王 帥, 郁志宏, 敖日格樂, 張澤鑫, 楊麗芳, 張文杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

向日葵是我國(guó)北方主要栽培的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]，在糧食作物構(gòu)成和油料作物生產(chǎn)中占有重要地位，分為油用向日葵和食用向日葵，主要用于壓榨和食用、飼用。截至2018年底，我國(guó)向日葵種植面積高達(dá)92.135萬hm2，葵花籽產(chǎn)量高達(dá)249.42萬t[2]，主要集中在內(nèi)蒙古、新疆、吉林以及甘肅等地，2018年內(nèi)蒙古自治區(qū)葵花籽產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的60%以上[3]。研究葵花籽的幾何特征和均齊性，為向日葵的種植和葵花籽的收獲、清選、分級(jí)等機(jī)械設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考，同時(shí)對(duì)分級(jí)、選種、定價(jià)及離散元理論模型建立有著重要的意義。其中，葵花籽的均齊性是指葵花籽尺寸大小分布的均勻程度，尺寸分布越離散，均齊性越差，越容易分級(jí)，反之越困難。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)特定農(nóng)林作物種子幾何特征的研究主要涉及花生[4]、玉米[5]、油菜籽[6]、大麥[7]、人參種子[8]、林木種子[9]、蓮子[10]、大蒜[11]、大豆[12]等，但關(guān)于食用葵花籽幾何特征的研究鮮見報(bào)道，缺乏對(duì)于葵花籽外形尺寸統(tǒng)計(jì)分布特性的理論研究。國(guó)內(nèi)外關(guān)于種子均齊性的研究也較少，具有代表性的是美國(guó)花生性能測(cè)試專家組針對(duì)花生莢果的尺寸，選擇不同形狀、尺寸的篩子對(duì)花生莢果進(jìn)行了分級(jí)和脫殼。根據(jù)脫殼后花生的尺寸特性、質(zhì)量大小等因素選擇不同的篩子進(jìn)行分級(jí)，再根據(jù)等級(jí)評(píng)定銷售價(jià)格[13]。王京等[4]對(duì)花生種子三軸尺寸間的差異性、分布特性及各品種的尺寸均齊性等進(jìn)行了研究，提出花生的清選和分級(jí)方式。徐陶[11]對(duì)大蒜種子的外形尺寸及相關(guān)性、均齊性等進(jìn)行了研究，提出了大蒜的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)主栽的3個(gè)品種食用葵花籽為例，對(duì)其三軸尺寸間的分布特性、相關(guān)性、差異性以及各品種的尺寸均齊性進(jìn)行研究，并進(jìn)行了清選分級(jí)試驗(yàn)，為葵花籽清選、分級(jí)等機(jī)械化生產(chǎn)加工提供理論依據(jù)及技術(shù)參考，并為建立較精確的葵花籽粒群模型提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

內(nèi)蒙古自治區(qū)主栽的3個(gè)品種的食用葵花籽1013、SH361和SH363。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 葵花籽外形特征測(cè)量

每個(gè)品種隨機(jī)選取100?？ㄗ炎鳛闃颖綶14]，通過測(cè)量、計(jì)算獲取其主要外形相關(guān)尺寸，研究分析葵花籽的外形特征以及主要尺寸間的相關(guān)性、差異性。

形狀和大小是農(nóng)作物籽粒的物理性質(zhì)[15]，其尺寸的定義有多種方法，本研究從機(jī)械清選、分級(jí)、籽粒仿真建模的角度出發(fā)，考慮葵花籽的幾何形狀，測(cè)量其3個(gè)軸向尺寸，分別為長(zhǎng)度(L)、寬度(W)和厚度(T)。其中長(zhǎng)度(大徑)是種子最大表面的最長(zhǎng)尺寸，寬度(中徑)是種子最大表面的最短尺寸，厚度(小徑)則是種子最小表面的最短尺寸[13]。

1.2.2 葵花籽外形相關(guān)尺寸計(jì)算

針對(duì)葵花籽不規(guī)則的形狀，為便于描述其大小，定義了其三軸尺寸、直徑、算術(shù)平均徑、幾何平均徑、球度、體積、表面積和長(zhǎng)寬比。使用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量3個(gè)品種食用葵花籽的長(zhǎng)度、寬度、厚度。

按式(1)計(jì)算籽粒的直徑(Dr)[4]。

(1)

按式(2)計(jì)算籽粒的算術(shù)平均徑(Dα)[16]。

(2)

按式(3)計(jì)算籽粒的幾何平均徑(Dg)[14, 16]。

(3)

