蔡高委 叢錦玲 齊貝貝
摘要:針對(duì)花生排種過(guò)程中存在的機(jī)械破損問(wèn)題,以花生品種四粒紅不同條件下的初始破碎力為指標(biāo),開(kāi)展花生三軸方向上的起始破碎力測(cè)定試驗(yàn)。采用全組合試驗(yàn)方法,以壓縮速度、含水率為因素,分析了花生種子在不同含水率和不同壓縮速度條件下x、y、z三軸方向起始破碎力的變化規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)浸泡溫度20℃,浸泡時(shí)長(zhǎng)為3 h,花生含水率達(dá)15.4%時(shí),起始破碎力在三軸方向均最大;在不同壓縮速度下,花生種子起始破碎力沿x軸方向最大,沿z軸方向最小,分別平均為35. 86 N、22. 35 N;同一壓縮速度下,花生種子起始破碎力隨含水率變化呈先增大后減小的趨勢(shì)。該研究成果為進(jìn)一步研究花生種子的力學(xué)特性、損傷機(jī)理及播種機(jī)的研發(fā)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:花生種子;含水率;起始破碎力;損傷機(jī)理
中圖分類(lèi)號(hào): S565.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào): 1000-4440( 2019) 03-0716-06
中國(guó)是花生生產(chǎn)大國(guó),花生種植面積僅次于印度,產(chǎn)量居世界首位[1-3]?;ㄉ饕糜谡ビ汀⒅谱骰ㄉ鞍缀突ㄉu等領(lǐng)域,用途廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,花生油占國(guó)內(nèi)食用油消費(fèi)總量的25%,此外,花生醬由于營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且不含膽固醇、風(fēng)味獨(dú)特、食用方便,在西方國(guó)家頗受歡迎,是出口創(chuàng)匯的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品[4]。播種是花生生產(chǎn)過(guò)程的重要環(huán)節(jié),在機(jī)械化播種過(guò)程中,種子為播種作業(yè)的工作對(duì)象。但花生種子皮薄,種形不規(guī)則,在播種過(guò)程中容易受到擠壓作用而發(fā)生損傷,影響種子的出苗率,造成花生的減產(chǎn)[5-6]。為此,研究花生種子在不同條件下的受壓特性,對(duì)于研究花生排種器、尋找適宜播種條件和降低種子的損傷率都具有重要意義。
目前,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)西瓜[7]、玉米[8-9]、荔枝[10]、蓮仁[11]、紅棗[12-13]、核桃[14]等種子的力學(xué)特性進(jìn)行了研究和分析,但針對(duì)花生種子起始破碎力的研究較少。本研究利用‘rA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀對(duì)花生種子在x、y、z三軸方向的起始破碎力進(jìn)行試驗(yàn)研究,探究花生種子起始破碎力與花生含水率和壓縮速度的關(guān)系,分析花生種子的力學(xué)特性[15-17]。探明不同條件下花生的損傷機(jī)理,為花生播種和產(chǎn)品加工等機(jī)械裝備提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備
本試驗(yàn)于2018年3月在農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)材料選擇新疆地區(qū)常用的花生品種四粒紅作為研究對(duì)象,試驗(yàn)前對(duì)花生種子進(jìn)行人工清選,剔除破碎和干癟的種子。試驗(yàn)設(shè)備主要有YRG-400人工氣候箱(上海合恒儀器設(shè)備有限公司產(chǎn)品),MA45C-000230V1水分測(cè)定儀(北京賽多利斯儀器有限公司產(chǎn)品),TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀(英國(guó)Stable Micro System公司設(shè)計(jì)生產(chǎn))。
1.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程
