（农业机械化工程专业论文）胚芽米碾米机工艺参数的试验研究.pdf

摘要 摘要 大米胚芽中含有丰富的蛋白质、脂肪、可溶性糖和多种维生素以及钾、钙、锌等人体必 需的微量元素。碾米后胚芽保留率在8 0 以上，并符合大米等级标准的精米称为“胚芽米”。 目前，研究能够生产胚芽米的新型碾米机已经成为国际碾米行业的热门课题，而我国胚芽米 碾米机的研究尚处于起步阶段，技术不完善，缺乏对实际生产有指导价值的工艺参数。因此， 研究新型碾米工艺、设计胚芽米碾米机，对于提高我国胚芽米碾米技术有重要意义。基于此， 本试验在结合国内外胚芽米碾米技术的基础上，对影响胚芽米生产的工艺参数进行探索研究， 寻求胚芽米生产工艺在这些参数影响下的变化规律，并优化出适合胚芽米生产的最佳工艺参 数，以期为今后的深入研究及实际生产提供一定的参考。本研究的内容和成果主要包括以下 几个方面： 1 设计了胚芽米碾米机试验用样机，对碾米机的主要工作部件进行了设计，对影响胚芽 米生产的主要工艺参数进行了计算。确定了碾米辊转速、碾米筋倾角和碾白室间隙为试验因 素，留胚率、增碎率和产量为试验评价指标。 2 确定三个因素的试验取值范围分别为7 2 0r m i n 1 0 9 7r m i n 、l 。1 5 。和8 3 m m 1 1 7 m m 。通过二次回归旋转组合试验，分别得出三个因素对各指标影响的数学模型和变化曲 线，并对模型进行f 检验、优化、频数分析、单因素和两因素交互作用分析。频数分析表明， 碾米辊转速在9 0 0 r m i n 左右时碾米机的留胚率较高，但在此水平上增碎率较高，产量也较低。 在试验取值范围内，留胚率随碾米筋倾角的增大而降低，随着碾白室间隙的增大而升高；增 碎率随碾米筋倾角的增大而升高，随碾白室间隙的增大而降低。另外，碾米机的产量随着碾 白室间隙的增大而小幅度增加。 3 试验表明碾米辊转速、碾米筋倾角和碾白室间隙是影响各评价指标的主要因素，三个 因素之间存在一定的交互作用。试验得出留胚率、增碎率和产量达到最优值时所对应的碾米 辊转速、碾米筋倾角和碾白室间隙分别为：( 8 7 6 r m i n 、1 。、1 1 7 r a m ) ，( 1 0 6 8 r m i n 、1 0 、 1 1 7 m m ) ，( 1 0 6 8 r m i n 、l 。、1 1 7 m m ) 。 4 建立综合评定方程，设定各评价指标的权值，计算出综合评定的一组最优工艺参数。 结果表明，碾米辊转速为9 4 8 r m i n 、碾米筋倾角为0 8 6 。、碾白室间隙为1 1 2 m m 为最佳胚 芽米生产工艺参数。将此结果进行验证试验，结果表明该组参数达到了胚芽米的碾米要求， 对胚芽米碾米机的设计和生产有一定指导意义。 关键词：胚芽米碾米机；碾米辊转速；碾米筋倾角；碾白室间隙；留胚率；增碎率；产量 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y o ft e c h n o l o g i cp a r a m e t e rf o r g e r m r e m a i n e dr i c ew h i t e n e r a b s t r a c t t h eg e r mo fr i c ei sr i c hi np r o t e i n , f a t t i n e s s ，d i s s o l u b l es u g a r , m a n yk i n d so fv i t a m i n sa n d m i c r o e l e m e n t ss u c ha sk a l i u m ，c a l c i u ma n dz i n c w h e nt h eg e r m - r e m a i n e dr a t ea f t e rw h i t e n i n gi s a b o v e8 0p e r c e n t ，a n dr i c ea c c o r d sw i t ht h eg r a d en o r m a l ，i ti sc a l l e d “g e r m - r e m a i n e dr i c e ”a t p r e s e n t , r e s e a r c ho fl a t e m o d e lg e r m - r e m a i n e dr i c ew h i t e n e ri s ap o pt h e s i so ft h ed o m a i no f w h i t e n i n gm a c h i n e i nc h i n a , t h er e s e a r c ho fg e r m r e m a i n e dr i c ew h i t e n e ri sj u s ti nt h eu n d e r w a y p h a s e t h et e c h n o l o g yi ss t i l lf a u l t i n e s sa n ds h o r to ft e c h n o l o g i cp a r