槟榔果实几何与物理参数测量分析
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摘要：槟榔切片是烘干后初加工的重要工序之一，槟榔的外形尺寸及物理参数存在天然性差异，但均匀对称的切片才能提升干果价值。文章以海南本地槟榔为样本，测量了不同烘干时间后干果的几何尺寸和物理参数，为槟榔干果自动切片机械的设计和优化提供依据。结果表明，在脱水率为78%时，槟榔干果长度45-60mm，主要分布在50mm，腰径（高度和宽度）在15-25mm之间，果壳厚约3mm；密度为0.627g/cm3，不锈钢板上的静摩擦系数为0.309，抗压强度约16MPa。
关键词：海南槟榔；干果加工；几何尺寸；物理参数
1概述
海南槟榔产量占全国的97%以上。海南东部的主要槟榔产区是琼海市、万宁市和陵水县，中部产区是屯昌县、琼中县和五指山市；西部产区是白沙县、东方市和儋州市[1]。尽管2020年的全球蔓延导致经济整体下行，但槟榔被列入肺炎的中药配方对槟榔产业是重大利好。干果的加工方法各有不同，具体工艺流程为：清洗-炮制-上光-烘干-切片-取芯-点卤水调味等，其中对槟榔果的切片加工效果直接决定了产品的最终外观和价值，是槟榔加工中极为重要的一环。槟榔切片目前主要采取手工铡刀剖切，存在效率低、工作强度大、成本高和食品卫生安全不易控制的问题。依靠手工的原因在于槟榔受地理气候环境因素影响，果形尺寸及物理参数存在差异，外观大多不规则，而市场提供的自动切片机械适应性不强、正品产率不高，外观质量欠佳，因而产品贬值导致厂家不愿采用。由于槟榔的切片与槟榔几何参数和物理参数密切相关，加强对槟榔果几何尺寸和物理参数这些基础数据的研究，将有利于切片加工机械的设计和改善产品品质，但目前这方面的研究数据还不多见[2]。本文采用加工企业定点供应的海南槟榔，测量经过不同烘干时间后槟榔干果的几何尺寸和部分物理参数的分布。根据槟榔切片的工艺特点，果实的外形尺寸与装夹定位有关，果实厚度和硬度则影响切片力的大小，因此涉及到如重心、摩擦系数、抗压强度和硬度等参数。其中重心与槟榔果的长度、宽度、高度和密度有关，摩擦系数、抗压强度和硬度的主要影响因素是对应槟榔烘干时间的脱水量。
2实验结果与讨论
2.1几何参数的测量
槟榔属棕榈科植物，果实大致呈椭球形，果皮较软呈淡绿色至黄棕色，断面可见网状沟纹的纤维，能快速风干变硬。实验前将个别干瘪及不成熟的槟榔剔除，随机选取筛选后的槟榔样本100粒，用游标卡尺测量槟榔的长度、腰径（包括宽度和高度）。烘干实验中，称取槟榔鲜果置于电热恒温鼓风干燥箱中烘干。温度保持在80℃，每次烘干4h后从干燥箱中取出，放入置有吸潮硅胶的干燥皿中，冷却后测量其长度、腰径（即高度和宽度）以及重量，如此重复烘干到第5次时，样品前后两次质量差不大于3mg，得到绝干重。槟榔样本随烘干时间其外形尺寸变化的测量平均值如表1。根据表1中样本组1的测量结果绘图如图1。烘干过程中槟榔长度变化不大，但腰径变化较大，其中高度和宽度的变化基本相同，这是由于槟榔纤维呈长度方向分布，烘干时径向收缩远小于横向，横向收缩各向均匀。果实样本烘干12小时后几何尺寸的统计分布如图2。可以看出，尽管槟榔尺寸分布较分散，但其长度、宽度和高度以及果肉厚度均有一个集中分布的区域。长度的分布区间为40-60mm，平均值略为45mm；腰径分布为15-25mm，随槟榔长度增加，腰径并不明显增加；槟榔的果壳厚度变化不大，平均在3mm。