本次試驗(yàn)分為2個(gè)步驟,第一步進(jìn)行花生種子含水率的預(yù)處理,第二步進(jìn)行三軸方向起始破碎力試驗(yàn)。
1.2.1 花生種子含水率預(yù)處理 探究花生種子含水率受浸泡時(shí)間和溫度的影響。選取浸泡時(shí)間、浸泡溫度2個(gè)試驗(yàn)因素,以花生含水率為試驗(yàn)指標(biāo),采用全組合試驗(yàn)方法。試驗(yàn)取25組花生種子,每組25粒(10粒測(cè)含水率,15粒備用)。分別設(shè)置人工氣候箱溫度為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃,將花生樣品放于方形水槽,并將水槽放于人工氣候箱,分別間隔th、2h、3h、4h、5h對(duì)花生種子進(jìn)行含水率測(cè)試。每次測(cè)試10個(gè)數(shù)據(jù),取平均值作為含水率的結(jié)果值。
1.2.2 三軸方向起始破碎力試驗(yàn)為研究壓縮速度和含水率對(duì)花生種子三軸方向起始破碎力的影響,選取壓縮速度、含水率2個(gè)試驗(yàn)因素,以花生種子三軸方向起始破碎力為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)采用全組合方法,取25組花生種子,每組15粒。種子壓縮速度分別設(shè)置為50 mm/min、100 mm/min、150mm/min、200 mm/min、250 mm/min 5個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn),種子含水率選取5個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)得的花生含水率。每組種子在三軸方向各重復(fù)測(cè)試5次,取平均值作為起始破碎力的結(jié)果值。
以花生種子兩子葉貼合面的豎直中心線(xiàn)為x軸建立坐標(biāo)系,即x軸(子葉和貼合面均與試驗(yàn)臺(tái)平行)、y軸(子葉水平且貼合面與試驗(yàn)臺(tái)垂直)、z軸(子葉豎直且貼合面與試驗(yàn)臺(tái)垂直),如圖1所示。
2 結(jié)果與分析
2.1 花生含水率及變化規(guī)律
為適應(yīng)花生播種條件和便于觀察含水率對(duì)起始破碎力的影響,花生種子起始破碎力試驗(yàn)選取的5個(gè)含水率水平分別為4.9%、10. 6%、15. 4%、21.9%、25.3%。這5個(gè)水平分別對(duì)應(yīng)的浸泡條件為:無(wú)預(yù)處理時(shí)花生種子含水率,浸泡溫度為10℃、浸泡時(shí)長(zhǎng)th時(shí)種子含水率,浸泡溫度為20℃、浸泡時(shí)長(zhǎng)3h時(shí)種子含水率,浸泡溫度為40℃、浸泡時(shí)長(zhǎng)4h時(shí)種子含水率,浸泡溫度為50℃、浸泡時(shí)長(zhǎng)5h時(shí)種子含水率。
花生種子由種皮和胚兩部分組成,胚包括胚芽、胚軸、胚根和子葉四部分,花生種子吸水部分主要是子葉[18]。浸泡溫度分別為10-50℃,時(shí)長(zhǎng)1-5 h,花生種子含水率隨浸泡時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。
由圖2可知,當(dāng)浸泡時(shí)間1-5 h,花生含水率隨浸泡溫度的升高而增大,不同浸泡溫度之間的曲線(xiàn)呈近似平行關(guān)系。當(dāng)浸泡時(shí)間為1h,浸泡溫度為10℃時(shí),花生含水率最低,為10. 6%;當(dāng)浸泡時(shí)間為5h,浸泡溫度為50℃時(shí),花生含水率最高,為25.3%。
根據(jù)含水率試驗(yàn)結(jié)果,利用Origin 2016軟件對(duì)其進(jìn)行回歸分析,建立一元線(xiàn)性回歸y=a+bx(y代表含水率,x代表浸泡時(shí)間)的數(shù)學(xué)模型[19]。得出含水率與浸泡時(shí)間之間的回歸方程,如表1所示。
由表1可知,當(dāng)浸泡溫度在30℃條件下,回歸方程的回歸系數(shù)(b)最小,為1.566 4,該溫度條件下,花生含水率隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)速度最小;當(dāng)浸泡溫度在10℃條件下,回歸方程的回歸系數(shù)(b)最大,為1.962 8,該溫度條件下,花生含水率隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)速度最大?;ㄉ逝c浸泡時(shí)間的回歸方程相關(guān)系數(shù)(r)都比較接近1,說(shuō)明這些方程的擬合性較好?;ㄉ逝c浸泡時(shí)間之間存在較為顯著的線(xiàn)性關(guān)系。