a m e t e r st h a th a si n s t r u c t i o n a l v a l u ef o ra c t u a lp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，i th a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yn e wt y p eo fw h i t e n i n g t e c h n o l o g ya n dd e s i g ng e r m - r e m a i n e dr i c ew h i t e n e rf o rc h i n e s er i c ep r o c e s si n d u s t r y b a s eo n t h e s e ，t h i st e s tc o m b i n e st h ew h i t e n i n gt e c h n o l o g yi nc h i n aa n do v e r s e ac o u n t r i e s ，f a t h o mt h e t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h ep r o c e s so fg e r m - r e m a i n e dr i c e t h i sd i s s e r t a t i o nq u e s t s f o rt 1 1 ec h a n g el a wo fp r o c e s st e c h n o l o g yt h a ti n f l u e n c e db yt h e s ep a r a m e t e r s ，o p t i m i z et h e mt os u i t t h ep r o c e s so fg e r m r e m a i n e dr i c e t h i st e s te x p e c t st oo f f e rs o m er e f e r e n c ed a t af o rt h ef u r t h e r s t u d ya n da c t u a lp r o d u c t i o ni nt h ef u t u r e t h em a j o rc o n t e n t sa n dr e s u l t si n c l u d et h ef o l l o w i n g t h r e e a s p e c t s ： 1 d e s i g n e dag e r m r e m a i n e dr i c ew h i t e n e ri no r d e rt ot e s t t h et e s td e s i g n e dt h em a i np a r t so f t h em a c h i n e a n dc o u n t e dt h em a i nt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r st h a ti n f l u e n c et h ep r o c e s s o f g e r m r e m a i n e dr i c e i tc o n f i r m e dt h er e vo fr o l l e r ，t h eo b l i q u i t yo fv e i n sa n dg a po f t h ew h i t e n i n g r o o mt ob et h ee l e m e n t s i tf i x e do nt h eg e r m r e m a i n e dr a t e ，t h eb r o k e na d d i n gr a t ea n dt h eo u t p u t t ob et h ee s t i m a t et a r g e t s 2 t h et e s tc o n f i r m e dt h eb o u n do fe a c he l e m e n ti s7 2 0r e v o l u t i o n sp e rm i n u t et o 10 9 7 r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ，id e g r e et o15d e g r e e s ，8 3m i l l i m e t e r st o11 7m i l l i m e t e r s i tu s e dt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t so fr o t a t i o na s s e m b l a g eo ft w ot i m e s ，e d u c e dt h em a t h e m a t i c sm o d e