影响西瓜子破壳载荷的因素研究

影响西瓜子破壳载荷的因素研究

西瓜子属于坚果科，形状扁平，形状类似于椭圆形。由于其香脆可口、营养丰富,是人们喜爱的休闲食品,但其外壳坚硬,不易入味,并且食用过程中会损伤牙齿。为使西瓜子方便入味和食用,可以对其进行预开口处理。目前不少加工厂以落后的手工砸取方式为主,生产率低,劳动成本高。破壳采用的原理大致可分为冲击、研磨、滚压及其混合型4类。西瓜子的破壳开口多是采用设置挤压间距或破壳载荷的方法。为解决西瓜子预开口处理的技术难题,本试验主要对西瓜子破壳载荷的影响因素进行研究,从而为其破壳加工工艺提供理论依据。1材料和方法1.1压力和水分测试西瓜子:江苏省常州市周氏伟业食品有限公司,产地兰州;电子数显卡尺一把:精度为0.01mm,江南大学实验室;DHS20-1多功能红外水分仪一台:称量范围:0～100,读数精度:0.001,水分含量测定可读性:0.01%,上海精密科学仪器有限公司;LRXPLUS系列材料试验机:负载分辨率小于负载传感器的0.005%,位移分辨率小于0.1μm,阿美特克公司。1.2方法1.2.1试孔在对西瓜子进行破壳时,其尖端裂开一道缝便达到开口的目的,由西瓜子的物理机械特性并经试验证明:最佳受力和最易实现的截面为其最大宽度两侧(图1)。1.2.2试验情况即破壳试验破壳开口试验采用LRXPLUS系列材料试验机,沿西瓜子宽度方向对其加载(夹具自制),每次达到破壳载荷时西瓜子开口,试验结束。试验示意图见图2,西瓜子的破壳曲线见图3。曲线先类似直线上升,并逐渐达到最大值,此时西瓜子尖端破壳开口,接着载荷剧减,继续挤压,变形量继续增加,载荷随之也逐渐增大,最后西瓜子被压碎,载荷逐渐减小。1.3影响西瓜子破壳载荷的因素通过分析处理试验数据,得到破壳载荷与西瓜子宽度、加载速率、含水率之间的函数关系式,并用方差分析对方程进行检验,研究这些因素是否是影响破壳载荷主要因素。1.3.1西瓜子的宽度测量3500枚西瓜子的宽度,以0.2mm为级数分组。在含水率和加载速率不变的情况下,对数量最多的5组西瓜子进行破壳开口试验。1.3.2加载速度取某一宽度等级的西瓜子,在含水率不变的情况下,采用7种不同的加载速率进行破壳开口试验。1.3.3红外含水率测定取6份某种宽度等级的西瓜子,使其有不同的含水率,具体数值用多功能红外水分仪测得(加热温度为100℃,加热时间为2h),以某一加载速率进行破壳开口试验。2结果与分析2.1试验数据及分析西瓜子的宽度呈正态分布,在含水率为9.03%时,以下5个宽度范围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%,单位mm。设定加载速率为15mm/min,对其进行破壳开口试验,得到每次的破壳载荷,试验数据经SAS软件分析处理,可知破壳载荷与西瓜子宽度之间的函数关系式为:y=14.88x-45.56式中:y——破壳载荷,N;x——西瓜子的宽度,mm。用方差分析对方程进行检验,结果见表1。由表1可知,P值为0.1311,大于0.01,故接受零假设,认为西瓜子宽度不是影响破壳载荷的显著因素,所以可以设计定载荷的开口机械,寻求适应范围广的破壳载荷,而不考虑西瓜子宽度的影响。2.2破壳加载试验数据分析在10,15,20,25,35,45,50mm/min7个不同的加载速率下,对含水率为9.03%,宽度范围在[11.2,11.3)的西瓜子进行破壳开口试验,分析处理试验数据,可得破壳载荷与加载速度之间的函数关系式为:y=0.0503x+131.20239式中:y——破壳载荷,N;x——加载速率,mm/min。回归方程的方差分析见表2。由表2可知,P值为0.151,大于0.01,故也接受零假设,认为加载速率的大小对破壳载荷的影响不显著,所以设计开口机械时应选择合适的加载速率,既满足机械的稳定性,又有较高的生产效率。2.3含水率对破壳载荷的影响取宽度范围在[11.2,11.3)的西瓜子6份,与不同质量的水混合分别装在密闭容器内,等水被西瓜子充分吸收,具有不同的含水率后,用红外水分仪测得含水率分别为:7.58%、9.03%、11.51%、13.71%、18.99%、21.41%,在15mm/min的加载速度下进行破壳开口试验,用matlab软件对试验数据进行曲线拟合,得到含水率和破壳载荷之间的关系曲线见图4。从图4可知,破壳载荷与含水率之间为非线性关系,关系式为:y=0.2659x2-12.5x+207.9(7.58<x<21.41)式中:y——破壳载荷,N;x——含水率,%。对非线性回归方程进行拟合分析,得到观测值和拟合值之间的相关系数,非常接近于1,拟合满足要求。对不同含水率下西瓜子开口时的最大破壳载荷进行方差分析,结果见表3。从表3可知,P值小于0.0001,故拒绝零假设,含水率对破壳载荷的影响高度显著。由试验可知,破壳载荷随着含水率的增加不断减小,而且含水率是一个高度显著的影响因素。因此,在对西瓜子进行机械破壳之前应使其保持一个合理的含水率,可以节省很多的能量消耗。3西瓜子含水率的影响由试验可知对西瓜子进行机械破壳开口的最佳加载位置是西瓜子的最大宽度两侧,影响西瓜子破壳载荷的显著因素为西瓜子的含水率,关系式为:y=0.2659x2-12.5x+2