1、農(nóng)業(yè)物料物理特性及其應(yīng)用姜瑞涉王俊(浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院)【摘要】隨著農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展，農(nóng)業(yè)物料物理特性學(xué)已成為一門(mén)新興的學(xué)科。它主要研究物料的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)特性等。本文依據(jù)物料物理特性理論基b介紹了農(nóng)業(yè)物料的物理特性及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用。 【關(guān)鍵i祖農(nóng)業(yè)物料;特性;應(yīng)用 中圖分類(lèi)號(hào):rs2o2.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009- 1807 (2002) Ol- 0035- 03 農(nóng)業(yè)物料物理特性是以與農(nóng)業(yè)工程直接相關(guān)的各種農(nóng)產(chǎn)物料(包括植物和動(dòng)物物料以及以它們?yōu)樵霞庸さ陌氤善泛统善?為對(duì)象，主要研究農(nóng)業(yè)物料的基本物理參數(shù)、力學(xué)、光學(xué)及電學(xué)等特性，應(yīng)用新原理、新理論和新

2、技術(shù)為物料機(jī)械的生產(chǎn)、處理與應(yīng)用提供依據(jù)。 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，農(nóng)業(yè)物料物理特性在農(nóng)業(yè)工程的各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)物料物理特性學(xué)，即是由農(nóng)業(yè)工程發(fā)展的需要所形成的一新學(xué)科。運(yùn)用其近代物理學(xué)理論、技術(shù)和方法，研究農(nóng)業(yè)物料的基本物理參數(shù)、固體農(nóng)業(yè)物料的流變特性、液體農(nóng)業(yè)物料的流動(dòng)特性、液體動(dòng)力學(xué)特性以及熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性等。它為各種機(jī)械和系統(tǒng)，如生產(chǎn)、處理、加工、運(yùn)輸、包裝、貯藏和質(zhì)量檢測(cè)等提供合理和可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，為發(fā)展以植物和動(dòng)物為原料的新消費(fèi)品提供依據(jù)，為評(píng)定和控制產(chǎn)品的最后質(zhì)量提供新的方法。它是工程、物理學(xué)和生物學(xué)之間的橋梁，也是農(nóng)業(yè)工程的學(xué)科基礎(chǔ)。1農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)特性及其

3、應(yīng)用 農(nóng)業(yè)物料力學(xué)特性涉及農(nóng)業(yè)物料的流動(dòng)力學(xué)、流變力學(xué)、散粒體力學(xué)及流體動(dòng)力學(xué)以及接觸應(yīng)力、撞擊載荷、摩擦及空氣動(dòng)力特性等等。它是指在農(nóng)產(chǎn)品加工、儲(chǔ)存、包裝及運(yùn)輸過(guò)程中所受力而體現(xiàn)出的以上各種特性，如沖擊、振動(dòng)、松弛、粘附和變形等。1. 1農(nóng)業(yè)物料的流變特性及其應(yīng)用 農(nóng)業(yè)物料的流變特性是研究物料在外力作用下產(chǎn)生的變形和流動(dòng)以及載荷作用的時(shí)效。馬小愚等人(1996)研制了一個(gè)物料流變性質(zhì)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)微機(jī)測(cè)試軟件進(jìn)行軟件處理獲得必要的流變性質(zhì)參數(shù)。為脫水蔬菜工藝做了青刀豆擠壓的研究，做了水稻、大豆莖稈彎曲試驗(yàn)，均取得了一定的成效。他們(1999)還對(duì)東北地區(qū)大而積生產(chǎn)的幾個(gè)品種大豆與小麥子粒進(jìn)行

