花生種子三軸方向起始破碎力

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ㄉu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。

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（責(zé)任編輯：陳海霞）