全 文 ：香榧青果的物理特性和其坚果力学特性研究
宋慧芝，张京平，何 勇
(浙江大学 生物系统工程与食品科学学院，杭州 310029)
摘 要: 通过测定的香榧假种皮青果、坚果和内仁的物理特性，包括其三轴尺寸、类球度、表面积等，对各种基本
物理参数进行了分析总结;测定了不同含水率香榧坚果和内仁的破坏力、变形量，计算了香榧坚果和内仁的破坏
能、刚性量。同时，分析了各压缩指标随含水率的变化规律，为香榧的采收、去皮加工、品质评价以及有关去假种
皮机和破壳机械设备的设计、开发提供了有价值的参考依据。
关键词:香榧;物理特性;力学特性
中图分类号:TH113;O242． 82 文献标识码:A 文章编号:1003－188X(2011)11－0170－04
0 引言
香榧为我国特产，是集果用、药用、油用、观赏等
多种用途于一身的优良经济树种，果实是我国特有珍
稀干果。
采收后的香榧坚果外面有一层很厚的肉质化假
种皮(下称青果，见图 1) ，约占种子鲜重的 50% ～
60%。在炒制香榧坚果之前，必须破除其青果外皮。
由于香榧果皮紧贴坚果外壳，目前人们采收后脱除香
榧假种皮的方法是手工一一剥除果皮以获取香榧坚
果，既费时又费力，这极大地限制了香榧的生产效率。
因此，致力于研究香榧青果的物理特性和香榧坚果壳
的受载力学特性，使得脱皮率、坚果提取完整率最大，
将为香榧的脱除假种皮技术与装备设计等提供有力
的科学依据。
目前，国外对坚果的相关物理特性研究较深入，
如腰果［1］、bambar 花生［2］和槟榔［3］。许多研究者测量
了坚果的力学特性，如澳洲坚果［4］、酪脂坚果［5］和胡
桃［6］。Aydin ［7］在世界主要的榛子生产国家—土耳其
研究了榛子的物理特性，也测量了坚果的破坏力。
本文主要研究香榧果(青果、坚果和内仁)的物理
特性和其坚果与内仁的力学特性。通过压缩试验，获
得含水率分别为 0，3%，6%，9%，12%，15%，18%
(w． b．)的香榧坚果与仁各压缩机械特性指标，包括
破坏力、破坏形变量、破坏能以及刚性量等，分析香榧
收稿日期:2011－01－11
基金项目:浙江省科技厅资助项目(2007C32031)
作者简介:宋慧芝(1963 －) ，女，上海人，副教授，(E－mail)songhz@
zju． edu． cn。
通讯作者:何 勇(1963－) ，男，浙江慈溪人，教授，博士生导师，(E－
mail)yhe@ zju． edu． cn。
各压缩特性指标随含水率、压缩方向的变化规律，并
对压缩方向、含水率对各项指标的影响机理进行探
讨，为香榧的采收、去皮加工、品质评价以及有关去假
种皮机和破壳机械设备的设计、开发提供有价值的参
考依据。
图 1 香榧假种皮青果
Fig． 1 The tor aril
1 材料与方法
实验所用的香榧来自浙江诸暨枫桥采摘的香榧
青果。首先对香榧果进行手工筛选，剔除表面有损
伤、开裂、病虫害的香榧。然后用电子天平测量经过
筛选的 180 粒香榧果的质量，并用精度为 0． 02mm 的
游标卡尺测量其三轴尺寸。随后剥除假种青皮获得
香榧坚果，测量其质量和三轴尺寸等物理参数，再分
别放入烘干箱和 RXZ型人工智能气候箱中几天，使其
含水率分布一致。利用以上方法制备试验所需的材
料，得到分别为 0，3%，6%，9%，12%，15%，18%(w．
b．)的香榧坚果，测量其力学特性。
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DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2011.11.047
1． 1 尺寸大小、类球度和表面积
用游标卡尺对香榧青果的三轴尺寸进行测定，即
长度尺寸 L、宽度尺寸 W、厚度尺寸 T，单位为 mm。三
轴尺寸的定义如图 2 所示，几何特性如表 1 所示。
图 2 香榧的三轴尺寸
Fig． 2 The three－axis size of torreya
香榧的几何平均径 Dg(mm)根据 Mohsenin(1978)
的公式进行计算，即
Dg=(LWT)1 /3 (1)
香榧的三轴算术平均径 Da根据公式进行计算，即
Da=(L+W+T)/3 (2)
香榧的类球度 Sp 是表示物体实际形状和球体之
间的差异程度，球度数值越大，说明物料形状越接近球
体。根据 Olajide＆Igbeka(2003)和 Mohsenin(1978)的
定义，根据公式进行计算，即
Sp=(LWT)1 /3 /L×100 =Dg /L×100 (3)
式中 Dg—香榧几何平均径(mm)。
表面积 S是物料的一个重要原始数据。香榧表面
积的测定，采用 Baryeh(2001)和 Mohsenin(1978)的公
式进行计算，即
S=π·Dg2 (4)
1． 2 香榧坚果力学特性的测定
