《Foods》：Crushing Mechanics and Flour Properties of Wheat Under Different Graded Crushing Durations in a Blade Crusher
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本研究探讨了刀片破碎机中不同分级破碎时长对小麦破碎力学及所得面粉特性的影响。研究人员建立了刀刃—颗粒碰撞、颗粒沿刀面径向滑动及颗粒—腔壁碰撞的力学模型。在合理简化假设下，模型解析刻画了冲击力与破碎能与刀刃转速、回转半径及颗粒入射角的理论关系。模型用于对实验趋势
本研究探讨了刀片破碎机中不同分级破碎时长对小麦破碎力学及所得面粉特性的影响。研究人员建立了刀刃—颗粒碰撞、颗粒沿刀面径向滑动及颗粒—腔壁碰撞的力学模型。在合理简化假设下，模型解析刻画了冲击力与破碎能与刀刃转速、回转半径及颗粒入射角的理论关系。模型用于对实验趋势进行定性机理解释，而非定量预测面粉粒径分布或损伤淀粉含量。研究人员评估了两种分级破碎工艺，单遍破碎时长分别为10 s（F10）与15 s（F15）。观察小麦颗粒破碎过程中的粒径演化发现，随破碎遍数增加，粗颗粒占比持续下降，细颗粒占比逐渐上升，中间粒径颗粒占比先升后降，呈现渐进式由粗至细的碎裂模式。所得面粉的粒径分析显示，F15工艺的粒径分布峰值低于5 μm，相较F10向更小粒径偏移。两种工艺所得面粉粒径分布均较集中，Span值介于2.46~2.68。损伤淀粉含量随破碎遍数显著增加，且F15总体高于F10。水分含量在F10下由14.30%降至12.86%，在F15下由14.25%降至12.73%；灰分最终均升至0.48%；蛋白含量均呈先升后降趋势。上述发现为分级研磨对谷物细化、淀粉损伤及小麦粉理化组分的影响提供了实验证据。
研究背景方面，小麦是全球重要谷类作物，小麦粉是面包、面条、饼干等谷物食品的核心中间品，研磨是小麦产业的基础工序。传统多道辊磨系统之外，以锤磨和刀片磨为代表的高速冲击式粉碎设备因结构紧凑、操作灵活、破碎效率高，在全麦粉与特种粉加工中受关注。粉碎不仅是粒径减小，更是外机械能通过冲击、压缩、剪切与摩擦转移至麦粒，引发裂纹萌生与扩展的机化学过程，其力幅值与累积能量输入决定碎裂行为，直接影响粒径分布、损伤淀粉（damaged starch）形成及粉体组成。现有研究多聚焦辊磨参数优化或单粒压缩/剪切力学，对高速刀片破碎中瞬态碰撞行为、重复冲击能量传递及逐遍粒径动态演化理解不足。为此，研究人员以郑麦9023高筋小麦为材料，在400Y刀片磨中开展单遍10 s（F10）与15 s（F15）的分级破碎—筛分循环，直至过80目筛累计质量超80%，结合刀—粒碰撞、粒沿刀面径向滑动、粒—腔壁碰撞三类解析力学模型，定性解释实验趋势。论文发表于《Foods》。
主要关键技术方法方面，研究人员选取河南工业大学试验田产郑麦9023小麦（粗蛋白14.9%，容重804 g/L）2 kg，调质至水分15%后，以400Y刀片磨分5批（每批0.2 kg）逐级破碎，单遍分别控制10 s与15 s，每遍后依次经40、60、70、80目筛，过80目筛物定为该遍面粉，筛上物合并再破碎，循环至累计过筛率>80%。粒径采用NKT2020-L激光粒度仪（空气分散，折射率1.52，吸收率0.1，遮光度10%~15%）以数量分布统计；损伤淀粉按GB/T 31577-2015电流法以Chopin SDmatic测定；水分按AACC 44-19、灰分按GB 5009.4-2016恒重灼烧法、粗蛋白按AACC 46-11A（换算系数5.7）测定。力学建模部分将麦粒及碎块等效为集中质量颗粒，推导刀—粒一维碰撞动量守恒与恢复系数关系得平均冲击力（式10）及碰撞动能耗散（式11~13）；沿刀面径向运动考虑离心力、科氏力、气流阻力和摩擦，建立径向微分方程（式24）；腔壁碰撞按入射角φ分解法向/切向速度，得法向平均冲击力（式31）与法向动能耗散（式32）。模型参数（恢复系数、接触时长等）未实测，仅作定性解释。
研究结果部分，4.1节小麦颗粒在分级破碎中的分布显示，两工艺均呈粗粒（>40目）占比续降、细粒（<80目）续升、中粒（60~80目）先升后降的由粗至细转化，F15前期粗粒下降更快，后期各粒级变化率降低进入动态平衡，符合体积破碎机制——宏观胚乳团在机械力下整体断裂释放内部淀粉与蛋白碎片。4.2节分级破碎小麦粉的数量粒径分布表明，F10各遍曲线单峰集中于1~100 μm、峰值约5 μm，随遍数峰值增高后稳定；F15峰值<5 μm且分布左移、峰形变窄，两工艺Span值2.46~2.68，D10/D50/D90降幅小，说明分级工艺在细化同时避免过粉碎。4.3节损伤淀粉含量随遍数显著上升，F15高于F10，归因于F15单遍机械作用时间长、累积冲击载荷大导致淀粉粒表面裂纹与内部空腔增多。4.4节理化性质中，水分因反复冲击摩擦升温蒸发由14.30%/14.25%降至12.86%/12.73%；蛋白先升后降（F10第4~5遍、F15第2遍达峰），与胚乳蛋白由中心向外层递增的径向梯度及外层物料渐入粉流有关；灰分续升至0.48%，反映糊粉层与少量麸皮矿物进入面粉。4.5节力学模型与实验对照指出，式10与式13预示转速、半径提升增冲击力与能耗，F15单遍时长长致粒—刀/粒—壁作用频次与累积能量更高，与粒径左移、损伤淀粉偏高定性一致；但模型基于理想几何与均质假设，未定量验证。
讨论与结论部分，研究人员认为分级破碎中 wheat particles 呈现粗→中→细逐步转化，F15比F10更促进细化且加剧淀粉损伤；水分渐降、蛋白先升后降、灰分终至0.48%说明破碎时长与遍数同步改变淀粉损伤与理化组成；所建三类力学模型仅对碎片趋势作定性解释，未实验定量校验。未来可结合离散元模拟与分级实验，表征粒轨迹、碰撞频率/速度及能量分布以校验模型。该工作为刀片磨分级研磨调控全麦粉粒度、损伤淀粉与营养成分提供了机制—实验证据链。