l sa n d c h a n g ec u r v e st oe x p l a i nh o wt h o s ee l e m e n t sa f f e c tt h et a r g e t s t h et e s t d i dft e s t ，o p t i m i z e ， f r e q u e n c ea n a l y s e ，s i n g l ee l e m e n t sa n a l y s ea n dt w oe l e m e n t s a n a l y s e t h ef r e q u e n c ea n a l y s e i n d i c a t e dt h a tt h eg e r m r e m a i n e dr a t ei sh i 曲w h e nt h er e vo fr o l l e ri sn e a r9 0 0r e v o l u t i o n sp e r m i n u t e b u tt h eb r o k e na d d i n gr a t ea n dt h eo u t p u ti sl o wh e r e i nt h eb o u n do ft h et e s tv a l u e s ，t h e g e r m r e m a i n e dr a t er e d u c e sw h e nt h eo b l i q u i t yo fv e i n sa s c e n d s ，a n di ta s c e n d sw h e nt h eg a po f w h i t e n i n gr o o ma s c e n d s t h eb r o k e na d d i n gr a t ea s c e n d s w h e nt h eo b l i q u i t ya s c e n d s ，a n di tr e d u c e s w h e nt h eg a po fw h i t e n i n gr o o ma s c e n d s o t h e r w i s e ，t h eo u t p u th a das m a l lq u a n t i t yo fi n c r e a s e w h e nt h eg a po fw h i t e n i n gr o o ma s c e n d e d 3 t h et e s ti n d i c a t e dt h a tr e vo fr o l l e r , o b l i q u i t yo fv e i n sa n dg a po ft h ew h i t e n i n gr o o ma r e i i i 东北农业大学t 学硕l ：学位论文 m a i ne l e m e n t st h a ta f f e c tt h o s et a r g e t s a n de a c he l e m e n th a sa l t e r n a t i o ne f f e c t t h et e s ti n d i c a t e d t h a tt h ee x c e l l e n tv a l u eo fe a c ht a r g e t sa r e ( 8 7 6r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e ，1d e g r e e ，11 7m i l l i m e t e r s ) ， ( 1 0 6 8 r e v o l u t i o n s p e rm i n u t e ，1d e g r e e ，11 7m i l l i m e t e r s ) ，( 1 0 6 8 r e v o l u t i o n s p e rm i n u t e ，1 d e g r e e ，11 7m i l l i m e t e r s ) 4 t h et e s tf o u n d e da ni n t e g r a t e da s s e s s i n ge q u a t i o na n ds e tt h es c a l ev a l u e sf o re a c ht a r g e t t h e ni tf i g u r e do u tas e to fe x c e l l e n tt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ee x c e l l e n t p a r a m e t e rc o m b i n a t i o ni s9 4 8r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e 0 8 6 d e g r e ea n d11 2m i l l i m e t e r s t h et e s t v a l i d a t