1． 2． 1 破坏力与变形量
香榧在万能试验机上进行轴向压缩试验，试验设
备采用美国进口的 INSTRON出产的万能物料试验台，
其探头为凸椭圆，直径为 14mm，压缩的速度为 10mm /
min。压缩载荷与变形量是表示香榧压缩强度的重要
指标，表示香榧宏观结构的破坏力一般用 Fr 表示，单
位为 N;在横轴上对应的点就是籽粒外壳破裂时所产
生的变形量，一般用 Dr 表示，单位为 mm。
表 1 香榧青果、坚果和内仁的几何特性
Tab． 1 The geometric properties of the torreya aril ，nuts and kernels
特性 香榧青果 香榧坚果 香榧仁
长度 /mm 31． 831 7±5． 861 3 29． 626 7±5． 126 7 25． 281 9±6． 498 0
宽度最大直径 /mm 18． 447 7±2． 952 3 12． 858 3±2． 158 3 10． 216 7±9． 898 5
宽度最小直径 /mm 15． 746 7±3． 253 3 11． 876 9±2． 186 0 9． 114 7±2． 181 0
质量 / g 7． 128 2±3． 208 2 2． 458 6±1． 131 4 1． 148 7±0． 559 6
表面积 /mm2 1 383． 324 5±46． 122 8 858． 966 6±26． 262 1 555． 697 1±84． 774 7
类球度 /% 65． 938 2±10． 902 3 55． 826 5±10． 407 3 52． 619 2±10． 309 0
1． 2． 2 破坏能
破坏能就是使香榧外壳破裂所需要的最小能量，
破坏能的计算可以利用微积分的方法求得，但目前大
多根据 Braga etal． (1999) ，Gupta＆Das(2000) ，Mohse-
nin(1978)等人的方法作近似计算，即
Ea=1 /2·Fr·Dr (5)
式中 Ea—香榧破坏能(mJ) ;
Fr—香榧的破坏力(N) ;
Dr—香榧破坏变形量(mm)。
1． 2． 3 刚性量
材料的刚度是指材料抗压能力的强弱。目前，刚
性量的计算一般根据 Gupta＆Das(2000) ，Olaniyan＆Oje
(2002)等人的方法进行，即
P=Fr /Dr (6)
式中 P—刚度(N /mm) ;
Fr—断裂力(N) ;
Dr—作用点的形变(mm)。
2 结果与讨论
2． 1 尺寸、大小、类粒球度和表面积
香榧青果与坚果以及内仁的物理特性记录于表 1
中。表 1 给出了 180 个香榧青果与坚果以及内仁的
长度、最大截面最大直径、最小截面最小直径、球度、
质量、表面积的平均值和基本偏差。
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2． 2 力学特性
2． 2． 1 压缩变形特性
不同含水率的香榧坚果壳压缩变形曲线如图 3
所示。随着含水率提高，香榧压缩变形曲线的斜率变
小，即刚度随含水率增大而减小。
图 3 不同含水率的压缩变形曲线
Fig． 3 The compression deformation curve of Different moisture content
香榧坚果壳眼位置和香榧仁最大破坏力与含水
率的相关性如图 4 所示。香榧仁的强度随着含水率
增高而降低，香榧外壳处的强度在 0 ～ 3%，9% ～ 18%
含水率时降低，而在 3% ～ 9%时增高。
图 4 外壳和内仁破坏力与含水率关系
Fig． 4 The correlation between the intensity of nuts，
kernels and moisture content
香榧壳眼位置和果仁破坏变形量与含水率的相
关性，如图 5 所示。由图 5 可知，坚果壳和仁的破坏
变形量随含水率的增大而增大，其中不同含水率下香
榧仁破坏变形量差异较显著。
2． 2． 2 破坏能
香榧坚果壳眼位置的破坏能的大小反应了香榧
外壳破裂的难易。香榧坚果在宽度(W)方向压缩试
验后，其破坏能与各种含水率的关系如图 6 所示。香
榧壳眼位置破坏能随含水率的变化较小，而果仁与含
水率之间有显著的相关性。因此，刚采摘的香榧果脱
皮后的坚果壳的含水率约在 4% ～ 6%，有利于机械给
力去皮以减少坚果壳和果仁的破损率。
图 5 外壳和内仁变形量与含水率关系
Fig． 5 The correlation between the deformation of nuts，
kernels and moisture content
图 6 外壳眼和仁的破坏能与含水率关系
Fig． 6 The correlation between the destruction energy of nuts，
