蒜薹拉伸特性研究

袁志華 陳翠娟 李華樸 李燕 袁超

摘要：對大蒜（Allium sativum L.）蒜薹的拉伸特性進行了試驗，旨在為蒜薹收獲機械的設計提供參考依據。在測試了蒜薹的拉伸強度以及從蒜株中拔出蒜薹的拉力值后，應用灰色系統理論分析了蒜薹拉伸強度的影響因素。結果表明，蒜薹拉伸強度與品種、蒜薹含水率、加載速度有關；蒜薹含水率越低，拉伸強度越大；蒜株越粗，拔出蒜薹的拉力值越大。

關鍵詞：大蒜；蒜薹；拉伸強度；灰色系統理論；含水率；莖粗

中圖分類號：S633.4；S220.2；S11+7 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）10-2401-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.025

大蒜（Allium sativum L.）為多年生草本植物，是一種香辛類蔬菜，其長出的蒜苗（青蒜）、蒜薹和蒜頭均可食用。隨著人們對大蒜保健功能認識的加深，大蒜的系列產品更加受到國內外消費者的青睞。中國是世界上大蒜的主要生產國、消費國和出口國，大蒜出口已達到120余個國家和地區，出口規模穩居世界第一[1]。

生產上及時采收蒜薹不僅可以獲取鮮嫩的大蒜產品，而且還可避免蒜薹與蒜頭爭搶養分，促進蒜頭迅速膨大。蒜薹長成后若采薹不及時或不采薹，既浪費養分又降低蒜薹品質，表現為蒜薹粗硬、纖維多，大大降低食用價值，還會減少蒜頭的產量。蒜薹采收目前主要依靠人工完成，勞動強度大、效率低，而且在農忙季節經常會出現用工荒情況。因此，實現蒜薹采收機械化已成為發展大蒜產業的迫切需要。現在國內外對果蔬采摘機械的研究報道很多[2-5]，對于摘取方式，多數采摘機械使用剪刀剪斷果柄或直接用手爪抗拉強度、果實直徑和含水率等特性指標來設計機械采摘方式。試驗采用灰色系統理論分析了大蒜蒜薹的拉伸強度與品種特性、蒜薹含水率、加載速度等方面的關系，以期為蒜薹收獲機械的設計提供參數和依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用大蒜品種有蘇聯蒜（A. sativum cv. Sulian garlic）、宋城大蒜（A. sativum cv. Songcheng garlic）、宋城白蒜（A. sativum cv. Songcheng white garlic）。拉伸試驗所用儀器是電腦控制電子萬能試驗機，其拉力傳感器和位移傳感器精度分別為0.01 N 和0.001 mm，分辨率為0.2%，達到國家一級精度標準。土壤含水量、土壤堅實度分別使用土壤水分測試儀、土壤堅實度測試儀直接測定。蒜薹含水率采用烘干法測定，使用儀器為遠紅外線快速恒溫干燥箱和精確度為0.000 1 g的電子天平。

1.2 方法

2014年5月初，在鄭州市中牟縣大蒜基地田間隨機抽樣，采摘蘇聯蒜、宋城大蒜、宋城白蒜的蒜薹，并同時讀取抽取蒜薹的最大拉力，測量該地區的土壤含水量、土壤堅實度。在河南農業大學機電工程學院實驗室測量蒜薹樣本的長度、鮮重，并將蒜薹橫截面近似為圓形測定其直徑。利用電腦控制試驗萬能機對蒜薹樣本進行拉伸性能試驗，為防止蒜薹在平面型夾持裝置上發生滑移和夾潰現象，在蒜薹夾持部位包裹若干層衛生紙。在進行蒜薹拉伸試驗時，采用10 mm/min恒速拉伸測試法，將拉斷時的最大拉力除以橫截面面積，可以得到蒜薹的拉伸強度。采用灰色系統理論[6]分析大蒜蒜薹的拉伸強度與品種特性、蒜薹含水率、加載速度等方面的關系，采用Microsft Office Excel 2007和SPSS 17.0軟件對所得試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 蒜薹的拉力變形曲線

對蒜薹樣品進行拉伸試驗，可以得到蒜薹的拉力變形曲線，圖1是宋城大蒜單根蒜薹受拉時的拉力變形曲線。橫坐標表示變形量，單位是mm，縱坐標表示拉力，單位是N。由圖1可以看出，蒜薹拉力變形曲線可分成明顯的兩部分，前一部分拉力變形線為曲線，其變形屬于非線性變形；后一部分拉力變形線是直線，其變形屬于彈性變形。由于曲線部分的曲率較大，可近似為直線，所以蒜薹材料可以簡化為雙線性材料模型。