e dt h i sr e s u l t i ti n d i c a t e dt h a tt h e s et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sr e f l e c tt h ef a c t s ot h i st e s th a s i n s t r u c t i o n a ls i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no fg e r m r e m a i n e dr i c ew h i t e n e r k e yw o r d s ：g e r m - r e m a i n e dr i c ew h i t e n e r ；r e vo f m i l e r ；o b l i q u i t yo f v e i n s ；g a po f w h i t e n i n gr o o m ； g e r m - r e m a i n e dr a t e ；b r o k e na d d i n gr a t e ；o u t p u t c a n d i d a t e ：w a nz h i h u a d i s c i p l i n e ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i aj i q i n g i v 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼；垫遗直基丝盂噩缱别童明数：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 万参华 日期：加毋年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 百急竿 鹏2 以年6 月日 导师 签 名：弛铍 日期沏年6 月易日 引言 1 引言 1 1 研究的背景和意义 我国是水稻生产大国，水稻种植面积位居世界第二位，水稻总产量连续多年稳居世界第 一。2 0 0 7 年全国水稻种植面积增加到2 8 8 4 2 万公顷，总产量达到1 8 亿吨。作为水稻的加 工产品，大米是我国主要的粮食产品之一。据统计，全国有三分之二的人口以大米为主食。 随着我国经济的快速增长，人们生活水平不断提高，饮食结构也在发生着相应的变化，人们 对大米的品质需求越来越高，不仅追求米饭的色泽和口感，而且越来越关注其营养价值。要 做出味美而且营养的米饭就需要以优质大米作保证，而要生产优质大米，除了需要提供优质 的糙米原料之外，还必须以精湛的碾米工艺作为技术基础，精湛的碾米工艺又离不开高端的 碾米机械设备。 碾米工业是一个历史悠久并与人们生活息息相关的重要行业，碾米工业技术含量的高低， 能从侧面反映一个国家科技水平的高低和人们生活水平的优劣。我国在1 6 3 7 年以前，就已经 初步完善了碾米工艺及其机具，形成了砻谷、谷糙分离和碾米三道工序( 顾尧臣，2 0 0 0 ) 。这 种古老的碾米工艺一直延用到民国时期。为了彻底改造旧中国留下的作坊式碾米厂，新中国 成立以后，中央和各地方粮食科研机构以及生产厂家通力协作，对碾米工艺和设备进行了大 量的研究试验和发展工作，为我国现代碾米工业奠定了基础。建国初期，在一段主要以解决 “温饱问题”为主的较长历史时期内，我国碾米工业一直停留在粗加工水平上，工艺落后、 设备陈旧、技术进步迟缓( 陆志泉，1 9 9 9 ) 。从2 0 世纪8 0 年代开始，随着改革开放的步伐不 断加快，碾米工业开始有了跨跃式的发展，一些性能先进的专用设备得到研制开发，经长期 探索总结的加工工艺更趋合理完善。进入2 1 世纪，随着中国加入w t o ，中国制造业迅速发展， 碾米工艺的研究深度有了明显提高，成果不断涌现，我国的碾米技术向现代化迈进了一大步。 与此同时，一种新型的大米产品“胚芽米”开始进入越来越多中国老百姓的视线。 胚芽米又玎l j 留胚米，是指胚芽保留率在8 0 以上，并符合大米等级标准的精米( 白满英， 崔元庄，1 9 8 5 ) 。普通大米由皮层、胚乳、胚芽三部分组成，其中胚乳占绝大部分，胚芽位于 稻米腹部下端，与胚乳连接不很紧密，在碾米时很容易脱落。大米各组成部分所含的化学成 分的分布与含量是很不均衡的，各有其特点。皮层是胚芽和胚乳的保护组织，含纤维素、脂 肪、蛋白质和矿物质较多，但由于吸水性差、烹饪时间长、口感不好，所以加工时一般需要 将其去除。胚乳是稻米的主要组成部分，含有大量的淀粉和蛋白质，是加工过程中的传统保 留对象。胚芽作为稻米的初生和分生组织，是谷物生理活性最强的部分，占米粒总质量的2 - - - 3 5 ，是大米的营养精华部分，国外专家称其为“天赐营养源”。大米胚芽中含有丰富的蛋白质、 脂肪、可溶性糖和多种维生素以及钾、钙、铁等人体必需的微量元素。其中氨基酸组成较为 平衡，为全价蛋白质，米胚油中7 0 8 0 的脂肪为不饱和脂肪酸，天然维生素e 高达2 一- - 3 m g g ， 另外还含有植物固醇、谷维素等特殊成分。