4、了流變學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究，給出了性能數(shù)據(jù)及有關(guān)影響因素。物料流變還涉及到而粉、果凍、而團(tuán)、黃油和香腸等。它們與加工過(guò)程中的切斷、攪拌、混合和成型等有密切關(guān)系。福建農(nóng)學(xué)院的陸則堅(jiān)等人(1994)對(duì)紫云英蜂蜜和白砂糖溶液以及二者的混和液進(jìn)行許多試驗(yàn)，建立了流變體模型( New- ton)，并把溫度和濃度對(duì)粘度的影響進(jìn)行了分析，提出了用測(cè)粘度的方法鑒別紫云蜜是否摻水和摻糖。趙杰文等(1996)研究了3種魚(yú)糜(鯉魚(yú)、草魚(yú)、鮑魚(yú))的流變特性，建立了流變模型，提出了魚(yú)糜粘度隨水分含量變化的關(guān)系方程。粘度對(duì)魚(yú)糜制品的成型及口感有極大影響，這個(gè)研究對(duì)魚(yú)糜制品工業(yè)起到了重要作用。1. 2農(nóng)業(yè)物料的流體動(dòng)力學(xué)特性及

5、其應(yīng)用 流動(dòng)的液體在有固體存在時(shí)，液體將發(fā)生繞固體表而的繞流，液體與固體之間產(chǎn)生作用力。臨界速度在液體輸送和物料分離方而作為物料的重要特性加以應(yīng)用。它是指物料從靜比的液體中自行下落，最終達(dá)到勻速向下運(yùn)動(dòng)。 物料的清選是根據(jù)物料中各組成部分的阻力系數(shù)或臨界速度的不同而完成的，各組成部分的阻力系數(shù)或臨界速度不同，流體對(duì)其作用力不同，運(yùn)動(dòng)規(guī)律也不同，從而把不同組成成分分別收集起來(lái)。例如氣力輸送裝置，用于谷粒、草料或者而粉的輸送，利用氣流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物料的輸送。陳美蘭等人(1990)研制出了一種新型清理設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各而粉廠、飼料廠及碾米廠等從顆粒原料中分離灰塵、皮殼、碎粒及輕雜質(zhì)。于德水等人(1

6、990)對(duì)小麥的分級(jí)清理做了系統(tǒng)的工藝分析簡(jiǎn)介，針對(duì)小麥和雜質(zhì)在性質(zhì)上的異同，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)特性，利用相應(yīng)設(shè)備對(duì)所需要清理的小麥分為幾個(gè)部分，然后再根據(jù)其所含雜質(zhì)情況，對(duì)其進(jìn)行清理。陳志東(1991)對(duì)洛陽(yáng)而粉廠從瑞士布勒公司引進(jìn)的250t等級(jí)粉風(fēng)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定分析，準(zhǔn)確地解釋了液體動(dòng)力學(xué)在風(fēng)運(yùn)系統(tǒng)上的應(yīng)用。成芳等人(1999)理論分析了風(fēng)篩式清選裝置的篩而流場(chǎng)，試驗(yàn)研究了其主要參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律，指出了簡(jiǎn)易風(fēng)篩式清選裝置合理的篩而氣流分布類(lèi)型及其獲得途徑。2農(nóng)業(yè)物料的熱學(xué)特性及其應(yīng)用 農(nóng)業(yè)物料熱容量和比熱是隨物料組成成分、含水量和溫度等的不同而變化的。大量測(cè)試結(jié)果證明，農(nóng)業(yè)物料比熱隨其含水

7、量大小而變化，一般呈線性關(guān)系。農(nóng)業(yè)物料的比熱隨溫度不同而改變，一般來(lái)說(shuō)，比熱隨溫度升高而增大。 在生大豆中，胰蛋白酶抑制劑熱學(xué)特性差異是造成喂飼消化能力差的主要原因。如將大豆在371 0C溫度下加熱lmin，或在121 0C溫度下加熱1h冷卻后，能提高動(dòng)物喂飼的消化能力。洪慶慈等人(1991)進(jìn)行了加熱法穩(wěn)定米糠的試驗(yàn)研究，采用濕熱蒸汽蒸烘處理新鮮的米糠。經(jīng)過(guò)40天室溫儲(chǔ)藏試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濕熱蒸汽法抑酶相當(dāng)有效，為米糠的穩(wěn)定化提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。李道娥等人(1998)利用物料的熱學(xué)特性，進(jìn)行了采用加熱法提取葉蛋白的工藝研究。陳錦屏等人( 1999)在紅棗烘干工藝中，采用3種不同溫度方式烘干的紅棗，經(jīng)95