按式(4)計(jì)算籽粒的球度(φ)[14, 16]。

(4)

按式(5)計(jì)算籽粒的體積(V)[17-18]。

(5)

按式(6)計(jì)算籽粒的表面積(S)[17-19]。

(6)

按式(7)計(jì)算籽粒的長(zhǎng)寬比(Er)[20-21]。

(7)

2 結(jié)果與分析

2.1 食用葵花籽尺寸特征分析

2.1.1 三軸尺寸總體特征

對(duì)3個(gè)品種葵花籽的長(zhǎng)度、寬度、厚度及其他外觀尺寸特征進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，得出平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)，并根據(jù)K-S顯著性水平對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，根據(jù)平均值比較3種食用葵花籽的尺寸，葵花籽為扁長(zhǎng)型種子(長(zhǎng)度>寬度>厚度)。在長(zhǎng)度、寬度、算術(shù)平均徑、幾何平均徑、體積、表面積上，從大到小依次為SH363、SH361、1013；在厚度、直徑上，從大到小依次為SH361、SH363、1013。長(zhǎng)寬比可衡量籽粒的伸長(zhǎng)率，SH363的長(zhǎng)寬比最大，平均值為2.60。球度，即顆粒近于球體的程度，各品種葵花籽的球度相近，且球度較低，則籽粒呈長(zhǎng)錐形。從標(biāo)準(zhǔn)差上看，葵花籽在長(zhǎng)度上的差異要大于其在寬度、厚度上的差異。變異系數(shù)的大小反映了樣本個(gè)體差異的范圍，即數(shù)據(jù)的離散程度[22]，各參數(shù)的變異系數(shù)均小于30%，其中1013籽粒體積的變異系數(shù)最大，為27.14%。對(duì)葵花籽的各尺寸進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，結(jié)果表明，每個(gè)品種葵花籽的長(zhǎng)度、寬度、厚度、直徑、體積的顯著性指標(biāo)值均大于0.05，即在5%的顯著性水平下近似服從正態(tài)分布(3個(gè)品種葵花籽三軸尺寸正態(tài)分布如圖1～圖3所示)。因此，在構(gòu)建離散元葵花籽粒群時(shí)可按正態(tài)分布生成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的適用范圍是服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，對(duì)不服從正態(tài)分布的部分參數(shù)，即K-S顯著性水平小于0.05，如1013的球度、SH361的算術(shù)平均徑和球度等不做標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)。

表1 食用葵花籽尺寸物理特性總體特征

圖1 1013葵花籽三軸尺寸正態(tài)分布

圖2 SH361葵花籽三軸尺寸正態(tài)分布

圖3 SH363葵花籽三軸尺寸正態(tài)分布

2.1.2 三軸尺寸相關(guān)性分析

對(duì)3個(gè)品種食用葵花籽三軸尺寸間的線性相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。

表2 食用葵花籽三軸尺寸的相關(guān)性

由表2可知，3個(gè)品種食用葵花籽P值均為0.000，小于0.01，說明各品種食用葵花籽三軸尺寸間具有相關(guān)關(guān)系。由Pearson相關(guān)性值均大于0可知，3個(gè)品種食用葵花籽的三軸尺寸間存在線性正相關(guān)，各指標(biāo)不存在負(fù)相關(guān)的情況。因此，在對(duì)葵花籽按大小進(jìn)行分級(jí)時(shí)，可選擇長(zhǎng)、寬、厚中的任一尺寸作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)。同時(shí)，Pearson越接近于1，證明該指標(biāo)線性相關(guān)性越強(qiáng)，因此各品種葵花籽長(zhǎng)度與寬度的線性相關(guān)性較顯著。3個(gè)品種食用葵花籽三軸尺寸間關(guān)系的散點(diǎn)圖見圖4～圖6。由圖4～圖6可知，趨勢(shì)線擬合程度較低，因此在建立顆粒離散元葵花籽模型時(shí)，無法建立準(zhǔn)確的三軸尺寸關(guān)系式，應(yīng)分別按照三軸尺寸填充顆粒模型，故不同品種葵花籽的離散元仿真分析模型均存在差異。

