各种粮食的物理特性

粮粒及粮堆的构成粮食是小麦、稻谷、玉米、谷子、大麦等禾谷类籽粒及薯类、豆类等的总称。由于受到遗传特性、地理环境和栽培条件等因素影响，每一种粮食的形态特征各不一样，具有独特的形态结构、物理性质和化学性质，既有共性，又有个性，这些都对粮油储藏产生有利或不利的影响。粮食的构成归纳为：从粮油储藏的角度出发，粮食中包围在胚和胚乳外部的种皮，形成了抵御不利储藏环境的保护组织，对粮食储藏是有利的。而粮粒的胚部则含有较多的营养成分和水分，生命活动旺盛，最容易受到虫霉感染。一般说来，胚越大，储粮稳定性越差，这是储粮不利的一面。因此，各种粮食构造不同，是导致各种粮食储藏稳定性差异的原因之一。粮食颗粒堆聚而成的群体叫做粮堆。粮食储藏研究的对象是粮食群体，而不是单一的粮食籽粒。据测定500克稻谷约20000粒、小麦15000粒、玉米1500——2000粒、蚕豆400——600粒、油菜籽170000——240000粒。通常粮仓装粮50——250万千克，形成数目相当大的粮粒组成的粮食群体——粮堆。影响粮食储藏稳定性和粮食储藏质量的主要物理因素是粮食的散落性、自动分级、孔隙度，对于各种蒸气和气体的吸收、吸附和解吸能力以及粮食的热传导、湿热扩散与热容量等。在粮堆这个特定的环境中，这些基本物理因素直接影响储粮稳定性。粮食的流散特性粮食的流散特性主要包括散落性、自动分级、孔隙度等。这是颗粒状粮食所固有的物理性质。粮食具有流散特性的根本原因是粮粒之间的相互作用力——内聚力小，不足以在重力的作用下使粮粒保持垂直稳定，致使粮食在堆装、运输、干燥、加工等过程中表现出流散特性。一、散落性粮食在自然形成粮堆时，向四面流动成为一个圆锥体的性质称为粮食的散落性。粮食的颗粒大小、成熟度的差异、杂质数量的多少等都和散落性密切相关。粮食散落性的好坏通常用静止角表示。静止角是指粮食由高点落下，自然形成圆锥体的斜面与底面水平线之间的夹角。静止角与散落性成反比，即散落性好，静止角小；散落性差，静止角大。粮粒在粮堆斜面上停止或运动与否，受到粮粒在斜面上受力的制约。图1-2是粮粒在斜面上受力分析图：重力G可分解为垂直压力N和倾斜分力P，如忽略粮粒间高低不平的相互作用力，粮粒在斜面上还受到摩擦力F，如果粮粒与粮堆的斜面摩擦系数为f，则摩擦力F为N*f。图中分力P是使粮粒下落的力，F是阻碍粮粒下滑的力，当PF时，粮粒就下落，当PF时，粮粒就停留在斜面上。粮粒的大小、形状、表面光滑成度、容量、杂质含量都对粮食的散落性有影响。粒大、饱满、圆型粒状、比重大、表面光滑、杂质少的粮食散落性好，反之则散落性差。不同粮食之间，上述外观特征明显不同，因此，具有不同的散落特性。表中给出了主要粮种静止角的大小。表1-1主要粮食的静止角（度）粮种静止角起静止角止变动范围小麦233815大麦284517玉米304010稻谷37458大米233310糙米27281大豆24328黍20255芝麻24308油菜籽20277表中所示，大豆粒大、呈圆型、表面光滑，其散落性比粒形较小、表面粗糙的稻谷好的多。此外，粮食中含杂量增加，其散落性会降低，粮食水分含量增加散落性也降低。这是由于粮食水分增加，使粮食表面粘滞，粮粒间的摩擦力增大的结果。当粮食发热霉变后，散落性会完全丧失，形成结顶。表1-2给出了同一种大豆含水量、含杂率与散落性的关系。表1-2大豆水分含量与含杂率对静止角的影响粮种水分%静止角含杂率%静止角大豆11.223.33.025.0大豆17.725.41.023.8粮食散落性的另一量度是自流角。自流角是粮粒在不同材料斜面上，开始移动的角度，即粮粒下滑的极限角度。自流角是一个相对的值，它既与粮粒的物理特性有关，又与测试时用的材料有关。同种粮食在不同的材料上测定的自流角不同，不同种粮食在相同的材料上自流角也不相同。粮食的自流角是粮堆的外摩擦角。表1-3给出了三种麦类在不同材料上的自流角。