檳榔果實幾何與物理參數(shù)測量分析
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摘要：檳榔切片是烘干后初加工的重要工序之一，檳榔的外形尺寸及物理參數(shù)存在天然性差異，但均勻對稱的切片才能提升干果價值。文章以海南本地檳榔為樣本，測量了不同烘干時間后干果的幾何尺寸和物理參數(shù)，為檳榔干果自動切片機械的設計和優(yōu)化提供依據(jù)。結果表明，在脫水率為78%時，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm之間，果殼厚約3mm；密度為0.627g/cm3，不銹鋼板上的靜摩擦系數(shù)為0.309，抗壓強度約16MPa。
關鍵詞：海南檳榔；干果加工；幾何尺寸；物理參數(shù)
1概述
海南檳榔產(chǎn)量占全國的97%以上。海南東部的主要檳榔產(chǎn)區(qū)是瓊海市、萬寧市和陵水縣，中部產(chǎn)區(qū)是屯昌縣、瓊中縣和五指山市；西部產(chǎn)區(qū)是白沙縣、東方市和儋州市[1]。盡管2020年的全球蔓延導致經(jīng)濟整體下行，但檳榔被列入肺炎的中藥配方對檳榔產(chǎn)業(yè)是重大利好。干果的加工方法各有不同，具體工藝流程為：清洗-炮制-上光-烘干-切片-取芯-點鹵水調味等，其中對檳榔果的切片加工效果直接決定了產(chǎn)品的最終外觀和價值，是檳榔加工中極為重要的一環(huán)。檳榔切片目前主要采取手工鍘刀剖切，存在效率低、工作強度大、成本高和食品衛(wèi)生安全不易控制的問題。依靠手工的原因在于檳榔受地理氣候環(huán)境因素影響，果形尺寸及物理參數(shù)存在差異，外觀大多不規(guī)則，而市場提供的自動切片機械適應性不強、正品產(chǎn)率不高，外觀質量欠佳，因而產(chǎn)品貶值導致廠家不愿采用。由于檳榔的切片與檳榔幾何參數(shù)和物理參數(shù)密切相關，加強對檳榔果幾何尺寸和物理參數(shù)這些基礎數(shù)據(jù)的研究，將有利于切片加工機械的設計和改善產(chǎn)品品質，但目前這方面的研究數(shù)據(jù)還不多見[2]。本文采用加工企業(yè)定點供應的海南檳榔，測量經(jīng)過不同烘干時間后檳榔干果的幾何尺寸和部分物理參數(shù)的分布。根據(jù)檳榔切片的工藝特點，果實的外形尺寸與裝夾定位有關，果實厚度和硬度則影響切片力的大小，因此涉及到如重心、摩擦系數(shù)、抗壓強度和硬度等參數(shù)。其中重心與檳榔果的長度、寬度、高度和密度有關，摩擦系數(shù)、抗壓強度和硬度的主要影響因素是對應檳榔烘干時間的脫水量。
2實驗結果與討論
2.1幾何參數(shù)的測量
檳榔屬棕櫚科植物，果實大致呈橢球形，果皮較軟呈淡綠色至黃棕色，斷面可見網(wǎng)狀溝紋的纖維，能快速風干變硬。實驗前將個別干癟及不成熟的檳榔剔除，隨機選取篩選后的檳榔樣本100粒，用游標卡尺測量檳榔的長度、腰徑（包括寬度和高度）。烘干實驗中，稱取檳榔鮮果置于電熱恒溫鼓風干燥箱中烘干。溫度保持在80℃，每次烘干4h后從干燥箱中取出，放入置有吸潮硅膠的干燥皿中，冷卻后測量其長度、腰徑（即高度和寬度）以及重量，如此重復烘干到第5次時，樣品前后兩次質量差不大于3mg，得到絕干重。檳榔樣本隨烘干時間其外形尺寸變化的測量平均值如表1。根據(jù)表1中樣本組1的測量結果繪圖如圖1。烘干過程中檳榔長度變化不大，但腰徑變化較大，其中高度和寬度的變化基本相同，這是由于檳榔纖維呈長度方向分布，烘干時徑向收縮遠小于橫向，橫向收縮各向均勻。果實樣本烘干12小時后幾何尺寸的統(tǒng)計分布如圖2?？梢钥闯?，盡管檳榔尺寸分布較分散，但其長度、寬度和高度以及果肉厚度均有一個集中分布的區(qū)域。長度的分布區(qū)間為40-60mm，平均值略為45mm；腰徑分布為15-25mm，隨檳榔長度增加，腰徑并不明顯增加；檳榔的果殼厚度變化不大，平均在3mm。