圖4 1013葵花籽三軸尺寸間關(guān)系的散點(diǎn)圖

圖5 SH361葵花籽三軸尺寸間關(guān)系的散點(diǎn)圖

圖6 SH363葵花籽三軸尺寸間關(guān)系的散點(diǎn)圖

2.1.3 三軸尺寸差異性分析

將3個(gè)品種食用葵花籽分為3組，通過單因素方差分析，比較不同品種葵花籽的長(zhǎng)度、寬度、厚度之間是否存在差異性，結(jié)果如表3所示。由表3可知，不同品種組間長(zhǎng)度和寬度的顯著性水平P值為0.000(P<0.01)，但組間厚度的P值為0.328(P>0.01)，說明不同品種葵花籽的長(zhǎng)度、寬度存在極顯著性差異，而厚度無明顯差異。長(zhǎng)度方面，3個(gè)品種兩兩對(duì)比P值均為0.000，說明3個(gè)品種的長(zhǎng)度存在顯著性差異；SH361和SH363在寬度上的P值為0.813，表明SH361和SH363在寬度上無顯著性差異，而1013與其他兩個(gè)品種在寬度上存在顯著性差異。由以上分析可知，3個(gè)品種食用葵花籽在厚度上無顯著性差異，且SH361和SH363在寬度也無顯著性差異。因此，在清選、分級(jí)不同品種的葵花籽時(shí)，可通過長(zhǎng)度或?qū)挾葘?duì)葵花籽進(jìn)行篩選。當(dāng)以寬度為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，SH361和SH363可選擇同一尺寸規(guī)格作為等級(jí)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)；但根據(jù)長(zhǎng)度篩選時(shí)，為了結(jié)果更加精細(xì)準(zhǔn)確，需更換篩孔。通常選用窩眼筒進(jìn)行長(zhǎng)度分選或圓孔篩進(jìn)行寬度分選。

表3 食用葵花籽三軸尺寸的差異顯著性

2.2 食用葵花籽均齊性分析

在其他種子機(jī)械分級(jí)過程中，主要依據(jù)種子的直徑大小。因此，本研究除三軸尺寸外，引入直徑指標(biāo)分析食用葵花籽的均齊性。累積分布曲線能夠直觀反映葵花籽尺寸的均勻分布情況。曲線斜率(k)越小，說明種子尺寸分布越分散，均齊性越差，越有利于分級(jí)，反之均齊性越好，越不利于分級(jí)。在OriginPro 2017中繪制各品種食用葵花籽長(zhǎng)度、寬度、厚度和直徑的累積頻率分布曲線，結(jié)果見圖7。

圖7 食用葵花籽尺寸累積頻率分布曲線

由圖7可知，累積分布曲線大體呈線性分布，對(duì)各曲線進(jìn)行線性擬合，根據(jù)其斜率(k)的大小確定均齊性。長(zhǎng)度上，SH363的尺寸分布最為集中，均齊性最好；寬度上，SH361和SH363的均齊性優(yōu)于1013；厚度上，1013和SH363的累積頻率分布曲線斜率相等，且小于SH361的曲線斜率，說明SH361的厚度尺寸分布更為集中；直徑上，SH361和SH363的累積頻率分布曲線斜率相等，且大于1013的曲線斜率，說明SH361和SH363的直徑尺寸分布最為集中。綜合以上情況，不同品種的葵花籽均齊性存在一定差異，其中SH361的均齊性最好，1013的最差。因此，可根據(jù)品種以及均齊性來制定相應(yīng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。篩孔的大小要根據(jù)葵花籽品種而定，對(duì)于均齊性較差的品種，如1013，需要分多級(jí)篩選。各品種長(zhǎng)度、寬度、厚度、直徑4個(gè)指標(biāo)的累積分布曲線斜率從小到大均依次為長(zhǎng)度、寬度、厚度、直徑。故可得出結(jié)論，食用葵花籽按尺寸大小進(jìn)行分級(jí)時(shí)，可優(yōu)先考慮以長(zhǎng)度、寬度方向的尺寸作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 食用葵花籽主要尺寸與百粒重的關(guān)系

除葵花籽尺寸特征外，葵花籽質(zhì)量大小也是衡量葵花籽好壞的重要指標(biāo)。因此，在葵花籽的清選分級(jí)及建模過程中還要考慮葵花籽質(zhì)量大小，本研究選取百粒重作為質(zhì)量指標(biāo)。算術(shù)平均徑與幾何平均徑能夠綜合反映種子三軸尺寸大小，因此根據(jù)每種葵花籽的幾何平均徑與算術(shù)平均徑，分析百粒重與平均徑間的關(guān)系。3個(gè)品種食用葵花籽的算術(shù)平均徑、幾何平均徑以及百粒重的平均值如圖8所示。

