厄瓜多尔四大花生品种的物理力学特性研究及其在产后加工设备优化中的应用

《International Journal of Food Properties》：Physical and mechanical properties of peanut kernel from four cultivars grown in Ecuador

本文系统测定了厄瓜多尔马纳比省四大主栽花生品种（Rosita、Charapotó、Barriga de Sapo、Caramelo）的物理力学特性，为当地小型农户设计适配的产后加工设备提供了关键工程参数。研究涵盖了籽粒几何尺寸、质量、真实密度、堆积密度、休止角（angle of repose）、摩擦系数（μs, μd）及滚动阻力系数（ρs, ρd）等指标。结果表明，90.5%的籽粒赤道直径（6.8–10.28 mm）适用于机械分级；休止角（28–31°）显示其优异流动性；橡胶表面摩擦与滚动阻力最高（μs=1.10, μd=0.95），不锈钢最低。该数据集为材料选择（如选用不锈钢以降低能耗）、基于密度的质量控制以及离散元法（DEM）/计算流体力学（CFD）模拟提供了重要输入，直接支持播种机、输送机和存储系统的本地化优化设计，对促进可持续农业（UN SDG 2）具有重要实践意义。

　　

引言

花生（Arachis hypogaea L.）作为一种原产于南美洲的豆科作物，在全球范围内广泛种植，是食用油、食品和饲料的重要原料。在厄瓜多尔，特别是马纳比省，花生是当地饮食的重要组成部分。然而，该地区的小规模花生生产者面临进口产后机械成本高、获取难的问题，导致产后损失严重和产品质量下降。设备不匹配是发展中地区花生产后加工中的常见挑战，这主要是由于缺乏针对当地品种的工程数据。因此，本研究旨在测定四种在当地种植的花生品种（Rosita、Charapotó、Barriga de Sapo 和 Caramelo）籽粒的物理和力学特性，为设计和开发经济实惠、适应当地条件的产后技术提供基础数据。

表征品种特异性的工程特性对于设计和适配加工系统至关重要。先前在印度、尼日利亚、土耳其等地区的研究已将籽粒大小、密度和摩擦特性与机械性能联系起来。花生的物理和力学特性显著影响播种、收获和产后加工机械的设计。例如，播种机需要具有优化细胞几何形状的计量机构以确保高效种植。干燥、烘烤、分级、碾磨和包装等产后操作也取决于这些特性。较低的堆积密度通常表明花生质量较差，可能由虫害侵扰导致。此外，摩擦特性（如静摩擦系数和休止角）对于设计卸料斗、刮板输送机、螺旋输送机以及花生油加工中的存储仓至关重要。

近年来，计算建模的进展进一步强调了准确表征可食用籽粒物理力学特性的重要性。有限元分析（FEM）已广泛用于预测存储结构中的应力分布和评估籽粒的冲击损伤。同时，计算流体力学与离散元法耦合（CFD-DEM）需要精确的摩擦系数和颗粒特性来模拟颗粒流动。离散元法（DEM）本身依赖于准确的输入参数，包括摩擦和恢复系数，以真实模拟颗粒-颗粒和颗粒-表面的相互作用。最近，结合几何和物理特性的人工智能（AI）方法已越来越多地应用于开发先进的收获和产后技术。

材料与方法

实验在厄瓜多尔马纳比技术大学基础科学研究所（ICB）进行。研究了四种花生品种的籽粒物理特性：尺寸参数（长度、赤道直径和圆度系数）、质量-体积关系（质量、真实密度、堆积密度和孔隙率）、力学特性（静动态摩擦系数、静动态滚动阻力系数）。样品制备过程中，每种品种的花生籽粒样品均来自马纳比省，通过连续四分法获得200颗代表性籽粒。籽粒的平均水分含量为9.8 ± 0.6%（湿基）。

物理特性的测定包括：使用精密天平测量质量（m）；使用数显卡尺测量长度（L）和赤道直径（ED）；根据公式Cr = ED / L计算圆度系数（Cr）；通过排水法测定真实密度（ρ_t），计算公式为ρ_t= m / V_s，其中V_s为排水体积；通过将籽粒自由倒入量筒测定堆积密度（ρ_b），计算公式为ρ_b= m / V_t，其中V_t为总体积；根据公式ε = (1 - ρ_b/ρ_t) * 100计算孔隙率（ε）。

力学特性的测定包括：使用活动箱法（平行壁法）测定休止角（φ）。使用可倾斜平面装置测定静摩擦系数（μ_s）和动摩擦系数（μ_d），计算公式分别为μ_s= tanφ 和 μ_d= tanφ′，其中φ和φ′分别为开始滑动和维持滑动的角度。使用类似装置，通过将籽粒横向放置测定静态滚动阻力系数（ρ_s）和动态滚动阻力系数（ρ_d），计算公式分别为ρ_s= tanθ_s和 ρ_d= tanθ_d，其中θ_s和θ_d分别为开始滚动和维持滚动的角度。测试表面包括橡胶、不锈钢和碳钢。所有测量均在受控实验室条件下进行，并使用Statgraphics Centurion 19软件进行统计分析（ANOVA，Duncan检验，α=0.05）。

结果与讨论

物理特性

对每种品种100颗籽粒的质量频率直方图分析显示，质量分布因品种而异。Barriga de Sapo品种的籽粒质量最高（0.68 ± 0.009 g），而Rosita的质量最低（0.45 ± 0.08 g）。方差分析揭示了品种间存在统计学显著差异。