8、%乙醇浸提得膏后，以乙醚萃取，蒸發(fā)部分乙醚定容后，用GC- 16APTF氣相色譜儀以?xún)?nèi)加法測(cè)定糠醛、5-輕甲醛、水分、總糖和維生素C的含量。結(jié)果表明，用前2種方法烘干的棗及其品質(zhì)比用第3種方法要好。3農(nóng)業(yè)物料的電學(xué)特性及其應(yīng)用 農(nóng)業(yè)物料的電特性可分為2類(lèi)，一類(lèi)是在物料內(nèi)部存在某種能量而產(chǎn)生電位差，例如生物物料中的生物電位差;另一類(lèi)是指影響物料所在空間的電磁場(chǎng)及電流分布的一些特性，包括電阻、電導(dǎo)和介電特性等。農(nóng)業(yè)物料的介電特性是受電場(chǎng)頻率、含水率、溫度及密度的影響。 張立彬等人(1996)采用平板電極，用破壞性方法研究了金帥蘋(píng)果切片組織的介電特性與新鮮度的關(guān)系。結(jié)果表明，在10- 100Hz的測(cè)

9、試頻率內(nèi)，蘋(píng)果的儲(chǔ)藏時(shí)間越長(zhǎng)，蘋(píng)果內(nèi)組織的阻抗值越大，相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗因數(shù)越小，其中在10- 100Hz的頻率范圍內(nèi)，蘋(píng)果的介電特性與新鮮度具有明顯的相關(guān)性。胃芳等人(1997)利用智能LCR測(cè)量?jī)x和平板電極系統(tǒng)，用無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定了桃子在儲(chǔ)藏過(guò)程中電特性的變化。結(jié)果表明:在12- 100Hz的頻率內(nèi)，桃子的最佳測(cè)試頻率為15kH z以下，此時(shí)桃子隨著儲(chǔ)藏時(shí)間增加，等效阻抗增大而相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)減小;當(dāng)桃子開(kāi)始腐爛時(shí)，電特性數(shù)值出現(xiàn)了一個(gè)大的反復(fù)?？得?、余登苑等人(1998)為了研究靜電場(chǎng)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響和更好地利用靜電生物效應(yīng)，設(shè)計(jì)了新型植物靜電促長(zhǎng)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，適

10、宜靜電場(chǎng)的小青菜和番茄，從出苗到成熟，收獲的整個(gè)生育期，生物效應(yīng)是顯著的，經(jīng)lOkV的正靜電場(chǎng)處理，番茄出苗數(shù)增加了30%，產(chǎn)量增加了91.9%，小青菜出苗數(shù)增加了33.4%，產(chǎn)量增加了18.3%。余樹(shù)德等人(1999)利用玉米生理電特性指標(biāo)，診斷旱情。試驗(yàn)中用套針式電阻傳感器測(cè)玉米莖稈生理電阻，用介電常數(shù)變化型平板電容傳感器測(cè)玉米葉片生理電容，都能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映出植株水分狀況，其配套的植物需水信息儀可用于抗旱節(jié)水診斷及自動(dòng)節(jié)水灌溉。4農(nóng)業(yè)物料的光學(xué)特性及其應(yīng)用 反射、吸收、透光和發(fā)光等構(gòu)成了農(nóng)業(yè)物料的光學(xué)特性。光的反射率是反射光強(qiáng)度和入射光強(qiáng)度的比值，與物料的含水率有關(guān)，體現(xiàn)了物料對(duì)光的吸收