表1-3三种麦类在不同材料上的自流角粮种刨光木板铁板小麦24-2724-28大麦26-2725-30燕麦26-2821-25自流角表示的是某种粮食在某种材料上的滑动性能。自流角愈大，滑动性能愈差；自流角愈小，滑动性能越好。粮食的散落性在粮食储藏、装卸运输机械及储藏设施的设计中都是一个重要因素。储藏期间散落性的变化，可在一定程度上反映粮食的稳定性。安全储藏的粮食总是具有良好的散落性。如果粮食出汗、返潮，水分增大，霉菌滋生，就会使散落性降低；严重的发热结块会形成90度角的直壁状，完全丧失散落性。散落性好的粮食，在运输过程中容易流散，对于装车、装船、入仓出库操作较方便，可节省劳力与时间。但是散落性较大的粮食对装粮容器的侧压力也大。装粮时对散落性大的粮食就要降低堆装高度，对散落性较小的粮食则可酌情增加高度。粮堆对仓壁的侧压力可按下式简化计算：P=1/2γh2tg(45°-α/2)式中：P——每米宽度的仓壁上受的侧压力（千克/米）；γ——粮食的容重（千克/立方米）；h——粮食的堆高（米）；α——粮食的静止角。生产中计算侧压力，用于确定不同粮食的堆粮线和堆垛形式，对仓墙强度不够的仓房，常采取包打围的作法。散落性是确定自流设备的理论依据。当使用输送机送粮食时，输送机皮带和水平面的夹角应小于自流角和静止角；当安装淌筛和自流管时，淌筛面、自流管面和水平面的夹角应大于自流角和静止角，这样才能保证设备的正常运转。┃二、自动分级一般说来，任何一批粮食，都是非均质的聚集体。粮粒有饱满的、瘪瘦的、完整的、破碎的，形态多种多样。杂质也轻重不同，大小不一。在散落时彼此受到的摩擦力和重力不同，运动状态也不同。因此粮食在震动、移动或入库时，同类型、同质量的粮粒和杂质就集中在粮堆的某一部分，引起粮堆组成成分的重新分布，这种现象称为自动分级。例如，小麦在形成粮堆时的自动分级现象，从顶部到底部各个部位的组分呈现出有规律的分布：破碎粒、轻浮夹杂物、杂草种子在底部比顶部为多（见表1-4）。表1-4自然形成粮堆时的分级情况品质指标圆锥体顶部圆锥体基部容重（克/升）70.766.7绝对重量16.315.2破碎粒%1.842.20较轻杂质%0.512.14杂草种子%0.321.01砂石杂质0.130.49瘪粒%0.090.47自动分级现象的发生与粮食输送移动时的作业方式、仓库类型密切相关。作业方式不同，自动分级状况也不相同；仓房不同，自动分级现象也不相同。按其作业方式、仓房类型和粮堆形成的条件可大体分为四种情况：（一）自然流散成粮堆粮食自高点自然流散成粮堆时，粮粒与粮粒之间、粮粒与杂质之间以及杂质与杂质之间受到的重力、摩擦力不同，同时落下时受到的气流浮力也不相同。这些差异相互作用的结果使较重的杂质落在圆锥体的中心部位，而较轻的、破碎的粮粒及杂草种子就沿着斜面下滑至圆锥体的底部。因此，随着圆锥体的不断扩大，杂质就在圆锥粮堆的底部不断积累，最终形成基底杂质区(图1-3）。（二）房式仓入粮房式仓粮食入库一般有输送机进粮和人工入粮两种。输送机进粮又分移动式和固定式。若移动式入库，一般是输送机头先从仓山墙处开始，随入粮逐步由内向外退移。因此，饱满的粮粒和沉重的杂质多汇集于机头落下的粮堆中央部位；沿输送机两侧的粮食含有较多的瘪粒和较轻的杂质，形成带状的杂质区；在皮带输送机下形成糠壳杂质区。若固定式入库，粮食入库就有多个卸粮点，那么像自然流成堆一样，在一个仓房内部形成多个圆窝状杂质区，即每个卸粮点有一个基底状杂质区。房式仓人工入粮时，由于倒粮点分散，边倒边匀，自动分级就不明显，杂质组合比较均匀。（三）立筒仓进粮立筒仓因筒身较高，粮粒从高处落下，下落的粮食流动会带动空气运动，在仓内形成一个涡旋气流（图1-4），涡旋气流的运动，将粮面细小的、较轻的杂质吹向筒壁。随着粮面在仓筒内逐渐升高，靠近筒壁处形成环状轻型杂质区。而沉重的杂质多集中在落点处，形成一个柱状重型杂质区。出仓时正好相反，比较饱满和比重大的粮粒首先流出，靠近仓壁的瘪小籽粒和轻浮杂质后流出。