米饭硬度和黏度测量方法及技术的分析.docx

米饭硬度和黏度测量方法及技术的分析 水稻是我国的主要粮食作物，由于人口的巨大压力，长期以来科技人员一直致力于提高水稻产量的研究。随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对稻米的需求已从单纯的追求数量开始转向为数量质量并举。稻米品质是一个内涵十分丰富的综合概念，涉及加工、外观、蒸煮、食味、安全卫生、营养等方面，对稻米品质的表述、测量及相关技术是衡量、评价稻米品质的重要基础。因此，对于稻米的质构特性检测正越来越受到人们的重视，成为关注和研究的重点。 现有的稻米的质构特性如硬度、弹性、黏度等测量方法主要有感官评价法和理化分析法。感官评价是通过人的直接品尝，即官能鉴定。感官评价的具体评定程序按我国GB-T15682-1995稻米蒸煮试验品质评定标准进行，是与对照参比而定，是一个相对值，同时受品尝人员主观判断的影响很大。理化分析法较多通过稻米（饭）的成分，如蛋白质、淀粉、脂肪等进行推测，这方面的研究与应用日本一直处于领先地位，开发了一批综合性测定仪器，如味度计、近红外食味仪和质地分析仪等，近年来又提出了如下5种新方法：流液图解法；图像解析法；用显微镜观察饭粒；稻米细胞壁的构造；直链和支链淀粉的构造等。其中最为先进的仪器为日本东洋精米机制作所利用电磁波测定反射光强弱开发了“丰田味度仪”，其测定值用“味度值”表示，是利用近红外线测定稻米的各种有效成分。此外，还有几种非破坏性的测定仪器。由此可见，目前对稻米硬度、黏度等品质特性的表述还存在模糊性和不确定性。没有实用、可靠的检测技术和方法。因此，迫切需要加强这方面的基础研究，特别是借助先进的机械科学技术、计量检测技术和信息技术等建立评价稻米品质的技术指标体系，力求研究出一系列简单、快捷、准确的品质测定的量化新方法、新仪器。这对于完善我国稻米品质标准化和规范化、加快优质新品种的培育和推广具有重要的现实意义和应用价值。1 稻米的质构特性与受力变形测量1.1 稻米的质构特性稻米的质构特性是指其弹性、韧性、剪切性等理化指标，它与食味品质（即适口性）密切相关。例如，米饭的硬度、黏度是食味品质的关键指标，直接决定于蛋白质的含量，蛋白质含量越高，米粒的硬度和透明度越大口3。从物理学角度分析，物体的硬度一般用抵抗硬物体压入其表面的能力来衡量。大米黏度是指大米受外力作用移动时，分子间产生的内摩擦力的量度。1.2米饭的受力变形测量特点米饭的弹性、韧性、剪切性等理化指标的测量是通过对其材料的受力、变形来获取的。与金属材料的受力、变形相比较，米饭材料的受力、变形测量具有如下特点：1)测量对象体积小：以食品品质检测为例，一颗米粒的长度为38 mm。2)测量对象受力小：从目前国内外所做的针对稻米的质构特性测量试验可知，米粒的承载能力有限，其受力范围从几克至几百克不等。3)精度要求高：米饭的受力、变形属于微小力变形的研究范畴，由于测量结果反映的是米粒在受力过程中的细微变化和差异，所以对测量结果的精确性要求很高。4)反应要灵敏：米粒其质地本身较为疏松，在其受力产生变形时，可能由于其固有特性，导致变形后受力变化不明显。这就要求测量技术手段具有高的灵敏度，便于捕捉米粒受到的微小力、变形的对应关系。5)过程需缓慢：米粒具有体积小、重量轻的特点，这就要求在对其进行质构特性检测的过程中，要对其受力加载一卸载过程进行严格监控，做到精确加载与卸载。6)操作简便性：在对稻米进行品质检测时，通常要针对不同品种、不同培育条件等做大量试验，所以对测量过程本身提出了简便性与可重复性的要求。2微小力变形的测量方法与技术现状目前，测量微小力的方法基本上归于两大类：利用功能材料的换能特性，如压电或磁弹性效应来测量力；通过测量位移（或应变）间接测量力，其中最常用的是电阻应变片、电感传感器和电容传感器。其相关技术主要有：液柱式压力测量、弹性式压力测量、电气式压力测量、利用全息干涉计量、利用激光散斑二次曝光干涉法测量。显然，上述方法与技术主要是针对金属固体材料所设计的。而对于米饭受力变形的测量，至今为止还没有较为成熟和通用的方法和相关技术。