脫水率：脫水率定義為（M新鮮-Mn/M新鮮）×100%。考慮到檳榔干果的纖維性和咀嚼效果，檳榔不能烘干至完全沒有水分，實際烘干時使果實重量下降到鮮果重量的25%-30%，即干果脫水率為75%-70%為宜。參考食品中水分的測定方法[3]，稱取檳榔鮮果M新鮮，烘干工藝如前述，每次烘干n小時后測量其重量Mn，求出相應的脫水率。烘干12小時后干果脫水率為79%，而且同一批樣本的結果差異不大。檳榔干果脫水率隨烘干時間的變化如圖3。密度：檳榔密度的測量方法采用阿基米德定律法。測量的原理是，物質的密度ρ等于其質量除于體積，即:準確稱量得到檳榔的質量M，然后通過排水法測量檳榔的體積v，就可求出ρ檳榔。實驗步驟是，（1）稱取檳榔的質量M；（2）稱取裝有水的容器的質量M1；（3）將支架置于桌面，用支架上的金屬絲固定住檳榔并放入水容器，使檳榔完全浸入水中但不接觸容器底，稱出此時裝有檳榔和水的容器質量M2。由于檳榔受到的浮力F浮力等于它的體積所排開的水的重量，因此:檳榔干果的內部是空心結構，為準確測量檳榔的密度ρ物，需要將檳榔剖開再進行密度測量。由于檳榔干果浮于水面，即比重小于水的比重，需用硬的金屬絲扎緊檳榔放入水中。實驗前還需先在檳榔樣本表面涂抹石蠟，防止因吸水而引起誤差。測量結果如圖4，由此得到檳榔干果脫水率為78%時密度平均值為0.627g/cm3。靜摩擦系數(shù)：測量了檳榔干果在幾種材料平板表面的靜摩擦系數(shù)。測定時將不同脫水率的檳榔置于材料平板上，通過旋動裝置逐漸抬高檳榔所在的平板一端，記錄檳榔剛好滑下時平板與水平面之間的夾角即摩擦角，每組樣本測量5次然后取平均值，然后求出對應的靜摩擦系數(shù)μ=tanα，結果如圖5所示。靜摩擦系數(shù)與檳榔的脫水率明顯相關。脫水率為43%時靜摩擦系數(shù)變大，這可能是檳榔干燥后表面纖維有所外露，使粗糙度增大；隨著脫水率繼續(xù)增大，檳榔密度增大表面也變得緊密光滑，使靜摩擦系數(shù)變小。脫水率為78%時，檳榔在有機玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼平板上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459和0.309?？箟簭姸龋簷壚频目箟簭姸仁菃挝幻娣e的干果破壞前所能承受的最大壓力[4]。檳榔的抗壓強度決定切片力的大小，由于檳榔與木材均是纖維質材料，依據(jù)木材抗壓強度試驗方法對檳榔干果進行抗壓強度的測量。實驗方法是，由表1所示的3個樣本組中，將不同烘干時間的檳榔剖開，放在抗壓強度試驗機上對其均勻緩慢加載，直至檳榔試樣破壞，記錄檳榔的破壞載荷Pmax，由此求出抗壓強度σ=Pmax/A，式中A是檳榔的受力面積。測量數(shù)據(jù)求平均值，得到的不同脫水率檳榔的抗壓強度如圖6?？梢钥闯?，在測量范圍內檳榔的抗壓強度與脫水率之間呈近似線性關系，烘干時間越長檳榔的脫水率越大，干果硬度越高，抗壓強度也隨之增大。
3結論
對海南檳榔果的幾何和物理參數(shù)進行了實驗測量分析，得到以下結果：（1）烘干檳榔重量下降到鮮果重量的22%即脫水率為78%時，檳榔干果長度45-60mm，主要分布在50mm，腰徑（高度和寬度）在15-25mm之間，果殼厚度約3mm。（2）檳榔脫水率為78%時，根據(jù)阿基米德定律法測出檳榔的密度約為0.627g/cm3；利用斜面法測量了檳榔在有機玻璃、鋁合金、45#鋼和不銹鋼上的靜摩擦系數(shù)分別為0.328、0.433、0.459和0.309；抗壓強度的測量均值為16MPa。
參考文獻：
[1]柯佑鵬.鄉(xiāng)村振興背景下海南檳榔產(chǎn)業(yè)興旺思考[J].今日海南，2019（4）：56-57.
[2]周超倫.檳榔切籽機的研究和設計[D].廣東工業(yè)大學，2015.
[3]食品中水分的測定方法[S].GB/T5009.3，2003．
[4]劉鴻文．材料力學[M]．北京：高等教育出版社，2004．
作者：傅琪彥 符秀娟 陳俊波 林麗珍 丁兆建 單位：海南職業(yè)技術學院