殼時,其尖端裂開一道縫便達到開口的目的,由西瓜子的物理機械特性并經試驗證明:最佳受力和最易實現的截面為其最大寬度兩側(圖1)。1.2.2試驗情況即破殼試驗破殼開口試驗采用LRXPLUS系列材料試驗機,沿西瓜子寬度方向對其加載(夾具自制),每次達到破殼載荷時西瓜子開口,試驗結束。試驗示意圖見圖2,西瓜子的破殼曲線見圖3。曲線先類似直線上升,并逐漸達到最大值,此時西瓜子尖端破殼開口,接著載荷劇減,繼續擠壓,變形量繼續增加,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數據,得到破殼載荷與西瓜子寬度、加載速率、含水率之間的函數關系式,并用方差分析對方程進行檢驗,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為級數分組。在含水率和加載速率不變的情況下,對數量最多的5組西瓜子進行破殼開口試驗。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行破殼開口試驗。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),以某一加載速率進行破殼開口試驗。2結果與分析2.1試驗數據及分析西瓜子的寬度呈正態分布,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。設定加載速率為15mm/min,對其進行破殼開口試驗,得到每次的破殼載荷,試驗數據經SAS軟件分析處理,可知破殼載荷與西瓜子寬度之間的函數關系式為: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行檢驗,結果見表1。由表1可知,P值為0.1311,大于0.01,故接受零假設,認為西瓜子寬度不是影響破殼載荷的顯著因素,所以可以設計定載荷的開口機械,尋求適應范圍廣的破殼載荷,而不考慮西瓜子寬度的影響。2.2破殼加載試驗數據分析在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)的西瓜子進行破殼開口試驗,分析處理試驗數據,可得破殼載荷與加載速度之間的函數關系式為:y=0.0503x+131.20239式中:y——破殼載荷,N;x——加載速率,mm/min。回歸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,認為加載速率的大小對破殼載荷的影響不顯著,所以設計開口機械時應選擇合適的加載速率,既滿足機械的穩定性,又有較高的生產效率。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,與不同質量的水混合分別裝在密閉容器內,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的加載速度下進行破殼開口試驗,用matlab軟件對試驗數據進行曲線擬合,得到含水率和破殼載荷之間的關系曲線見圖4。從圖4可知,破殼載荷與含水率之間為非線性關系,關系式為: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行擬合分析,得到觀測值和擬合值之間的相關系數,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行方差分析,結果見表3。從表3可知,P值小于0.0001,故拒絕零假設,含水率對破殼載荷的影響高度顯著。由試驗可知,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,在對西瓜子進行機械破殼之前應使其保持一個合理的含水率,可以節省很多的能量消耗。3西瓜子含水率的影響由試驗可知對西瓜子進行機械破殼開口的最佳加載位置是西瓜子的最大寬度兩側,影響西瓜子破殼載荷的顯著因素為西瓜子的含水率,關系式為:y=0.2659x2-12.5x+2