kernels and moisture content
2． 2． 3 刚性量
刚性量是单位形变所需要的破坏力香榧坚果外
壳眼位置和果仁的刚性量与各种含水率之间的关系
如图 7 所示。
图 7 外壳眼和内仁的刚性量与含水率关系
Fig．7 The correlation between the stiffness of nuts，kernels and moisture content
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由图 7 可知，香榧坚果壳和内仁的刚度都随含水
率的提高而下降。
3 结论
通过测定的香榧假种皮青果、坚果和内仁的物理
特性，包括其三轴尺寸、类球度、表面积等，对各种基
本物理参数进行了分析总结;测定了不同含水率香榧
坚果壳眼位置和内仁的破坏力、变形量，计算了香榧
壳眼位置和香榧仁的破坏能、刚性量，分析了各压缩
指标随含水率的变化规律。主要结论如下:
1)香榧个数随着形状尺寸成正态分布。其中，约
68%香榧青果的长度为 31 ～ 35mm，约 72%的香榧青
果最大截面最小直径为 17 ～ 20mm，约 75%的香榧坚
果壳最大截面最大直径为 15 ～ 18mm。约 76%香榧坚
果壳的长度为 27 ～ 32mm，约 65%的香榧坚果壳最大
截面最小直径为 11 ～ 13mm，约 86%的香榧坚果壳最
大截面最大直径为 11 ～ 14mm。约 84%香榧仁的长度
为 23 ～ 27mm，约 86%的香榧仁最大截面最小直径为
7． 5 ～ 10． 5mm，约 92%的香榧仁最大截面最大直径为
8． 5 ～ 11． 5mm。
2)随着含水率提高，香榧压缩变形曲线的斜率变
小，即刚度随含水率增大而减小。
3)坚果壳和仁的破坏变形量随含水率的增大而
增大，其中不同含水率下香榧仁破坏变形量差异较为
显著。
4)香榧壳眼位置破坏能随含水率的变化较小，而
果仁与含水率之间有显著的相关性。因此，刚采摘的
香榧果脱皮后的坚果壳的含水率约在 4% ～ 6%，有利
于机械给力去皮，减少坚果壳和果仁的破损率。
参考文献:
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［6］ Koyuncu M A，Ekinci K，Savran E． Cracking characteristic of
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［7］ Aydin C． Physical properties of hazel nuts［J］． Biotems Engi-
neering，2002，82:297－303．
Research on Physical and Mechanical Property of Chinese Torreya
Song Huizhi，Zhang Jingping，He Yong
(College of Biosystems Engineering and Food Science，Zhejiang University，Hangzhou 310029，China)
Abstract:Various physical properties of Chinese torreya aril，nuts and kernels was determined including its the three－ax-
is size、sphericity and surface area，each physical parameter was analyzed;the intensity and the deformation of the torreya
nut and kernels was determined with increasing moisture content，the destruction energy and the stiffness has been calcu-
lated． The compression index with the variation of moisture content has been analyzed． Offering reference for the the Tor-
reya harvesting and peeling process and designing equipment of the torreya peeling．
Key words:Chinese torreya;physical property;mechanical property
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