( 闰学皿，王广林等，2 0 0 0 ) 。据有关资料介绍， 大米胚芽所含营养成为占大米总营养成分的7 0 以上( 杨扬，2 0 0 4 ) 。国外医学专家指出，长 期食用胚芽米，可以提高人体新陈代谢能力，并能预防脚气病、口腔溃疡、高血压、神经炎 等疾病，同时还能促进人体发育、维持皮肤营养、促进人体内胆固醇皂化、调节肝脏积蓄的 东北农业人学工学硕j j 学位论文 脂肪。 正因为胚芽米与普通大米产品相比具有很高的营养价值，才使得胚芽米的加工倍受当今 世界碾米行业的关注，而胚芽米碾米机的设计也相应地成为粮食加工机械领域的重点研究对 象之一。一般来说，把水稻加工成大米主要分为清选、干燥、砻谷、碾米、分离、分级等几 个步骤，其中碾米是较为关键的步骤之一。碾米机是借助机械力去掉稻谷外壳和皮层的一种 机械，其工作流程是糙米由进料斗经流量控制机构进入碾白室，碾白室的工作构件将外壳和 皮层剥离，成为白米后由出口排出机外。碾米机按照碾白方式可分为擦离式、碾削式和混合 式三类，其中碾削式碾米机对大米胚芽的保留率相对最多，加工时产生的碎米也相对最少， 因此设计胚芽米碾米机一般宜选用碾削式结构。由于胚芽所占大米质量的比例很低，并具有 质脆而不耐磨的特点，而且与大米主体连接并不紧密，因此在传统的碾米工艺过程中，绝大 部分的大米胚芽都是作为油糠而被消除殆尽，造成了极大的浪费。因此，如何改进传统碾米 工艺，研究并设计出既能够尽量多的保留大米胚芽又达到大米等级标准的新型碾米机械 “胚芽米碾米机”，对于大米加工行业有着重要的意义。 当前我国经济正处于快速发展时期，伴随着经济的增长，国人的膳食水平不断提高，以 前只要求“吃的饱”的时代已经过去，取而代之的是“吃出营养和健康”的时代( 冯楠，王杜 春，2 0 0 6 ) 。胚芽米碾米机的研究对于快速发展中的中国是一个新的课题，对于改善国人膳食 水平以及提高国民身体素质都具有重要意义。 1 2 胚芽米碾米机研究的现状 1 2 1 国外胚芽米碾米机研究的现状 国外对于胚芽米碾米机的研究是在第二次技术革命的大背景下开始的，其中日本对于胚 芽米及其加工机械的研究相对最早。1 9 2 4 年，日本东京大学的岛圆顺次郎教授就提倡食用胚 芽米，用来预防当时常见的脚气病，并于1 9 2 7 年在东京大学医院首先付诸实施。1 9 2 9 年日 本海军、陆军也相继食用胚芽米，当时胚芽米在日本国内市场上的销售已经相当普遍( 朱永 义，2 0 0 0 ) 。由于加上技术的限制，当时的胚芽米皮层保留较多，食用品质较差，加上第二次 世界大战爆发的影响，日本于1 9 4 5 年中断胚芽米的生产。直到1 9 7 5 年，日本女子营养大学 校长香川凌，重新提出食用胚芽米，并极力主张生产这种产品。为此，日本一些粮食行会与 团体先后对胚芽米进行了进一步的研究。针对这一情况，日本于1 9 7 7 年7 月1 5 日确定胚芽 米为正式产品，并统一使用“胚芽米”这个名称，此后日本的胚芽米碾米机的研究得到了快 速发展。目前，日本市场上流通的胚芽米，不仅胚芽保留率在8 0 以上，而且做饭之前不用 淘洗，质量标准符合日本粳米标准规定的二等标准品( 朱永义，2 0 0 0 ) 。 在碾米机械制造行业里，日本一直走在世界的前列( 吴才俊，卢金杰，1 9 8 5 ) 。在胚芽米 碾米机的研究方面，日本于1 9 3 0 年研制出世界上第一台胚芽米精米机，并在东京大学医院建 立了胚芽米加工工厂。随后，日本佐竹制造厂试制成功了能够保留8 0 以上胚芽的新型胚芽 米碾米机，分为r e m t a 和r e m b 两种型号，加工能力分别为2 0 0 3 0 0 k g h 和4 0 0 - - - 5 0 0 k g h ( 白 满英，崔元庄，1 9 8 5 ) 。目前日本国内用于生产胚芽米的碾米机主要有v p 一1 5 0 0 c a e 型与r e m 型两种。v p - 1 5 0 0 c a e 型为日本山本制作所于2 0 世纪9 0 年代初研制，配备动力1 5 k w 。该机为 2 引言 立式砂辊碾米机，砂辊形状为倒圆锥体、自上而下分成五段、金刚石粒度为6 0 4 ，砂辊与米 筛之间的间隙为6 一- , l o m m ，而且可以调节，碾米机转速可由变频器进行无级调速。使用该机 生产胚芽米时，需要进行6 - 7 次循环碾白。实验所使用的原料是水分为1 5 0 的粳糙米， 用量2 9 4 2k g ，最终所得产品胚芽米的质量为2 7 1 4 蚝，出品率为9 2 3 。r e m 型碾米机为 日本佐竹公司在2 0 世纪7 0 年代所生产的产品，该机为横式双辊碾米机，带喷风，无级变速。 为使其充分发挥加工胚芽米的功能，将上、下砂辊各分成三段，上段砂辊靠近进料段砂粒为 4 6 ”，其余砂粒均为6 0 ”。六次循环碾制结果，留胚率为8 2 - - 8 4 、增碎率为0 4 0 5 、 出品率为9 2 0 ( 朱永义，2 0 0 0 ) 。 亚洲是世界上以大米为主食的主要地区，作为亚洲发达国家的代表，日本为世界碾米技 术的发展做出了重要贡献，尤其是在胚芽米碾米机的研究方面为世界各国提供了大量可供参 考的经验数据。