张黎骅，秦 文*，马荣朝

(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 610044；2.四川农业大学信息与工程技术学院，四川 雅安 625014)

杏核压缩力学特性的研究

张黎骅1,2，秦 文2,*，马荣朝2

(1.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 610044；2.四川农业大学信息与工程技术学院，四川 雅安 625014)

为了进一步改进杏核加工装备的设计与制造，利用LDS-W10A型微机控制的力学实验机进行含水率及施压方向对杏核脱壳特性影响的研究，并建立相应的数学模型。实验表明，当含水率在5.97%～30.14%时，分别沿X轴、Y轴和Z轴施压时，含水率对破碎力和能耗影响较为明显(P＜0.10)；沿X轴、Y轴对杏核施压时，随着含水率的增加，杏核所需破碎力和能耗逐渐减小。在相同含水率的条件下，杏核沿不同施压方向所需破碎力和能耗有显著差异，其中，沿X轴所需破碎力和能耗最大，分别为992N和1304.48mJ，沿Y轴所需破碎力和能耗最小，分别为268N和294.80mJ。相对于沿X、Y轴，沿Z轴施压杏仁更容易破裂；而且含水率越高，则核仁越容易破裂。所以，杏核脱壳应选择沿Y方向施压，并在脱壳前对杏核进行适当的干燥以避免核仁被破坏。

杏核；含水率；脱壳特性；数学模型

Abstract：In order to further improve the design and manufacture of apricot seed processing machinery, we used a LDS-W10A type microcomputer controlled mechanical testing machine to explore the effects of material moisture content and pressure direction on apricot seed cracking characteristics. Meanwhile, corresponding mathematical models were established. The results showed that moisture content varying between 5.97% and 30.14% had a significant effect on both rupture forces and energy consumptions(P< 0.10) along theX-axis,Y-axis andZ-axis of apricot seeds. Increasing moisture content resulted in lower rupture forces and energy consumptions alongX-axis andY-axis. Both required rupture forces and energy consumptions along different directions for cracking apricot seeds with the same moistures exhibited a significant difference, and the largest required rupture force and energy consumption were alongX-axis, 992 N and 1304.48 mJ, respectively and the required rupture force and energy consumption alongY-axis were the smallest, 268 N and 294.80 mJ, respectively. Compared withX-axis andY-axis, apricot seeds compressed alongZ-axis were more easily ruptured and the higher the moisture content, the more easily apricot seeds were ruptured. Consequently, apricot seeds should be compressed alongY-axis and be dried properly in advance so as to prevent almond breaking.

Key words：apricot seed；moisture content；cracking characteristic；mathematical model

杏(Prunus armeniacaL.)是一种很好的食品加工原料。近年来我国鲜杏总产约60多万t，其中年产杏核4.49万t[1]。据调查，在美国，杏仁的系列加工制品多达1000多种。杏仁富含磷、钾、钙、镁、硼、锌、硒等矿质元素，含蛋白质25%～27%，17种氨基酸(总量为26.725%)，总糖4.1%，杏仁苷2%～4%[2]，同时含有丰富的油脂，其含油量在50%左右[3-4]，且95%以上为亚油酸、亚麻酸等不饱和脂肪酸，是制造高级护肤化妆品、优质食用油，也是高级润滑油的优质原料[4-5]。所以，深入研究杏核加工技术对发展我国杏产业有着举足轻重的意义。

目前，国内学者余雅琼[2]研究了杏仁蛋白的提取与物性，盛小娜[4]研究了提取甜杏仁油及水解蛋白的方法，国外学者 Gezer等[6]研究了杏核与杏仁的物理特性等，而对于杏核含水率对脱壳特性影响的研究还很少见报道。

对于杏核加工来说，脱壳是一道关键且困难的工序，传统的人工砸壳取仁的方法不仅效率低、产能小，而且破仁率高。虽然我国已研制了一些杏核的脱壳机械，但是其中多数脱壳效率低，脱壳后破仁率高，损失大，远远不能满足杏核加工发展的需要[7-10]。分析其主要原因是由于对杏核压缩力学特性的影响因素研究深度不够，从而导致杏核脱壳机械设计的不合理[11]。因此，本次研究主要测定含水率和施压方向对破碎力、变形量以及能耗的影响，建立相应的数学模型并进行回归方程的显著性检验，为进一步提高杏核脱壳机的破壳性能和降低杏仁破碎率提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

测试中所用的杏(Prunus armeniacaL.)由四川省雅安市郊农户提供。将杏子去除果肉，取出杏核，挑选出完好的杏核并进行清洗、装袋密封，在4℃条件下贮藏以备实验之用。

