压缩载荷下稻米籽粒能量演化与损伤机制研究及其对加工能耗与品质调控的意义

本刊推荐：该研究通过单轴/循环压缩实验揭示稻米籽粒在压缩载荷下的损伤演化机制，建立损伤度与载荷次数的幂函数关系，发现含水率（MC）和籽粒厚度对断裂概率、疲劳寿命及应变能变化的显著影响（Tavares模型验证），为降低稻米加工过程中20–30?%的破碎率和能源损耗提供理论支撑。

　　

章节精选

样品制备

本研究采用美国市场常见的加利福尼亚产日本型中粒白米（新品种M401，NISHIKI品牌）。该籽粒平均宽度为2.71?mm，平均长度为6.01?mm，碳水化合物含量约13?%，蛋白质含量5.2?%[39]。稻谷 conditioning（调质）方法参照[35]：1）初始水分测定；2）人工增湿；3）干燥至目标含水率（7.89?%、12.34?%、16.28?%、19.96?% MC）；4）密封袋中平衡水分≥4周。

单次压缩下稻米籽粒破碎特性

压缩稻米时可分为两个主要变形区：弹性变形区和塑性变形区（图3）。载荷过程中的比例随含水率变化：低水分籽粒（7.89?% MC）呈脆性断裂（图3a），而随水分增加逐渐转为韧性（图3d）。加载初期籽粒发生弹性变形，极低应变时即出现微观裂纹并伴随能量耗散。屈服点后进入塑性变形阶段，裂纹扩展导致结构失效。高水分籽粒需更高能量和变形才能断裂，表明水分塑化效应（plasticizing effect）。

结论

通过单次与循环压缩载荷评估稻米破碎特性，发现其断裂行为受含水率和尺寸调控。应力-应变分析表明稻米为弹塑性材料，水分增加会改变应力-应变曲线形态，并显著影响弹塑性变形比例与断裂能。建立了以幂函数描述的损伤演化模型，揭示循环载荷下损伤累积与应变能变化的定量关系。本研究为稻米加工节能降耗与品质控制提供关键理论依据。