目前日本国内的胚芽米碾米机按碾白方式可分为碾削型与擦离型两种，按碾 米辊走向可分为立式与横式。日本的碾削型碾米机加工胚芽米时，砂辊的金刚砂粒度一般采 用4 6 4 或6 0 4 ，当有多台碾米机串联使用时，金刚砂粒度分别采用3 6 4 、4 6 ”、6 0 4 ，碾米机转速 控制在1 0 0 0 m s 2 的离心加速度以下。在日本有代表性的碾削型胚芽米碾米机生产厂家主要有 佐竹公司以及约里公司。前者生产的碾米机带喷风装置并装有无级变速装置，辊筒与米筛呈 圆形，有单辊和双辊两个机种。为使成品精度符合要求，米粒在单辊米机中需循环6 次，在 双辊米机中则需要循环2 4 次。后者生产的机型不带喷风，米筛呈正1 2 边形，也装有无级 变速装置，工作时米粒需循环6 次。日本胚芽米碾米机的配置有单座式与连座式两种。单座 式是在一台碾米机上装有循环用的料斗，米粒经过6 8 次循环碾制而得到成品，目前在日本 国内有很多米厂采用。单座式占地面积小，设备投资低，但效率不高。连座式是把6 - - 8 台碾 米机并排串联使米粒依次经过各台机器碾制而得到成品。连座式效率高，适合大规模生产， 但占地面积大，设备投资高。此外，日本研制的胚芽米碾米机还专门配备谷糙分离设备和擦 米设备。这是因为原料糙米中大约混入0 1 0 2 的稻谷，胚芽米碾米机碾白压力低，碾白 时不能将稻谷的外壳完全除去，所以糙米碾制前需要再一次经谷糙分离，以保证成品的质量。 同时为了确保胚芽米符合一般大米的精度标准，碾米机后必须进行擦米，这样不仅米粒表面 光滑、没有附糠，而且做饭时几乎不用淘洗( 朱永义，2 0 0 0 ) 。由于日本对胚芽米碾米机的研 究相对较早，因此其技术也相对成熟和先进。目前，胚芽米已成为日本大力研制并在市场上 销售的主要大米产品，并且各粮食机械制造厂也以研制胚芽米碾米机为主要方向。 其他国家和地区也有胚芽米营养价值的报导及胚芽米加工机械的研究。在2 0 0 7 年3 月2 日举行的美国心脏协会第4 7 届心血管疾病流行病学和预防年会上，来自美国国家心、肺、血 液研究所的研究者们向人们展示了一项重要研究成果，长期食用胚芽米等全谷类食物，可以 降低心率衰竭的发病率( b o l i n gh ，2 0 0 3 ) 。在胚芽米碾米机方面，比较出名的有瑞+ 布勒有 限公司生产的d s r d 型立式碾米机。该机采用圆柱式砂辊，由6 个砂环组成，6 个砂环之间有 5 个喷风环，相邻砂环间距，即喷风环宽度为3 m m ，采用强负压吸风形式实现喷风碾米。米糠吸 运风机对碾白室形成负压。气流从螺旋推进器上端和碾辊下端口进入辊轴之间的环隙，再从喷 风环喷入碾白室，带着米糠一起从米筛的筛孔中排出。该机规格有2 0 k e 和3 0 6 e 两种机型，该 产品工作路线布置灵活，可串联可并联，工艺适应性强( 金增辉，2 0 0 3 ) 。此外，2 0 0 5 年，韩 国生产的一种胚芽米碾米机，结合传统粮食加工方式，采用立式“喷泉”推进输送，通过糙 3 东北农业人学工学硕l j 学位论文 米间相互摩擦去除油糠，保留了大米7 0 以上的胚芽，有效保护了大米的营养及新鲜度。国 外的胚芽米碾米机多为立式碾米机，如日本佐竹米机、瑞士布勒米机、意大利o l m i a 米机、 德国s c h l l l e 米机等，这是由于立式米机的米流密度，在轴向同一高度点基本一致，所以在环 形的前、后、左、右的周向压力变化不大，只要调节好碾白压力，就能获得理想的碾米效果( 金 增辉，2 0 0 3 ) 。由于经济全球化的影响，胚芽米的营养价值几乎已经被世界上任何一个国家所 熟知，东南砸的菲律宾、新加坡、泰国以及中国台湾等国家和地区在近些年更是掀起了食用 胚芽米的热潮，但这些国家的胚芽米碾米设备大多数是依靠从日本等国家进口。 1 2 2 国内胚芽米碾米机研究的现状 水稻是我国最为重要的生物资源之一，对其进行深度加工，高效转化，得到合理、有效 全面利用，延长产业链，提高生产资源利用度，大幅提高大米加工业与农业产值的比值，对 于国计民生和可持续发展至关重要。目前，我国大米加工基本是初加工，低转化，加工前与 加工后产值比约为1 ：1 2 ，而世界发达国家对大米进行有效深加工、全利用，其产值比值已 达到l ：3 。我国对胚芽米及其加工机械的研究始于2 0 世纪9 0 年代初期，发展至今仍然处于 起步阶段。在我国，胚芽米的营养价值为大多数人所不知，目前国内还没有大规模的胚芽米 加工厂家和胚芽米碾米机生产厂家。少数粮食加工企业从日本等国引进的胚芽精米机价格昂 贵，单台价格在3 0 万元人民币左右，虽然自动化程度较高，但是一旦出现故障难以及时维修。 为了提高自主创新能力，填补国内胚芽米碾米机生产的空白，近年来，国内一些高校和研究 院所纷纷对胚芽米碾米机进行研究，并取得了阶段性的成果。 黑龙江省绥化市小型拖拉机厂与哈尔滨工业大学合作，曾在1 9 9 9 年做了胚芽米碾米机的 相关研究。试验样机采用一砂一铁两辊碾米，运用4 - 一5 道碾白和喷风碾白，并设计流量计来 计算碾白室米粒的流量( 闰学亚，王广林等，2 0 0 0 ) 。2 0 0 1 年至2 0 0 3 年，湖南省湘粮机械制 造有限公司运用轻碾技术对胚芽米碾米技术进行了一定的试验研究，采用立式碾削碾白型砂 轮碾米机，使碾米时的留胚率得到一定的提高( 杨扬，2 0 0 4 ) 。