1.2 仪器与设备

游标卡尺(200mm×0.01mm) 美国邦克工具有限公司；LDS-W10A型微机控制电子拉压实验机 杭州艾斯达特检测仪器有限公司；20-T(AS) 电热恒温干燥箱 南通联丰计量技术有限公司；JD2000-2电子天平 北京中仪友信科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 含水率的测量

首先，人工将样本核壳和核仁分离出来并适当破碎，用精度为0.001g的天平称量其初始总质量，然后将杏核放在20-T(AS)恒温干燥箱中105℃放置24h以上，取出并称得绝干质量[12]。则湿基含水率(me)为：

式中：m1为湿物质质量/g；m2为绝干质量/g。

1.3.2 破碎力-位移曲线的测量

图1 杏核的施压方向Fig.1 Compression axes of apricot seeds

用LDS微机控制力学实验机以10mm/min速度对杏核进行不同的含水率、不同方位施压实验，杏核的X、Y和Z方向如图1所示。当压头接触到杏核时，其显示器开始显示压力数据，直到杏核因受力增大开始破裂时，压力急速降低而自动停机，记录破碎力-位移曲线及压力峰值。每次实验时任选含水率相同的10颗杏核，最后取实验结果的平均值[12-14]。

1.3.3 能耗的测定

杏核被破坏时所需的能量可由计算破碎力-变形曲线下方面积得到[15]，其计算公式为：

式中：F为破碎力/N；S为破坏时的变形量/mm。

1.3.4 杏仁破碎率的测定

在本次压缩实验后，对每个杏仁采用放大镜观察是否产生破碎的裂纹，并由式(3)计算杏核的破碎率(C)。

式中：n1为损伤杏仁数；n0为杏仁实验数。

2 结果与分析

2.1 对杏核外形尺寸的测量与分析

四川杏核不同部位尺寸的测量值如表1所示。

表1 杏核外形尺寸及质量Table 1 Dimensional properties and masses of apricot seeds

由表1可知，在长度方向上极差为6.73mm；在宽度方向上极差为4.32mm；在厚度方向上极差为2.47mm。因此，在脱壳处理时，为保证脱壳品质对杏核应分级处理。对含水率对杏核的外形尺寸的影响的数据分析[16]结果如表2所示。由F检验的结果表明含水率对杏核长、宽、厚度尺寸的影响均显著(P＜0.05)。杏核的长、宽、高尺寸与含水率之间呈线性正相关，其原因主要是杏核吸收水分而膨胀所致。

表2 含水率对杏核外形尺寸影响的分析结果Table 2 Analytical results of the effects of moisture content on apricot seed shape

2.2 杏核压缩力-位移曲线的测量与分析

图2 杏核沿不同方向的压缩力-位移曲线Fig.2 Rupture force versus displacement curves of apricot seeds under compression loading along different axes

含水率为5. 97%的杏核从不同方向，以10mm/min速度压缩时的力-位移曲线如图2所示。杏核沿X、Y、Z轴施压时，杏核的压缩力-位移曲线明显不同。其中，杏核沿Y轴施压时主要以弹性变形为主；沿Z轴施压时主要以塑性变形为主；沿Y、Z轴施压时，杏核均没有明显的生物屈服点[10]。杏核沿X轴施压时，开始阶段为弹性变形，随后才进入塑性变形，并且出现了明显的生物屈服点A。

当选取不同的含水率和不同的加压轴时，杏核最大破碎力、变形量、能耗以及杏仁破碎率等脱壳力学特性的测量结果如表3所示。

表3 含水率对杏核脱壳力学特性的影响及杏仁破碎率Table 3 Effect of moisture content on cracking mechanical properties of apricot seeds and almond breaking rate

由表3可知，在本次压缩实验后对每个杏仁采用放大镜观察，结果表明沿X轴和Y轴加载时，核仁均没有产生裂纹。然而，沿Z方向施压时，其破碎率随着含水率的增加而增加，在含水率为30.14%时，破碎率达到最大值76.7%。在含水率为5.97%时，破碎率为最小值23.3%。主要原因是在Z轴方向杏核壳与杏仁之间间隙太小，导致脱壳施压时将杏仁压破。

2.3 含水率对杏核破碎力的影响

图3 含水率对杏核破碎力的影响Fig.3 Effect of moisture content on required rupture force for apricot seeds

图3所示为在不同含水率和加压方向下所需的临界破碎力。在沿X、Y轴施压时，杏核所需的破碎力随着含水率的增加而减小。在含水率从5.97%增加到30.14%时，X轴破碎力从992N下降到492N，Y轴破碎力从416N减少到268N。主要由于杏核在高含水率时，核壳变软所致。而沿Z轴，含水率在5.97%～23.71%之间时，其破碎力随含水率的增加而减小，含水率在23.71%～30.14%之间，其破碎力随含水率的增加而增加。造成这一现象的原因是因为沿Z轴加压时，杏仁在高含水率时，进一步吸水膨胀并将其与壳的径向间隙填满，因而导致了破碎力有所增加。