圖8 食用葵花籽平均徑與百粒重對(duì)比

由圖8可知，SH363的平均徑略大于其他兩個(gè)品種，1013的平均徑最小，葵花籽的百粒重與平均徑的變化趨勢(shì)基本一致，因此可把葵花籽的幾何平均徑和算術(shù)平均徑作為葵花籽分級(jí)的指標(biāo)之一。

2.4 食用葵花籽清選分級(jí)試驗(yàn)

根據(jù)上述分析研究結(jié)果，各品種的葵花籽三軸尺寸均服從正態(tài)分布，籽粒在長(zhǎng)度和寬度上具有差異，厚度無明顯差異，且籽粒三軸尺寸具有相關(guān)性。因此，為驗(yàn)證研究結(jié)果與分級(jí)效果之間的量化關(guān)系，結(jié)合目前葵花籽篩選機(jī)實(shí)際工況，選用圓孔篩按葵花籽的寬度進(jìn)行分級(jí)試驗(yàn)。每個(gè)品種葵花籽各取一份，人工手動(dòng)去除雜質(zhì)、干癟粒等，按GB/T 5491—1985通過分樣器法將人工清選后的籽粒分樣，使用精度為0.01 g電子天平稱取每份籽粒的質(zhì)量，并計(jì)數(shù)。由于1013的寬度分布相對(duì)分散，均齊性較差，容易分級(jí)；SH361和SH363的寬度分布相對(duì)較為集中，均齊性較好，分級(jí)較困難。因此，試驗(yàn)時(shí)1013使用10 mm和8 mm兩種規(guī)格的圓孔篩，定義孔徑10 mm圓孔篩篩板篩上物為大粒級(jí)，孔徑10 mm圓孔篩篩板篩下物和孔徑8 mm圓孔篩篩板篩上物為中粒級(jí)，孔徑8 mm圓孔篩篩板篩下物為小粒級(jí)；SH361和SH363使用10 mm和8.5 mm兩種規(guī)格的圓孔篩，定義孔徑10 mm圓孔篩篩板篩上物為大粒級(jí)，孔徑10 mm圓孔篩篩板篩下物和孔徑8.5 mm圓孔篩篩板篩上物為中粒級(jí)，孔徑8.5 mm圓孔篩篩板篩下物為小粒級(jí)，分級(jí)結(jié)果如表4所示。由表4可知，各品種葵花籽中粒級(jí)占比最大，其中大粒、中粒、小粒占比結(jié)果呈正態(tài)分布，符合分級(jí)要求[23]，即大粒級(jí)占比不大于10%，中粒級(jí)占比大于70%，小粒級(jí)占比不大于20%，證明該圓孔篩規(guī)格能有效將葵花籽進(jìn)行分級(jí)。

表4 食用葵花籽分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)1013、SH361和SH363 3個(gè)品種食用葵花籽的長(zhǎng)度、寬度、厚度、直徑、體積均服從正態(tài)分布。由三軸尺寸相關(guān)性分析可知，三軸尺寸均存在顯著線性正相關(guān)，但無較準(zhǔn)確的關(guān)系式，故不同品種葵花籽的離散元仿真分析模型應(yīng)根據(jù)其三軸尺寸分別建立。由三軸尺寸差異性分析可知，葵花籽在長(zhǎng)度和寬度上存在顯著性差異，厚度無明顯差異，故各品種分級(jí)時(shí)應(yīng)首選長(zhǎng)度或?qū)挾?。?dāng)以寬度為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，SH361和SH363可選擇同一尺寸規(guī)格作為等級(jí)分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)不同品種葵花籽的均齊性存在一定差異，其中SH361的均齊性最好，1013的均齊性最差，1013較易分級(jí)。總體上，長(zhǎng)度均齊性最差，差異性最顯著，可首選長(zhǎng)度作為分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，葵花籽的算術(shù)平均徑、幾何平均徑與百粒重的變化趨勢(shì)基本一致，因此可把葵花籽的幾何平均徑和算術(shù)平均徑作為葵花籽分級(jí)的指標(biāo)之一。

(3)葵花籽分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果表明，選用圓孔篩按寬度對(duì)各品種進(jìn)行分級(jí)時(shí)，1013品種選擇10 mm和8 mm規(guī)格，各級(jí)籽粒的占比分別為大粒5.35%、中粒75.75%、小粒18.90%；SH361和SH363品種選擇10 mm和8.5 mm規(guī)格，各級(jí)籽粒的占比分別為大粒9.37%、中粒72.68%、小粒17.95%和大粒8.79%、中粒73.43%、小粒17.78%，均符合分級(jí)要求。