11、特性。光的透過(guò)率是光從一個(gè)物體上透過(guò)時(shí)，透過(guò)光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的比值，在實(shí)際使用中往往用透光率來(lái)表示。透光率與物料組成、含水量及致密程度有關(guān)。當(dāng)光線通過(guò)水果時(shí)，一定數(shù)量的射線被吸收。吸收率大小是與物料組成成分、波長(zhǎng)以及光線在物料中移動(dòng)路程長(zhǎng)短有關(guān)。延遲發(fā)光指在用光照射激勵(lì)后的若干秒內(nèi)物料表而會(huì)發(fā)光，這與農(nóng)業(yè)物料的葉綠素含量有明顯的相關(guān)性，延遲強(qiáng)度受多種因素的影響。 光的透過(guò)和反射性已用于電子分選和分級(jí)、成熟度和表而顏色測(cè)定以及研究水果和蔬菜的內(nèi)部特性。以物料的光透過(guò)特性和光吸收特性為基礎(chǔ)的測(cè)試方法用于測(cè)定番茄內(nèi)部顏色、水果成熟度、馬鈴薯內(nèi)部變色、蘋(píng)果的水核及種子的含水量等。光的反射特性可用于分

12、級(jí)和分離夾雜物。馬鈴薯和土塊的反射能力差異很大，因此可根據(jù)光的反射率的不同將2種不同物料分開(kāi)。吳守一等人(1989)介紹了延遲發(fā)光特性，對(duì)果蔬按成熟度及顏色等內(nèi)外品質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和分級(jí)，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。李曉明等人(1993)利用光的反射特性對(duì)桃子進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，在可見(jiàn)波長(zhǎng)內(nèi)反射率差異極微，在800nm以上近紅外波長(zhǎng)域，反射率差異極大。由此可以得出近紅外圖像能夠測(cè)出肉眼看不見(jiàn)的損傷。張?jiān)Ｖ械热?1995)利用光電分選設(shè)備，根據(jù)水果表而顏色信號(hào)的差異進(jìn)行分選，達(dá)到剔除疵料的目的。5農(nóng)業(yè)物料特性應(yīng)用展望 對(duì)農(nóng)業(yè)物料特性研究的目的在于使農(nóng)業(yè)工程提高工作質(zhì)量，減少損失和創(chuàng)立新理論、新原理、新技術(shù)

13、，開(kāi)拓新領(lǐng)域。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)物料特性在農(nóng)業(yè)工程的各個(gè)領(lǐng)域中有了越來(lái)越廣闊的發(fā)展前景。當(dāng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)日益普遍地采用機(jī)械學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)及聲學(xué)等各種技術(shù)和方法來(lái)處理農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，充分了解和掌握農(nóng)業(yè)物料的各種物理參數(shù)和物理性質(zhì)就成為必要條件。近20年來(lái)，我們對(duì)農(nóng)業(yè)物料開(kāi)展了大量的研究工作，為各類(lèi)機(jī)械、設(shè)備的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了原始數(shù)據(jù)，為發(fā)展以植物和動(dòng)物為原料的新消費(fèi)品提供了依據(jù)，為評(píng)定和控制產(chǎn)品的最后質(zhì)量提供了新的方法，并在此基礎(chǔ)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但同時(shí)我們必須看到，迄今為n，對(duì)農(nóng)業(yè)物料物理性質(zhì)的了解還是很不夠的。我們應(yīng)充分利用已有的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的物理特性及其品質(zhì)進(jìn)行深入研究，增加農(nóng)產(chǎn)品的加工和處理能力，促進(jìn)研究成果在生產(chǎn)中的應(yīng)用，推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展。參考文獻(xiàn)騰斌.工俊.果蔬貯藏保鮮技術(shù)的現(xiàn)狀與展望CJ.食品機(jī)械.2001, (4) : 5- 8.成芳.工俊.風(fēng)篩清選裝置上流場(chǎng)的試驗(yàn)研究J).報(bào).19