表4 含水率对杏核破碎力影响的分析结果Table 4 Modeling of the effects of moisture content on required rupture forces for apricot seeds along different directions

采用SAS软件对实验结果进行分析，得到含水率及破碎力的关系如表4所示[17-19]。统计分析后可以发现，在X轴、Y轴和Z轴上，含水率对破碎力的影响显著(P＜0.05)，而且含水率对破碎力之间存在二阶非线性的函数关系。

2.4 含水率对杏核变形量的影响

图4 含水率对杏核变形量的影响Fig.4 Effect of moisture content on apricot seed deformation

图4为含水率及加压方向对杏核破坏时变形的影响。沿X轴、Y轴施压时，杏核的变形量随着含水率的增加而增加。而且沿X轴杏核的变形要比其他两轴大。这表明与其他两轴相比杏核沿X轴方向更有弹性，而且更不容易破碎。随着含水率从5.97%增加到30.14%，沿X轴方向加压时，变形量从2.63mm增加到3.72mm；沿Y轴施压时，变形量从1.94mm增加到2.20mm；沿Z轴加压时，随着含水率的增加，变形量从2.49mm逐渐下降到2.31mm，然后又上升到2.97mm。沿Z轴加压时产生这种趋势的原因是由于在高含水率的情况下，壳和核仁间无径向间隙，以及杏核所需破碎力不断增加。

表5 含水率对杏核变形量影响的分析结果Table 5 Modeling of the effects of moisture content on apricot seed deformation along different directions

采用SAS软件对实验结果分析，得到含水率及变形量的关系如表5所示。统计分析后可以发现，在X轴、Y轴和Z轴上，含水率对变形量的影响是显著的(P＜0.05)，而且含水率对破碎力之间存在二阶非线性的函数关系。

2.5 含水率对杏核能耗的影响

图5 含水率及加压轴对杏核脱壳能耗的影响Fig.5 Effect of moisture content and compression direction on required energy consumption for cracking apricot seeds

从表6和图5可以看出，在X轴和Y轴上，随着含水率从5.97%增加到30.14%，杏核破碎所需的能耗逐渐减少。产生这种趋势的原因可以归因于破碎力的减少幅度大于杏核位移的增加幅度从而使能耗减少，而且沿X轴破碎杏核比从另外两轴需要更多的能耗。而在Z轴上，含水率从5.97%增加到30.14%杏核所需的能耗从702.18mJ逐渐减小到455.10mJ，而后增加到626.67mJ。产生这种现象的原因是当含水率增加到23.71%时，从Z轴施加的破碎力和变形量均增加。

含水率对杏核破碎能耗影响的统计分析结果如表6所示，分别沿X轴、Y轴和Z轴施压时，含水率对杏核的能耗影响较为明显(P＜0.10)，而且含水率对能耗之间存在二阶非线性的函数关系。

3 结 论

3.1 在相同含水率的条件下，杏核沿不同施压方向所需破碎力和能耗有显著差异，其中，沿X轴对杏核施压破裂所需的破碎力和能耗为最大，分别为992N和1304.48mJ；沿Y轴施压所需的破碎力和能耗为最低，分别为268N和294.80mJ。因此在建立杏核施压脱壳原理时，选择沿Y轴施压比沿另外两个方向更合理。

3.2 当含水率在5.97%～30.14%时，含水率、施压方向对破碎力、变形量及能耗影响较为显著(P＜0.10)，而且破碎力、变形量及能耗均与含水率之间存在二阶非线性的函数关系。

3.3 从杏核施压造成核仁破裂的角度来讲，相对于沿X、Y轴，沿Z轴施压杏仁更容易破裂；在相同的施压方向上，含水率越高，则核仁越容易破裂，所以杏核在脱壳前应适当的进行干燥以避免核仁在施压脱壳时破碎率过高。

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Mechanical Properties of Apricot Seeds under Compression Loading

ZHANG Li-hua1,2，QIN Wen2,*，MA Rong-chao2
(1. State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 610044, China；2. College of Information and Engineering Technology, Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China)

S565.2

A

1002-6630(2010)17-0143-05

2010-06-14

四川教育厅青年基金项目(2006B011)

张黎骅(1969—)，男，副教授，博士研究生，研究方向为农产品加工机械与装备。E-mail：zhanglihua69@126.com

*通信作者：秦文(1967—)，女，教授，博士，研究方向为农产品加工与贮藏。E-mail：qinwen1967@yahoo.com.cn