籽粒长度在品种间差异显著，范围在12.64–16.02 mm之间，Rosita最短，Caramelo最长。方差分析和Duncan检验证实了多数品种间平均长度的显著差异。

赤道直径分析也显示出显著的品种差异，Barriga de Sapo的平均直径最大（9.27 mm），Rosita最小（7.69 mm）。频率分析表明，90.5%的籽粒赤道直径落在6.8–10.28 mm范围内，这与厄瓜多尔花生产业当前使用的机械化分级系统的最佳尺寸相符，表明现有加工设备能够有效处理大多数当地品种。相关性分析显示，籽粒长度与赤道直径之间的相关性较低，表明赤道直径是表征花生几何形状的有效参数。

圆度系数分析表明，Barriga de Sapo（0.65 ± 0.006）和Rosita（0.61 ± 0.007）的球形度最高。这些值表明花生籽粒呈中等球形（非圆形形态），可能倾向于滚动而非滑动，这对加工设备的设计有影响。

真实密度测量显示品种间存在差异（1016.13–1055.80 kg/m³），所有值均高于水的密度，这与静水测试中超过90%的籽粒下沉的现象一致。研究结果与全球其他花生品种的报告范围基本一致。

堆积密度值范围在588至603.4 kg/m³之间，Rosita和Caramelo最高，Barriga de Sapo最低，这归因于其较大的籽粒尺寸产生了更大的间隙空间。方差分析表明品种间无显著差异。Pearson相关性分析显示，籽粒质量与堆积密度呈中度正相关，而与真实密度的相关性弱且不显著。孔隙率与堆积密度呈强负相关。孔隙率值在71.18%至80.89%之间，品种间无显著差异。

力学特性

休止角分析显示品种间存在差异，Barriga de Sapo的值最高（30.5°），其次为Rosita（28.8°）和Charapotó（28.4°）。所有测量值在28.4–30.5°之间，表明花生籽粒具有优异的流动性，这有利于设计料斗、输送机和卸料槽的倾角。

摩擦系数和滚动阻力系数的测定结果一致表明，静态值高于动态值，这与克服初始惯性需要更大力的普遍现象一致。所有测试表面（橡胶、不锈钢、碳钢）的静摩擦系数（μ_s）和动摩擦系数（μ_d）均显示出统计学显著差异。橡胶表面产生的摩擦系数最高（例如，Barriga de Sapo在橡胶上的μ_s= 1.10 ± 0.01），而不锈钢表面的摩擦系数最低。这种等级顺序（橡胶 > 碳钢 > 不锈钢）符合摩擦学原理，即较软的表面对应较高的摩擦阻力。

静态滚动阻力系数（ρ_s）和动态滚动阻力系数（ρ_d）也表现出表面依赖性行为。橡胶表面的滚动阻力最高（例如，Rosita在橡胶上的ρ_d= 0.38 ± 0.006），不锈钢和碳钢表面较低。统计分析证实了表面类型间的显著差异。

这些力学特性结果与来自印度、土耳其和加纳的花生品种报告的范围基本一致，表明厄瓜多尔花生尽管生长环境不同，但表现出相似的工程行为。摩擦和滚动阻力数据对于选择加工设备接触面材料以优化物料流动和最小化能耗至关重要。

研究意义与局限性

对花生及其他食品籽粒物理力学特性的全面测定，包括水分含量、几何尺寸、密度、孔隙率、休止角以及静动态摩擦和滚动系数，对于优化产后系统至关重要。这些参数是设计清洗、分选、干燥和输送设备的基础，直接影响能源效率和产品质量保持。本研究提供的数据库支持材料选择（例如选用不锈钢以降低能耗）、基于密度的质量控制以及离散元法（DEM）和计算流体力学（CFD）模拟的输入，这对于开发适应当地条件的播种机、输送机和存储系统具有重要意义。

本研究的一个局限性是缺乏离散元法（DEM）校准所需的动态接触参数，特别是籽粒-籽粒摩擦系数和恢复系数（Coefficient of Restitution）。虽然使用倾斜平面法实验测定了静动态摩擦系数，并在准静态条件下提供了有效的宏观值，但动态接触参数的直接测量超出了可用仪器的范围。未来的工作应通过受控冲击试验或基于DEM的反向校准来解决这些方面，以实现更准确的花生籽粒流动和产后处理计算模拟。

结论

本研究全面表征了在厄瓜多尔种植的四种花生品种（Rosita、Charapotó、Barriga de Sapo 和 Caramelo）的物理和力学特性，对产后加工和设备设计具有重要启示。

主要发现包括：籽粒质量、长度和赤道直径存在显著的品种差异，影响着分级、排序和包装效率。真实密度和堆积密度与全球研究一致，而孔隙率高于某些品种，这些特性对于仓筒设计、干燥优化和气力输送至关重要。在测试条件下测得的休止角为28–31°，表明流动性优异，可指导设计仓筒、播种机和卸料系统，以防止堵塞。橡胶表面的静动态摩擦系数和滚动阻力最高，而不锈钢表面最低，这对选择料斗角度和输送带材料具有指导意义。

最终，这些数据为在厄瓜多尔条件下进行花生处理和存储系统的离散元法（DEM）模拟及机械设计提供了必要的输入参数，能够更准确地预测籽粒相互作用、流动模式和工艺性能，从而促进适合当地小规模农户的、经济高效的产后技术的开发，支持该地区的农业可持续性和生产力。