水分依赖性小麦籽粒压缩行为：对节能与资源节约型谷物加工的启示

《Sustainability》：Moisture-Dependent Compressive Behavior of Wheat Kernels: Implications for Energy-Efficient and Resource-Conscious Grain Processing

　　

提高谷物粉碎效率需要根据原料特性调整工艺参数。本研究探讨了含水率、压头速度、施加位移、品种及小麦品质等级对单籽粒压缩行为的影响。研究人员选取了代表面包用小麦和“其他”品质等级的四个品种，在14–20%（湿基）标称含水率、5–30 mm min?1压头速度及1.8–2.2 mm位移条件下进行测试，测定了最大力（maximum force）、破碎能量（crushing energy）及表观破裂（apparent cracking）。结果表明，压头速度对最大力无显著影响，对破碎能量的影响也极为有限；位移和品种解释了最大的变异份额，两项响应指标均在18%标称含水率下达到最高均值。同属“其他”组的Lawina和Sikorka品种，其最大力相差约36%，破碎能量相差约25%。无表观破裂籽粒的比例从14%含水率下的约5%上升至20%时的96%。与研究人员先前针对六个优质小麦品种的研究不同，本研究比较了面包用小麦与“其他”组别，并分析了同一组内不同品种间的差异。这些发现可为特定产品的筛选提供依据；工业层面的能源与物料节约效果仍有待验证。

一、研究背景与问题

小麦（Triticum aestivum L.）是全球主要的谷类作物之一，广泛用于面粉、面包、面食等人类食品及牲畜饲料生产。谷物加工中常见的粉碎操作会破坏籽粒内部结构，但从可持续性角度看，不必要的机械功会增加电力消耗、摩擦发热、粉尘产生及品质损失风险。辊式破碎通常比锤式研磨产生的摩擦热更少、单位能耗更低，且在锤磨前进行预破碎可使全过程能耗降低约20%。因此，将加工条件与籽粒特性相匹配，有助于提升能效并更有效地利用谷物原料。然而，谷物的力学特性受品种、生长条件和含水率等因素影响，现有研究尚不明确品质等级是否能预测面包用小麦与“其他”组品种的压缩响应，尤其是当同一组内不同品种存在差异时，位移与含水率如何共同影响其力学行为。为此，本研究旨在确定压头速度、含水率、施加位移、品种及小麦品质等级对单籽粒力学特性和损伤模式的影响，以期识别可用于指导节能、资源节约型谷物破碎的参数。

二、研究方法概述

研究人员采用波兰DANKO公司2022年收获的四个小麦品种（面包用小麦Bataja和Tytanika，“其他”组Lawina和Sikorka），将样品在22±2°C、55±5%相对湿度下储存至少两个月后，分别调节至14%至20%（湿基）的标称含水率。使用Mecmesin Multi Test 1-i系统进行单籽粒压缩试验，设置六种压头速度（5、10、15、20、25、30 mm min^?1）和三种施加位移（1.8、2.0、2.2 mm），测量最大力（F_m）和破碎能量（E_c），并通过力-位移曲线判断表观破裂。数据分析采用描述性统计、因子方差分析（ANOVA）、Tukey比较、Pearson相关及回归分析，显著性水平设为α=0.05。

三、研究结果

3.1 实验材料特征

随含水率升高，所有品种的籽粒厚度和质量均增加，平均每增加1%含水率，厚度增加约0.4%，质量增加约1.2%。这归因于水分子与胚乳中淀粉和储藏蛋白形成氢键，导致分子间间距增大、结构基质松散，同时淀粉颗粒膨胀产生局部体积应力，从而推挤胚乳结构，使籽粒尺寸增大。

3.2 力学特性

压头速度对最大力无显著影响，对破碎能量的影响虽具统计学意义但实际效应极小（R²下降0.00332）。位移和品种解释了最大的变异份额。纵向应变从1.8 mm增至2.2 mm时，最大力增加约80%，破碎能量增加约70%。同属“其他”组的Lawina品种具有最高的平均最大力和破碎能量，而Sikorka最低，两者差异分别约为36%和25%。值得注意的是，在各含水率水平下，Lawina籽粒比Sikorka更薄、更轻，但其压缩响应却更高，表明这一差异不能用简单的尺寸因素解释，可能与胚乳结构或硬度有关。在所有七个标称含水率中，18%含水率下最大力和破碎能量的均值最高，其中最大力比14%和20%时分别高约18%和13%，破碎能量则分别高约9%和28%。

3.3 籽粒损伤

无表观破裂籽粒的比例从14%含水率下的约5%上升至20%时的96%，不同品种间存在差异。这表明水分可塑化籽粒组分，改变损伤模式：对于压片工艺，更大的塑性变形有助于保持完整的扁平颗粒；而对于面粉或粗粉生产，若首次未能有效断裂，可能导致重复加载和循环处理。

3.4 实验因素对籽粒力学特性的影响

最大力与相对应变的相关性最强（r=0.764），其次为施加位移（r=0.622）。相对应变从0.50增至0.98时，模型估算的最大力增加约440%，破碎能量增加约200%。这支持根据批次籽粒厚度分布调整辊间距的观点，而非对所有批次采用固定间隙。

3.5 回归方程验证

回归方程验证的平均相对误差：最大力在施加位移2.2 mm时为18.2%，1.8 mm时为26.4%；破碎能量在Lawina品种为17.6%，Bataja品种为31.6%。含水率和压头速度对这些误差无显著影响。“其他”组的力预测误差比面包用小麦高约12%，而面包用小麦的能量预测误差比“其他”组高约24%。最大力方程对Lawina和Tytanika品种在20%含水率、5 mm min^-1条件下拟合最佳；破碎能量方程对Lawina品种在14%含水率、15 mm min^-1条件下预测精度最高。

四、讨论与结论

研究人员指出，研究结果明确了含水率调节、品种选择和变形程度可作为资源高效粉碎的潜在控制变量。其对可持续加工的贡献体现在三个方面：减少不必要的机械功、限制过度破裂以减少粉尘和不可用细粉、以及根据产品需求选择适宜的损伤模式。然而，研究仅涵盖来自单一产地和收获季的四个品种，采用准静态速度的单籽粒测试，且含水率为标称值而非实测值，未测量工业级电耗、产量、粒度分布、面粉品质、粉尘、用水量及干燥能耗。因此，资源和可持续性含义仅为有待工艺验证的假设。

研究结论如下：

在所测试的5–30 mm min^-1准静态范围内，压头速度对最大力无显著影响，仅解释了破碎能量中极小的变异份额。含水率、施加位移、品种和品质等级是更重要的变异来源，两项力学响应指标均在18%含水率下达到最高均值。这表明面向可持续性的工艺优化应首先关注原料状态和所需变形程度，而非单纯调整加载速率。Sikorka籽粒的抗压性最弱，Lawina最强，尽管两者均属于“其他”组，其平均力和能量差异分别约为36%和25%。在此有限的品种集中，品质等级本身并不能描述品种间的对比差异。相对应变是最大力最强的连续相关因子，拟合关系显示相对应变从0.50增至0.98时，力和能量分别增加约440%和200%，但约18–32%的验证误差限制了其应用范围。无表观破裂籽粒比例从14%标称含水率下的约5%升至20%时的96%，观测终点差异约91个百分点。含水率可改变损伤模式，但何种模式更优取决于目标是压片还是制粉。需通过中试测量净电耗、用水与干燥需求、产量、筛分、细粉、粉尘及产品质量，才能验证调整含水率和位移是否能带来可持续性效益。