所以粮食品质也因出仓的先后不同而差异（表1-5）表1-5筒仓粮食进、出仓自动分级现象作业部位容重（克/升）碎粒%不饱满粒%杂质%进仓中心704.11.840.090.60仓壁667.52.200.473.80出仓出粮30分钟6661.801.542.50经3.5小时6603.505.02.98经4.5小时4961.709.019.90按自动分级形成的原因，自动分级又可归纳为重力分级、浮力分级和气流分级。重力分级的情况明显地发生在有震动运输过程中。如散装粮食长途运输后，大而轻的物料就会浮在最上面，细而重的物料就会沉到底部，而较细、较轻、较重的物料分于两者之间，从而形成了分层现象。浮力分级是说明粮粒下落过程受力不同而造成自动分级的。粮粒g由高点下落，会受到空气的阻碍作用，空气对粮粒产生浮力p（见图1-5）。当Pg时，粮粒飘浮走；Pg时，粮粒下落；P=g时，粮粒悬浮。显然，当气流的浮力一定时，重的粮粒下落速度较快，轻的粮粒下落较慢。而轻的杂质在慢慢的下落过程中，由于物体重力、受力方向的改变也随时变化，使较轻的杂质飘移落点，从而形成分级现象。气流分级通常发生在露天堆粮的过程中（见图1-6）。当输送机在风天卸粮时，在下风处就会聚集较多的轻杂质，从而形成自动分级现象。这种情况在皮带输送机、扬场机的作业中都会发生。自动分级现象使粮堆组分重新分配，这对安全储粮十分不利。杂质较多的部位，往往水分较高，孔隙度较小，虫霉易滋生，是极易发热霉变的部位，如不能及时发现还能蔓延危及整堆粮食。因此，对自动分级严重的地方，要多设检测层点，密切注意粮情变化。自动分级中灰尘集中的部位，孔隙度小，吸附性大，在熏蒸害虫时，药剂渗透困难，影响杀虫效果。同时，在通风降水降温过程中，也因空气的阻力加大，使风速达不到规定要求，造成局部温度、水分偏高。在粮食储藏过程中也可利用自动分级有利的一方面。如利用气流分级清理粮食，使用筛子震动去掉重杂质等。防止自动分级最积极的办法是预先清理粮食。此外，在粮仓上安装一些机械装置，使粮食均匀地向四周散落，减轻自动分级现象。如皮带输送机头部的抛粮机构，在卸粮时扇面不断旋转，借助粮流惯性冲力，将粮食均匀地抛出。也可在入粮口安装锥形散粮器或旋转散粮器。立筒仓采用中心管进粮与中心管卸粮的方式，可以有效减缓粮食分级现象。三、孔隙度孔隙度是由粮粒本身结构与粮堆中粮粒间存在空间所造成的。在整个粮堆中，粮粒所占体积百分比叫做密度，孔隙所占的百分比叫做孔隙度。从宏观上讲，粮堆中的孔隙是粮粒与粮粒之间的空间，这是粮食在储藏中维持正常有氧呼吸，进行水分、热量交换的基础。从微观上讲，构成孔隙的一个容易被忽视的因素是粮粒内部存在的微孔，它虽然在整个孔隙度中占有较少的比例，但它的作用远远复杂于宏观的孔隙。这些微孔是粮食呼吸代谢、吸湿、解吸、吸着、吸收的基础，也和粮食干燥密切相关。利用水银孔隙测定计可测定单位粮食微孔的总体积。在粮食储藏中，检验定等的主要依据之一是单位体积内某种粮食的重量，即容重。这是和孔隙度密切相关的物理量。容重与孔隙度成反比。几种粮食的比重、容重、孔隙度见表1-6。表1-6几种粮食的比重、容重、孔隙度粮种比重容重（千克/立方米）孔隙度%小麦1.22-1.35687-78135-45大米1.33-1.36800-82143玉米1.11-1.25675-80735-55大豆1.14-1.23658-76238-43油菜籽1.11-1.38607-83538-40面粉1.30594-60540-60花生仁1.01600-65140-48粮食的孔隙度和密度都用百分比来表示。可根据粮食的容重和比重来推算：密度=容重/比重*100%孔隙度=（1-容重/比重）*100%或=（100-密度）粮食孔隙度的大小受许多因素的影响，粮粒形态、大小、表面状态、含水量、杂质的特征与数量、堆高、储藏条件等都能影响粮堆的孔隙度和密度。粮粒大、完整、表面粗糙的，孔隙度就大；粒小、破碎粒多、表面光滑的，孔隙度就小。含细小杂质多的粮食，可降低粮堆的孔隙度。对于一个粮堆，各部位的孔隙度是不一样的。特别是自动