江苏理工大学农产品加工工程 研究所从1 9 9 2 年开始从事胚芽米碾米机的研究，试验样机为立式下喂料碾米机，采用自重喂 料方式，糙米进入螺旋输送器，再由螺旋输送器由下而上强制送料，进行自下而上的工作方 式，结果胚芽保留率相对普通碾米机有了一定程度的提高( 田庆国，孙正和，1 9 9 7 ) 。此外， 无锡轻工大学等单位也对胚芽米碾米机进行了相关研究，并提出了多台碾米机串联生产的设 想。 虽然近年来国内一些研究机构和企业对胚芽米碾米技术进行了试验研究，但是目前我国 既未见胚芽米碾米机在市场上推广以及批量生产的文献报导，又朱见国内市场成批销售胚芽 米产品，这说明我国胚芽米碾米机的设计和研究还存在一些亟待解决的问题。 1 2 3 国内胚芽米碾米机研究存在的问题 近几十年，我国大米消费存在一个误区，那就是片面追求食用高精度大米。大米加工精 度普遍达到或高于国标的特等米，在一些经济较为发达的地区，米市上流通的大米加工精度 有的还超过出口特制一等大米，碾磨深度深及糊粉层和亚糊粉层，甚至把胚乳淀粉也碾磨下 来，大米胚芽已经脱落殆尽。这种高精度大米主要成分是米淀粉，其次是水分，再次是米蛋 4 引言 白：稻米中必须成分如维生素和微量元素等保存率极低，生物活性成分几乎全部损失，出米 率一般为6 0 7 0 。 当前我国国民对于胚芽米营养价值的认可程度与日本等发达国家还有较大差距，而我国 碾米企业在不同程度上存在着技术落后、设备陈旧、效益低等问题。大中型碾米企业加工任 务不足，碾米技术研究的资金不足，重视不够。碾米技术研究中的主要难点在于，科学技术 实现了商品化和市场化，导致企业必须花钱买新技术，而科研部门必须投入大量资金研究新 技术。企业的效益不好就不可能投入较多资金更新工艺与设备，技术成果成本高而价格低， 这直接降低了科技人员研究新型碾米工艺的积极性。近几年，少数碾米企业盲目上新项目， 走入困境。有些米厂引进营养米、免淘洗米、高精米、水晶米等生产线，结果产品销路不广， 原料来源不足，企业效益严重下滑。最近十年，国内粮食市场变动较大，有些碾米企业跟着 变动，有的扩建，产量由小变大；有的改行，发展多种经营。这些企业的盲目改建最终导致 企业往往后于国际粮食市场变化的形势。产生以上问题的主要原因，一是企业对市场发展的 规律认识不清；二是以粮食加工为主业的观念不牢；三是有关职能部门的正确引导不够( 罗 学年，1 9 9 5 ) 。 当前粮食加工已经成为我国重要国策，粮食精深加工技术研究与开发在“十五”期间就 被列为国家重大专项，其中大米精深加工技术研究与开发式专项的重要内容。通过“十五” 稻米精深加工技术研究与开发的课题攻关，可以较大地提高我国水稻深加工的高科技含量和 综合利用水平，提高我国水稻加工企业抵御市场风险特别是国际市场风险的能力，可以使我 国从稻米生产大国向稻米生产强国转变，使低效农业向高效农业转变，对提高水稻转化能力， 迅速提高水稻的利用价值和附加值，促进我国水稻生产的可持续发展，发展农村经济，增加 农民收入，使之成为我国农业经济和农村发展新的增长点，都具有十分重要的意义( 姚惠源， 2 0 0 4 ) 。但是，我国水稻产后加工总体技术水平以及胚芽米碾米机的研究都与发达国家有较大 的差距，我国胚芽米碾米机的研究尚处于起步阶段，存在的问题主要有： 1 缺乏能够指导胚芽米碾米机生产的可靠的工艺参数； 2 对胚芽米碾米机的研究重视不够，研究经费投入少，部分研究成果难以付诸生产； 3 国内对于胚芽米的营养价值认知程度不高，使胚芽米碾米机缺乏市场基础。 1 3 本研究的主要内容 本论文研究的主要如容包括以下几个部分： 1 计算并确定影响胚芽米生产的主要工艺参数，设计符合胚芽米生产要求的碾米机样机。 2 利用所设计的样机进行二次回归旋转试验设计，研究碾米辊转速、碾米筋倾角、碾白 室间隙对留胚率、增碎率和产量的影响。利用d e s i g n e x p e r t 软件确定各冈素对各指标影响 的回归方程，并对方程进行检验。通过各因素的频数分析，选择验证试验中各因素的试验点 进行验证试验。 3 分析单冈素对留胚率、增碎率和产量的影响，得出单因素变化曲线，研究各评价指标 在各单因素影响下的变化规律；分析两因素的交互作用，研究两因素交互作用对各评价指标 的影响规律。 4 建立多目标综合评定方程，得出综合评定的最优工艺参数并进行验证试验。 5 东北农业火学t 学硕l ：学位论文 2 胚芽米碾米机的设计与试验工艺参数的确定 2 1 胚芽米碾米机的设计 2 1 1 胚芽米碾米机工作原理 碾米机按碾白方式可分为擦离式、碾削式和混合式三类；按碾米辊材料可分为铁辊、砂 辊和砂铁组合辊三类；按主轴方位可分为横式和立式两种。 参照农业机械设计手册并综合国内外资料可知，立式碾削型碾米机在碾米过程中具有碎 米少、留胚多的特点。这是因为碾削式碾米机的机内压力较小，米粒在碾白室内基本呈悬浮状 态，碾白作用主要是依靠旋转的碾米辊对米粒进行轻碾而完成的，在碾白过程中对胚芽的破坏 较小，而且立式碾米机在一定条件下碎米率较低( 姜松等，1 9 9 7 ) 。因此本试验设计的胚芽米 碾米机为立式碾削型碾米机。 