稻谷热湿梯度场物理参数及裂纹机理的研究进展

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1、第４２卷稻谷热湿梯度场物理参数及裂纹机理的研究进展·３·檱檱檱檱檱檱檱檱檱殗殗檱檱粮食储藏技术檱檱殗殗檱檱檱檱檱檱檱檱檱稻谷热湿梯度场＊物理参数及裂纹机理的研究进展杨国峰周雯陈江（南京财经大学食品科学与工程学院２１００４６）摘要对稻谷裂纹产生机理的几种理论进行了比较分析，简述了测定热湿应力场物理参数、确定玻璃化转变温度以及含水率与应力场相互关系的实验方法，在此基础上，指出了结合损伤力学与玻璃化转变理论量化稻谷裂纹的产生的新方法。关键词稻谷裂纹机理玻璃化转变温度热湿应力场物理参数水稻在我国粮食生产

2、中具有举足轻重的地位，面，当水分通过毛细管向籽粒内部渗透时，由于籽２００８年我国水稻产量１．９３亿吨（ＦＡＯ，２０１０），粒毛细管本身直径的减小，从而阻碍了水分继续向主要集中于长江中下游和东北地区。稻谷的区域性籽粒内部渗入，于是在毛细管中形成了一种吸附的收获导致水分高且差异大，容易引起虫霉等危害，边界，沿着这个边界，被吸附的水分继续向内渗需要及时进行整理干燥，否则会加速品质劣变过透，对籽粒产生了一个附加压力，该压力被称为［１～３］程。研究表明：高温快速干燥能大幅度提高生“楔压力”，相当于在籽粒上

3、增加了一个外部压力，产率，且具有良好的节能效果，但干燥后稻谷的品从而使籽粒形成裂纹。质却明显下降，其中，最终的加工和食用品质评价１．２水合作用力指标，如爆腰（应力裂纹）率、整精米率（ＨＲＹ）以及米饭粘性等，都有不同程度的改变。稻谷干燥不同的化学组成与水作用的水合力大小是不等后品质与干燥生产率、能耗之间的矛盾已逐渐成为的。稻谷籽粒里外的化学组成分布不均，从外向困扰稻谷干燥机推广和发展的瓶颈问题。里，蛋白质呈递减趋势，而淀粉呈递增趋势。外层干燥中产品品质发生变化，其根本原因是由于的直链淀粉含量较中心

4、部分低２％～３％，外层含谷物内部热、质的传递而引起的物料物理和化学等较多的结合蛋白质，较少的结合脂质。伊藤、朱永方面的变化，传热传质产生的谷物内部温度和湿度义等都指出品种不同的米粒其吸水特性有差异，不的变化，一方面使谷物产生内部的热湿应力，另一同的吸水特性对应的水合作用力也不同。所以当稻方面可能使谷物内部分子结构或分子的状态发生改谷置于吸湿环境中，籽粒各部分受到不等的水合作变。稻谷也不例外，干燥过程中的传热传质将引起用力，导致籽粒内部形成压力差，于是在其薄弱处颗粒内部不同部位形成复杂的拉压应力，

5、同时，谷产生裂纹。品种间裂纹率的差异可能就是因为各品粒内各部分的组成、结构和干燥引起的性质变化也种间化学组成不同，含量不等，分布不均，使得水是各不相同，所以承受这些应力的物质结构可能超合作用力大小有差异，引起各品种压力差大小不过其极限强度（产生裂纹）。［５］一，从而产生不等的裂纹率。１稻谷裂纹产生机理的几种理论１．３稻米籽粒应力裂纹机理分析１．１“楔压力”理论常温下当稻米内各部分含水率均匀一致时，稻文献［４］认为，因为谷粒表面有密集的毛细管，米籽粒的内应力为零。假设将谷粒看成为圆柱体，毛细管呈楔

6、形，直径较大的一端暴露在籽粒的表则从谷粒横截面看，压应力区为圆环，拉应力区为＊基金项目：①国家自然科学基金项目《基于损伤力学的稻谷干燥品质的模拟和控制机理研究》（３１２７１９７０）；②“十二五”国家科技支撑计划课题《储粮粮情关键因子的调控及害虫生物防治技术的研究》（２０１１ＢＡＤ０３Ｂ０２）资助通讯地址：南京市栖霞区文苑路３号·４·粮食储藏２０１３（３）圆（图１），上述应力关系可表示为：１．４玻璃化转变理论ＳＬσＬｄＡ＝ＳｒσｒｄＡ①与其它理论相比，玻璃化转变理论更多地考虑式中：σＬ———谷

7、粒横截面上的拉应力；了温度对稻谷裂纹形成的影响（其它理论主要考虑σｒ———谷粒横截面上的压应力；稻谷水分变化对裂纹形成的影响），并可以较好地ＳＬ———拉应力区，为一圆；解释稻谷在缓苏过程中，如果温度选择不合理，会Ｓｒ———压应力区，为一圆环。出现裂纹显著增加的原因。稻谷在干燥时，表层由于失水而体积收缩，故［６～８］玻璃化转变理论认为，在一定条件下，稻承受拉应力，心部则承受压应力，其应力关系也可谷干燥过程中会发生玻璃化转变现象。玻璃化转变以用公式①表示，ＳＬ在表层，为一圆环；Ｓｒ在中以玻璃化转变温

8、度来表征，稻谷玻璃化转变使稻谷心，为一圆。的物理特性产生较大变化。物料温度在玻璃化转变温度以上，则物料呈现橡胶态，稻谷弹性模量小，而膨胀系数大；物料温度在玻璃化转变温度以下时，物料呈玻璃态，稻谷弹性模量大，而膨胀系数小。所以，稻谷产生玻璃化转变后材料性质变脆，容忍变形能力小，即使在变形很小的情况下也会产生很大的应力。Ｃｎｏｓｓｅｎ和Ｓｉｅｂｅｎｍｏｒｇｅｎ认为干燥结束之后图１稻米籽粒吸湿条件下横截面当量圆水稻籽粒温度降低，颗粒发生玻璃化转变，导致表［９］在吸湿过程中，稻米籽粒外表面的部分先吸收层