綜上,花生含水率受浸泡溫度和浸泡時(shí)間的影響。溫度相同時(shí),不同浸泡時(shí)間對(duì)花生含水率具有顯著影響,同一溫度條件下含水率隨著浸泡時(shí)間的增加而升高,花生含水率和浸泡時(shí)間呈近似線(xiàn)形關(guān)系。時(shí)間相同時(shí),不同水溫對(duì)花生含水率有較大影響,水溫越高,花生種子含水率越大,不同浸泡溫度條件下,含水率的增長(zhǎng)速度近似相等。
2.2 花生起始破碎力變化規(guī)律分析
2.2.1 x軸方向起始破碎力分析花生種子在x軸方向起始破碎力與含水率的關(guān)系如圖3所示。初期階段起始破碎力隨花生含水率的增加而增大,在含水率為15.4%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨著含水率繼續(xù)增加,花生種子起始破碎力開(kāi)始減小。當(dāng)含水率為4.9%、壓縮速度為200 mm/min時(shí),花生種子的起始破碎力最小,為25. 26 N;當(dāng)含水率為15.4%、壓縮速度為150 mm/min時(shí),花生種子的起始破碎力最大,為50.42 N。不同含水率和壓縮速度下,花生種子起始破碎力的平均值為35.86 N。結(jié)合圖2可知,當(dāng)花生浸泡時(shí)間為3h,浸泡溫度為20 cC時(shí),花生含水率達(dá)到15.4%,壓縮速度為150 mm/min時(shí)花生種子在x軸方向起始破碎力最大,為50.42 N。
在x軸方向上受力的主要部位是兩片子葉,當(dāng)花生種子含水率較低時(shí),子葉中的結(jié)合水和游離水較少,種子的結(jié)合力較小,毛細(xì)管和細(xì)胞間隙疏松,種子能承受的擠壓力較小。當(dāng)種子含水率升高時(shí),種子中的游離水增加,毛細(xì)管中的水增多,細(xì)胞間隙變小,種子結(jié)構(gòu)緊密,能承受的擠壓力增大,花生種子的起始破碎力也增大。當(dāng)種子含水率繼續(xù)增加時(shí),花生種子組織間的結(jié)合力相對(duì)減小,從而種子能承受的起始破碎力也減少.
2.2.2 y軸方向起始破碎力分析花生種子y軸方向起始破碎力與含水率的關(guān)系如圖4所示。初期階段起始破碎力隨花生含水率的增加而增大,在花生含水率為15. 4%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨著含水率繼續(xù)增加,花生種子起始破碎力開(kāi)始減小。當(dāng)花生含水率為4.9%、壓縮速度為250 mm/min時(shí),花生種子的起始破碎力最小,為22. 63 N;當(dāng)花生種子含水率為15.4%、壓縮速度為50 mm/min時(shí),花生種子的起始破碎力最大,為40.56 N。不同含水率和壓縮速度下,花生種子起始破碎力的平均值為29. 46 N。結(jié)合圖2可知,當(dāng)花生浸泡時(shí)間為3h,浸泡溫度為20℃時(shí),含水率達(dá)到15. 4%,壓縮速度為50 mm/min,花生在y軸方向起始破碎力最大,為40. 56 N。
在y軸方向上,花生種子受力部位位于兩子葉相結(jié)合處,由于兩片子葉沒(méi)有完全結(jié)合,存在間隙,導(dǎo)致結(jié)合力不強(qiáng)。而且胚相對(duì)于子葉硬度低,容易引起花生種子在胚部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[20]。因此,花生種子承受的擠壓力變小,起始破損力較小。2.2.3。軸方向起始破碎力分析花生種子z軸方向起始破碎力與含水率關(guān)系如圖5所示。初期階段起始破碎力隨花生含水率的增加而增大,在含水率為15.4%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),隨著含水率繼續(xù)增加,花生種子起始破碎力開(kāi)始減小。當(dāng)含水率為4. 9%、壓縮速度為250 mm/min時(shí),起始破碎力最小,為15.16 N:當(dāng)含水率為15.4%、壓縮速度為100mm/min時(shí),起始破碎力最大,為27.33 N。不同含水率和壓縮速度下,花生種子起始破碎力的平均值為22.35 N。結(jié)合圖2可知,當(dāng)花生浸泡時(shí)間為3h,浸泡溫度20℃,花生含水率為15. 4%,壓縮速度為100 mm/min,花生在z軸方向起始破碎力最大,為27.33 N。
