《Journal of Cereal Science》：An Analysis of the Compressive Strength of the Kernels of Quality Wheat Cultivars
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小麦品种的机械特性与水分含量、冲头速度关系研究。摘要显示春小麦最大抗力比冬小麦高20%，水分17%和冲头速度30mm/min时破碎能最高，建立指数和线性方程模型预估能耗。
阿格涅什卡·马尔科夫斯卡-门迪克（Agnieszka Markowska-Mendik）|兹齐斯瓦夫·卡利涅维茨（Zdzis?aw Kaliniewicz）|安德烈·安德斯（Andrzej Anders）|皮奥特尔·马尔科夫斯基（Piotr Markowski）|达里乌什·霍什奇（Dariusz Choszcz）
波兰奥尔什丁瓦尔米亚-马祖里大学（University of Warmia and Mazury in Olsztyn）技术科学学院，地址：Oczapowskiego 11，邮编10-719
摘要
谷物粉碎是谷物研磨过程中使用的方法之一。因此，本研究的目的是确定小麦籽粒的选定机械性能与水分含量及压头速度之间的关系，以优化谷物加工操作。研究使用了优质小麦品种的籽粒，包括三个春播品种和三个冬播品种。在三个不同的纵向应变值（1.8毫米、2.0毫米和2.2毫米）下测定了小麦籽粒的抗压强度。机械测试在七个不同的谷物水分含量水平（湿基14%至20%）下进行，并在六个不同的压头速度（5毫米/分钟至30毫米/分钟）下测定了单个籽粒的最大力、粉碎能量和相对应变。研究表明，小麦籽粒的机械性能主要受品种影响，春播小麦籽粒的最大力平均比冬播小麦籽粒高20%。籽粒的水分含量和压头速度对粉碎能量影响最大，该参数的最高值出现在水分含量为17%且压头速度为30毫米/分钟时。当相对应变从0.44增加到0.97时，最大力增加了约900%，粉碎能量增加了约450%，这些关系分别可以用指数方程和线性方程很好地描述。这些方程可用于估算小麦籽粒粉碎过程中的能量消耗。
引言
普通小麦（Triticum aestivum L.）是世界上种植最广泛的谷物之一。由于其理想的化学成分，小麦籽粒被用于生产各种食品，主要是面包、意大利面和粗粮，同时也是牲畜的宝贵饲料来源（Gooding和Shewry，2022年；Khalid等人，2023年）。
在农业食品行业的许多领域，包括谷物磨粉、饲料生产和食用油生产中，都需要将谷物研磨以备进一步加工。谷物研磨是一种机械操作，在此过程中籽粒的尺寸减小，其内部结构也会受到部分破坏（Cacak-Pietrzak等人，2009年；Ahmed等人，2015年）。最常见的谷物研磨方法有：
- 撞击粉碎：快速旋转的锤子撞击并粉碎谷物；
- 挤压粉碎：滚轮磨机以相同的旋转速度通过挤压来粉碎谷物；
- 分裂粉碎：滚轮磨机以不同的旋转速度将谷物分裂成几块；
- 磨蚀粉碎：一个固定、一个旋转的磨具表面相互摩擦来研磨谷物。
在谷物研磨过程中，应控制加工材料的温度升高，因为高温会导致蛋白质变性并部分丧失（Gooding和Shewry，2022年）。谷物粉碎是一种能耗较低的研磨方法，产生的摩擦热比其他方法少。例如，滚轮磨机每单位加工材料的能耗大约是锤磨机的三分之一。滚轮磨机产生的粉尘较少，且生成的饲料更易消化。这种方法用于早餐谷物的生产。在进一步使用锤磨机加工之前，建议先进行谷物粉碎处理，这可以将研磨过程中的能耗降低多达20%（Dziki，2007年）。