本试验设计的胚芽米碾米机的工作原理是，采用下喂料方式，米粒在碾削碾白室内逆重力方 向流动，在螺旋输送器和米粒自重作用下，米粒充满整个碾白室并向上提升；碾米辊上安装四 根碾米筋，对米粒进行碾削和摩擦，使糙米皮层破裂、脱落而得剑碾白；碾削脱落下来的米 糠由风机从米筛孔中吸出机外；出米口通过调整弹簧压力机构自动调整碾白室的压力保持相 对稳定，同时控制出米口流量。 l 、电机2 、皮带轮3 、出米口4 、碾米机主轴5 、风机6 、进料口7 、电机 图2 - 1 胚芽米碾米机装配图 f i g 2 - lt h ec o n s t r u c t i o n a lc h a r to fg e r m r e m a i n e dr i c ew h i t e n e r 6 胚芽米碾米机的设计与试验t 艺参数的确定 本试验设计的胚芽米碾米机样机由东北农业大学工程训练中心加工，样机装配图如图 2 1 所示。 2 1 2 胚芽米碾米机结构设计 立式胚芽米碾米机主要由主轴、碾米辊、 其中碾米机主轴是最重要的部件。除此之外， 的碾米机整体结构如图2 1 所示。 2 1 2 1 胚芽米碾米机主轴设计 胚芽米碾米机主轴包括碾米辊、碾米筋、 为两节，前节为螺旋推进器，用于推送糙米； 碾削糙米。主轴结构如图2 2 所示。 米筛、进出米口、风机以及电机等部件组成， 本研究还对出米口进行了独特的设计。设计后 传动主轴和螺旋推进器等。碾米辊为铁辊，分 后节为碾米辊，表面焊接有四根碾米筋，用于 1 、碾米筋2 、螺旋推进器3 皮带轮 图2 - 2 胚芽米碾米机主轴结构图 f i g 2 - 2t h ep r i n c i p a la x i sc o n f i g u r a t i o no fg e r m r e m a i n e dd e ew h i t e n e r 2 1 2 2 胚芽米碾米机出米口设计 本试验设计的胚芽米碾米机出米口采用弹簧压力自动控制装置，出米挡板上连接压力弹 簧，弹簧被压力板分为两半，压力板与螺栓焊接。出米时，调节螺栓，压力板可调节下 1 234 1 、螺栓2 压力弹簧3 压力板4 出米挡板 图2 3 出米口结构图 f i g 2 - 3r i c ee x i tc o n f i g u r a t i o n 端弹簧压力。初始状态下，下端弹簧没有变形，当出米口米粒过多时，米粒可自动冲开出米 挡板，此时下端压力弹簧受到出米挡板挤压而压缩变形，弹簧对挡板的压力等于米粒对挡板 的冲击力；而当出米口米粒减少时，原先变形的弹簧又会伸长，从而挤压挡板使出米口变小。 通过这个结构可以自动控制碾白室内米粒流体密度以及出米口流量，同时可以在试验时监测 7 东北农q k 人学丁学硕i j 学位论文 出米的精度和留胚率。出米口结构如图2 3 所示。 2 2 试验工艺参数的确定 影响胚芽米碾米工艺的参数有很多，如碾米辊转速、碾米辊直径和长度、碾米筋倾角、 碾白室间隙、单位产量碾白运动面积以及动力配备等。在试验之前，先找到一些始终有利于 生产胚芽米的固定参数，这样可以使试验因素减少，从而减少试验量。 2 2 1 碾米辊直径和长度 碾米辊直径和长度在试验时比较难于改变，因此在设计时采用固定的参数，同时使之有 利于试验目标，即胚芽的保留。查阅农业设计手册可知，碾米辊直径d 和长度，的计算公式 为： ，= e d ( m m ) 式中：e 碾米辊的长径比 根据商业部制定的铁辊碾米辊直径系列，选用碾米辊直径为8 5 m m ，此时e 的范围为2 3 2 5 ，通过上式计算，碾米辊长度选用2 1 0 r a m 。通过预处理试验，胚芽米碾米机样机在该碾米 辊直径和长度参数下留胚率良好，表明该参数适合作为固定参数进行试验。 2 2 2 单位产量运动面积 单位产量运动面积是指碾单位重量的白米，碾米辊所需的运动面积。其计算公式为： 彳。= 丁6 0 n n e d 2 ( m 2 k g ) 式中：e 碾米辊的长径比 d 碾米辊直径( m ) 甩碾米辊转速( 厂m i n ) q 碾米机产量( 堙h ) 碾米机的单位产量运动面积与碾米辊的长度和直径、碾米机的产量以及碾米辊转速等有 关，能综合体现碾米辊直径、长度和转速对碾米机工艺效果的影响。根据预处理试验得到的 产量范围，可计算出本试验用胚芽米碾米机样机的单位产量运动面积为4 2 5 6 m 2 h t 1 s 。 2 2 3 碾米辊转速 碾米辊转速是影响留胚率的重要冈素之一。转速的快慢，会影响米粒在碾白室内的运动 速度和所受到的碾白压力，从而影响碾米过程中胚芽的保留率。碾削式碾米机的碾米辊转速忍 的计算公式为： 丹= c 4 d ( ，- m i n ) 式中：d 碾米辊直径( m ) 8 围塑篓露1 0 9 7 rmin溉一732 臻篡 参照农业机械设计手册，转速系数的取值范围2 1 1 ) _ 兰：、：z 0 ：；：门磊亲二泛鬲归 围为7 2 0r m i n。为了试验方便，砹疋冷水f - 还：= ”j ! ：1 ；：忑。r m j n 和 旋转试验设计编码变换公式可求得其他四土娈! 垫，击寿：叭n 、d u u “。 1 0 6 8 r