脱水率：脱水率定义为（M新鲜-Mn/M新鲜）×100%。考虑到槟榔干果的纤维性和咀嚼效果，槟榔不能烘干至完全没有水分，实际烘干时使果实重量下降到鲜果重量的25%-30%，即干果脱水率为75%-70%为宜。参考食品中水分的测定方法[3]，称取槟榔鲜果M新鲜，烘干工艺如前述，每次烘干n小时后测量其重量Mn，求出相应的脱水率。烘干12小时后干果脱水率为79%，而且同一批样本的结果差异不大。槟榔干果脱水率随烘干时间的变化如图3。密度：槟榔密度的测量方法采用阿基米德定律法。测量的原理是，物质的密度ρ等于其质量除于体积，即:准确称量得到槟榔的质量M，然后通过排水法测量槟榔的体积v，就可求出ρ槟榔。实验步骤是，（1）称取槟榔的质量M；（2）称取装有水的容器的质量M1；（3）将支架置于桌面，用支架上的金属丝固定住槟榔并放入水容器，使槟榔完全浸入水中但不接触容器底，称出此时装有槟榔和水的容器质量M2。由于槟榔受到的浮力F浮力等于它的体积所排开的水的重量，因此:槟榔干果的内部是空心结构，为准确测量槟榔的密度ρ物，需要将槟榔剖开再进行密度测量。由于槟榔干果浮于水面，即比重小于水的比重，需用硬的金属丝扎紧槟榔放入水中。实验前还需先在槟榔样本表面涂抹石蜡，防止因吸水而引起误差。测量结果如图4，由此得到槟榔干果脱水率为78%时密度平均值为0.627g/cm3。静摩擦系数：测量了槟榔干果在几种材料平板表面的静摩擦系数。测定时将不同脱水率的槟榔置于材料平板上，通过旋动装置逐渐抬高槟榔所在的平板一端，记录槟榔刚好滑下时平板与水平面之间的夹角即摩擦角，每组样本测量5次然后取平均值，然后求出对应的静摩擦系数μ=tanα，结果如图5所示。静摩擦系数与槟榔的脱水率明显相关。脱水率为43%时静摩擦系数变大，这可能是槟榔干燥后表面纤维有所外露，使粗糙度增大；随着脱水率继续增大，槟榔密度增大表面也变得紧密光滑，使静摩擦系数变小。脱水率为78%时，槟榔在有机玻璃、铝合金、45#钢和不锈钢平板上的静摩擦系数分别为0.328、0.433、0.459和0.309。抗压强度：槟榔的抗压强度是单位面积的干果破坏前所能承受的最大压力[4]。槟榔的抗压强度决定切片力的大小，由于槟榔与木材均是纤维质材料，依据木材抗压强度试验方法对槟榔干果进行抗压强度的测量。实验方法是，由表1所示的3个样本组中，将不同烘干时间的槟榔剖开，放在抗压强度试验机上对其均匀缓慢加载，直至槟榔试样破坏，记录槟榔的破坏载荷Pmax，由此求出抗压强度σ=Pmax/A，式中A是槟榔的受力面积。测量数据求平均值，得到的不同脱水率槟榔的抗压强度如图6。可以看出，在测量范围内槟榔的抗压强度与脱水率之间呈近似线性关系，烘干时间越长槟榔的脱水率越大，干果硬度越高，抗压强度也随之增大。
3结论
对海南槟榔果的几何和物理参数进行了实验测量分析，得到以下结果：（1）烘干槟榔重量下降到鲜果重量的22%即脱水率为78%时，槟榔干果长度45-60mm，主要分布在50mm，腰径（高度和宽度）在15-25mm之间，果壳厚度约3mm。（2）槟榔脱水率为78%时，根据阿基米德定律法测出槟榔的密度约为0.627g/cm3；利用斜面法测量了槟榔在有机玻璃、铝合金、45#钢和不锈钢上的静摩擦系数分别为0.328、0.433、0.459和0.309；抗压强度的测量均值为16MPa。
参考文献：
[1]柯佑鹏.乡村振兴背景下海南槟榔产业兴旺思考[J].今日海南，2019（4）：56-57.
[2]周超伦.槟榔切籽机的研究和设计[D].广东工业大学，2015.
[3]食品中水分的测定方法[S].GB/T5009.3，2003．
[4]刘鸿文．材料力学[M]．北京：高等教育出版社，2004．
作者：傅琪彦 符秀娟 陈俊波 林丽珍 丁兆建 单位：海南职业技术学院