目前主要借助于“食品质构仪”，通过对米饭进行“压一静止一拉”的循环，来测定其反作用力参数，用于判定食物的物理咀嚼特性。这主要基于1955年Procter等提出的食品标准咀嚼条件，用接近与口中触感的形式去研究食品的物理性质。之后，Szczeniak等1963年确定了综合描述食品物理性状的“质构曲线解析法(TPA)”。质构仪主要围绕距离、时间、作用力三者进行测试和结果分析，即质构仪所反映的主要是与力学特性有关的食品质构特性。其在进行食品品质评价时，通过不同种类的压缩、切割、挤压和拉伸模具进行测试，得出能够表示一些质构特性及相关关系的一个曲线图。 3 基于材料特性分析的新方法构建由于米饭材料其本质的特性仍在材料特性的范畴之内，而对于金属材料的特性分析方法和技术在机械科学领域已形成了较为规范和成熟的形式和标准，并已获得公认。但对米饭测量的方法和技术上都有其特殊性，这是在相关研究探索中需要加以注意。因此，作者提出了基于材料特性分析的米饭硬度黏度测量方法和技术构建。1)基本思路：在正确理解和掌握稻米与材料特性关系的基础上，规范其质构参数在品质分析中的表示方法，其次对稻米品质现有的鉴定方法，包括感性分析法和理化分析方法进行分析研究，根据测量对象小体积、小位移、小受力的特点，建立对米饭检测的应力应变测量方法，应用力学测量技术手段准确地测量出米饭受力特性值，并转化为待检质构参数的表征。2)基本原理：采用双悬臂梁受力变形的应力、应变测量技术。如图1(a)所示，被测物体置于A.B两悬臂梁之间，外力推动悬臂梁A压迫被测物体，被测物体变形产生的力作用于悬臂梁B。在两悬臂梁靠近固定端的梁身上贴有应变片图1(b)，两悬臂梁受力产生的变形量通过由若干应变片所组成的测量电路进行数据采集，悬臂梁A反应被测物受力后产生位移的大小，悬臂梁B反应被测物变形力的大小。此测量系统采用8片阻值均为350 的电阻应变片，并将之连接成如图1(c)所示的测量电路，能够保证得到悬臂A相对于悬臂B的相对位移，即被测物体的变形。随后将测量位移、测量力的电桥分别由两根屏蔽线与电脑相连，用数据采集系统得到所需的数据。最后，通过数据采集和分析系统对获得的测量数据进行处理和分析，最终得到被测物体的质构参数。3)关键结构：新方法中力、变形量的测量大小等级可基于悬臂梁受力变形公式对悬臂梁的结构尺寸的设计和应变片规格的选择来确定。由于米饭粒大小只有3S mm，受力大小也只有0200 9。考虑到悬臂端设置被测物和受力推杆的结构设计方便，故采用矩形截面的悬臂梁，其受力公式为F=3EI/13。其中：E为悬臂梁材料的弹性模量，I=bh3/12为对形心轴的惯性矩，l、b、h分别为悬臂梁的长、宽、厚度，为悬臂梁端的位移。根据选用不同的材料，为得到小受力、小变形的测量值，其悬臂梁的长、宽、厚度有一定的比例关系，经初步测定对不锈钢板大致为200：15：1。此外，必须选用AAA级电阻应变片，且其贴片、基材和固化等要按严格的工艺进行制作，同时通过合理的桥接与补偿来保证测量精度。由此可见，稻米的质构特性新的测量方法和技术的建立，涉及到机械工程学科和农业学科2个学科的交叉领域。所以在研究的伊始，要充分考虑到所设计、建立的测量方法和技术对农作物检测的适应性问题，要将力学和农学有机结合起来：将力学实验中测量应力应变的实验原理与稻米的质构参数检测的实验原理有机地结合起来。参考对金属材料的力一变形测量装置，设计出适合稻米的质构参数检测的实验平台，能够顺利且准确地实现测量目的。在力一变形测量中，检测结果的输出是依靠应变片的应变效应来表达稻米的质构参数，所以应变片的选用、粘贴和使用显得尤为重要。现有的测试数据处理方法和技术是针对材料力学的应力一应变测试而设计的，不完全适用于稻米的质构特性参数的处理，需将其测量参数通过一种合适的换算方法来表征。综上所述，借助于机械与材料科学的相关测量与分析技术，可以建立稻米的质构特性的表达与测量方法，并设计、研制出应用于米饭硬度、黏度等主要质构参数检测的自动化检测装置。在此基础上，应用力学测量技术手段准确地测量出米饭的受力特性值，并转化为其质构特性如硬度和黏度的表征；最后得出对稻米质构特性的表征方法和衡量的定量标