谷物研磨的效率受特定品种和栽培条件的谷物参数以及植物生长和发育期间的天气条件的影响（Greffeuille等人，2006年；Ahmed等人，2015年；Gao等人，2024年）。谷物中的水分含量是这些参数之一。一般来说，粉碎潮湿的谷物需要更多的能量，尤其是在锤磨机或盘式磨机中加工时（Marks等人，2006年；Dziki，2007年；Dziki等人，2011年）。随着水分含量的增加，谷物籽粒及其解剖部分的塑性会发生变化。这些变化在麦壳中尤为明显，麦壳变得更耐裂，并在断裂时分裂成较大的碎片（Kalandarov等人，2024年）。对于有效的谷物研磨，最佳的水分含量范围为14%至17%，具体取决于该品种的平均硬度（Hassoon等人，2021年）。在谷物粉碎过程中，当水分含量约为15-16%时能耗最高，而在更高的水分含量下能耗会降低。含水量高的籽粒容易膨胀，这会降低蛋白质基质的凝聚力；水分含量为15-16%的谷物具有最佳的蛋白质基质强度（Romański等人，2006年；Dziki，2007年；Dziki等人，2011年）。
通常使用拉伸和压缩测试机来确定谷物籽粒的机械性能。籽粒被放置在两块平板之间，其中一块平板连接到以特定速度移动的压头上。根据ASAE标准S368.4（2008年），压缩测试应在压头速度为1.25毫米/分钟±50%的条件下进行。然而，在工业研磨和磨粉操作中通常使用更高的压头速度（Figura和Teixeira，2007年），因此许多实验是在高达100毫米/分钟的速度下进行的（Kaliniewicz，2025年）。关于谷物抗压强度、水分含量和压头速度之间的相互作用，现有文献中的研究还不够充分。因此，本研究的目的是分析优质小麦品种籽粒的选定机械性能、水分含量和压头速度之间的关系，并提出优化谷物加工操作的建议。
材料
本研究使用了2022年由波兰Chorynia的Danko Hodowla Ro?lin Sp. z o.o.公司收获的优质小麦品种的籽粒。该公司生产和分销适应波兰气候的主要谷物（小麦、黑麦、小黑麦、燕麦、大麦）以及豆类和草本植物的种子。实验材料来自同一来源，以确保所分析的谷物是在相同的气候和环境条件下生产的，从而消除潜在的干扰因素。
实验材料特性
表1列出了水分含量为14-20%的小麦籽粒的平均厚度和质量。在所检测的水分含量范围内，这两个参数都随水分含量的增加而增加。平均而言，厚度增加了1.3%（Itaka品种）到3.4%（Hondia品种），质量增加了6.5%（Goplana品种）到8.5%（Arkadia品种）。这些结果与其他研究小麦籽粒及其他植物物种的作者的研究结果一致（Kalkan和Kara，2011年；Shallangwa等人，未列出具体数据）。
结论
小麦籽粒的机械性能受品种影响显著，春播小麦籽粒的最大力平均比冬播小麦籽粒高约20%。在所分析的小麦品种中，Arkadia品种的谷物粉碎过程中能耗最低，而Goplana品种的能耗最高。
籽粒的水分含量和压头速度对粉碎能量影响最大，该参数的最高值出现在水分含量为17%且压头速度为30毫米/分钟时。
作者贡献声明
安德烈·安德斯（Andrzej Anders）：撰写、审稿与编辑、数据分析。
兹齐斯瓦夫·卡利涅维茨（Zdzis?aw Kaliniewicz）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验设计、数据分析、概念化。
阿格涅什卡·马尔科夫斯卡-门迪克（Agnieszka Markowska-Mendik）：数据验证。
达里乌什·霍什奇（Dariusz Choszcz）：撰写、审稿与编辑、资金筹措。
皮奥特尔·马尔科夫斯基（Piotr Markowski）：撰写、审稿与编辑、数据分析。
未引用参考文献
ASAE D352.2, 2022; ASAE S368.4, 2008.
利益冲突
作者声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。