當(dāng)花生種子在z軸方向受力時(shí),受力的主要部位是胚和子葉。胚是種子中比較脆弱的部分,雖然胚由種皮和子葉包裹,但花生的種皮不存在柵狀細(xì)胞和柱狀細(xì)胞,對(duì)胚和子葉的保護(hù)性能較差,能夠承受的擠壓力小,容易破裂。當(dāng)花生在。軸方向受力時(shí),兩片子葉貼合面與試驗(yàn)臺(tái)垂直,子葉容易受力發(fā)生分裂。因此,z軸方向上花生種子的起始破碎力較其他2個(gè)方向小。
綜上,花生種子三軸方向起始破碎力大小不同,總體上起始破碎力隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢(shì),壓縮速度對(duì)花生種子起始破碎力影響規(guī)律不明顯。浸泡時(shí)間、浸泡溫度對(duì)花生種子含水率的影響較大,進(jìn)而影響花生種子的起始破碎力,當(dāng)花生含水率達(dá)到15. 4%,即浸泡時(shí)間為3h,浸泡溫度為20℃,花生種子起始破碎力達(dá)到最大值。
2.3 方差分析
2.3.1 x軸方向的起始破碎力方差分析 由表2可知,花生種子x軸方向的起始破碎力方差分析模型極顯著且適合,顯著水平為0.001。含水率對(duì)花生種子起始破碎力影響極顯著,顯著水平小于0.001,是影響花生起始破碎力的最主要因素,壓縮速度對(duì)花生種子的起始破碎力影響不顯著。
2.3.2 y軸方向的起始破碎力方差分析由表3可知,花生種子y軸方向起始破碎力方差分析模型極顯著且適合( P 2.3.3 z軸方向的起始破碎力方差分析 由表4可知,花生種子z軸方向起始破碎力方差分析模型顯著且適合,顯著水平小于0.05。含水率對(duì)花生種子起始破碎力影響顯著,顯著水平等于0.004,是影響花生種子起始破碎力的最主要因素,壓縮速度對(duì)花生種子的起始破碎力影響不顯著。 種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本材料,其物理特性易受多種因素的影響[21]。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的方差分析,含水率對(duì)花生三軸方向上起始破碎力的影響是極顯著的,而壓縮速度是影響花生起始破碎力的次要因素,對(duì)起始破碎力的影響不顯著。 3 結(jié)論 (1)花生種子含水率隨浸泡時(shí)間的增加而升高,花生含水率與浸泡時(shí)間之間存在較為顯著的線(xiàn)性關(guān)系,用回歸方程來(lái)描述花生含水率與浸泡時(shí)間之間的關(guān)系是合理的。同一浸泡時(shí)長(zhǎng)下,水溫高其種子含水率高,且呈線(xiàn)性關(guān)系。 (2)花生種子起始破碎力沿x軸方向最大,平均為35. 86 N;沿g軸方向最小,平均為22. 35 N?;ㄉ輹r(shí)間3h,浸泡溫度20℃時(shí),含水率達(dá)15.4%,起始破碎力最大,在x軸方向上,為50. 42N,在z軸方向上,為27. 33 N。 (3)由于花生種子自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),三軸方向的起始破碎力大小存在差異,同一方向上,花生種子的起始破碎力隨含水率的變化呈先增大后減小的趨勢(shì),起始破碎力受壓縮速度的影響不顯著。 (4)花生種子起始破碎力受多種因素綜合影響,播種時(shí)對(duì)種子預(yù)處理選擇浸泡時(shí)間3h,浸泡溫度20℃,使含水率達(dá)到15.4%左右時(shí),能夠降低種子的破損率。該試驗(yàn)結(jié)果可為花生排種器的研究提供理論參考。 參考文獻(xiàn): [l]周曙東,孟桓寬,中國(guó)花生主產(chǎn)區(qū)種植面積變化的影響因素[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45( 13):250-253. [2]張怡,中國(guó)花生生產(chǎn)布局變動(dòng)解析[J].中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì),2014(11):73-82. [3]高忠奎,蔣菁,唐秀梅,等,水旱輪作條件下花生品種篩選及土壤特性變化分析[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2018,49( 12):2403-2409. [4]歐陽(yáng)玲花,馮健雄,花生食品的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及其進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,22( 12):113-116. [5] 呂小蓮,胡志超,于昭洋,等,花生籽粒幾何尺寸及物理特性的研究[J].揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2013,34(3): 61-64. [6] 呂小蓮,胡志超,于向濤,等,花生種子擠壓破碎機(jī)理的試驗(yàn)研究[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,34(2):262-266. [7]戴思慧,孫小武,熊興耀,等.三倍體西瓜種子種殼結(jié)構(gòu)及機(jī)械破殼力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)T程學(xué)報(bào),2012,28( 17):44-50. [8]李心平,李玉柱,馬福麗,等.玉米種子抗壓特性及裂紋生成規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(8):94-98. [9]張燁,方壯東,鄭菲,等.玉米擠壓特性與ANSYS仿真分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2018,46(6):196-199. [10]陳燕,蔡偉亮,鄒湘軍,等.荔枝鮮果擠壓力學(xué)特性[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(8):360-364. [11]馬秋成,郭耿君,馬婕,等,蓮仁力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定及擠壓破碎特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)T程學(xué)報(bào),2018,34(6):263-271. [12]彭俊,謝洪起,馮亞利,等.冬棗壓縮特性實(shí)驗(yàn)與計(jì)算仿真研究[J].食品科學(xué),2017,38 (17):20-25. [13]王偉,楊紅英,黃新成,等,紅棗果肉力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(6):404-406. [14] ALTUNTAS E,ERKOL M.The effects of moisture content. com-pression speeds, and axes on mechanical properties of walnut culti-vars[J].Food Bioprocess Technol, 2011,4(4):1288-1295. [15]劉立意,邴媛媛,董欣,等.玉米秸稈壓縮加載條件對(duì)其裂紋和機(jī)器功耗的影響[J].農(nóng)業(yè)T程學(xué)報(bào),2014,30(3):163-169. [16] WANG L J,ZHOU W X, DING Z J,et al.Experimental determi-nation of parameter effects on the coefficient of restitution of differ-ently shaped maize in three-dimensions[J].Powder Technology,2015.284(3):187-194. [17]張克平,黃建龍,楊敏,等.冬小麥籽粒受擠壓特性的有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)T程學(xué)報(bào),2010,26(6):352-356. [18]張紅生,胡晉.種子學(xué)[M].2版,北京:科學(xué)出版社,2010:56-78. [19]李心平,熊師,耿令新,等.含水率對(duì)玉米果穗抗壓特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2018,34(2):25-31. [20]那雪姣,劉明國(guó),張文,等,機(jī)械脫殼時(shí)花生仁損傷特征及規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(5):117-121. [21]陳志德,王州飛,劉永惠,等.花生種子人工老化對(duì)萌發(fā)期種子活力的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,27(6):411-413. (責(zé)任編輯:陳海霞)