2.2 蒜薹特性對蒜薹拉伸強度的影響

2.2.1 大蒜品種對蒜薹拉伸強度的影響 試驗中蘇聯蒜、宋城大蒜、宋城白蒜3個品種的蒜薹拉伸強度測定結果見表1。由表1可以看出，大蒜品種不同，其拉伸強度不同。對3種大蒜蒜薹的拉伸強度進行方差分析，結果F=34.83，P=0.000 498，這表明蒜薹拉伸強度在品種之間的差異極顯著。

2.2.2 含水率對蒜薹拉伸強度的影響 選取宋城大蒜蒜薹做拉伸試驗，加載速度為10 mm/min，同時測試蒜薹的含水率。結果直徑為6.2 mm，含水率為89%，拉伸強度為1 683 MPa。對測試結果進行相關分析，結果，r=-0.67，P=0.05，表明含水率與拉伸強度的關系為負相關。說明在一定范圍內，蒜薹含水率降低，其拉伸強度增大。此結論與一般生物材料的性質基本相同[7-9]。

2.3 拉伸加載速度對蒜薹拉伸強度、拉斷力的影響

選取宋城大蒜蒜薹做拉伸試驗，拉伸加載速度分別取20、50、70 mm/min。結果3種拉伸加載速度下蒜薹拉伸強度的平均值分別為1 587.97、1 133.83、1 159.94 MPa。對不同拉伸加載速度下的拉伸強度進行方差分析，結果是F=6.04，P=0.02，表明蒜薹的拉伸強度在不同拉伸加載速度之間的差異顯著。

另外，在拉伸加載速度分別為20、50、70 mm/min條件下，試驗測定得到的蒜薹拉斷力（蒜苔拉斷時的拉力最大值）平均值分別為35.04、24.42、23.47 N。對不同拉伸加載速度下的蒜薹拉斷力進行方差分析，結果F=9.23，P=0.006 6，表明蒜薹拉斷力在拉伸加載速度之間的差異極顯著。拉斷力與拉伸加載速度的關系見圖2。從圖2可以看出，拉伸加載速度越大，蒜薹的拉斷力越小；也就是說，拉伸加載速度越大，拉斷蒜薹所需要的力量就越小。

2.4 土壤特性、大蒜生物學性狀對拔出蒜薹拉力值的影響

以宋城大蒜為對象，在大田測試土壤的堅實度、含水率和大蒜植株生物學性狀的高度、莖粗，以及蒜薹從大蒜植株中拔出時拉力的最大值，結果表明，土壤堅實度為86.1 N/cm3，土壤含水率為34%，大蒜植株高度為38.8 cm，大蒜植株莖粗為12.6 mm，蒜薹從大蒜植株中拔出的拉力是29.7 N。采用灰色系統理論把蒜薹拔出的拉力以及土壤堅實度、土壤含水率、大蒜植株高度與莖粗等視為一個灰色系統。每個量作為該系統的一個元素，計算蒜薹拔出的拉力與土壤堅實度、土壤含水率、大蒜植株高度及莖粗的關聯度，其關聯度大的表示影響大，反之亦然。結果蒜薹拔出的拉力與土壤堅實度的關聯度值為0.72，與土壤含水率的關聯度值為0.65，與大蒜植株高度的關聯度值為0.67，與大蒜植株莖粗的關聯度值為0.77，這個結果顯示，拔出蒜薹的拉力與大蒜植株莖粗的關聯度最大。由蒜薹拔出的拉力與大蒜植株莖粗的關系見圖3，由圖3可知，大蒜植株莖粗越粗，蒜薹拔出的拉力越大。

3 小結與討論

1）蒜薹的拉伸強度不僅與大蒜品種有關，還與蒜薹含水率、拉伸加載速度有關。大蒜品種不同則蒜薹拉伸強度不同，蒜薹拉伸強度在大蒜品種之間的差異極顯著。蒜薹含水率越低拉伸強度越大，這與一般生物材料的性質相同。蒜薹拉伸強度在拉伸加載速度之間的差異顯著，拉伸速度越大，拉斷蒜薹所需要的力就越小。蒜薹的拉伸強度與內部組分的關系將是下一步研究的內容。

2）拔出蒜薹的拉力與大蒜植株莖粗的關聯度最大，與土壤堅實度、土壤含水率的關聯度較小。大蒜植株越粗，拔出蒜薹所需要的拉力就越大。這可為蒜薹收獲機械的設計、水土保持方面的研究提供參考依據。

參考文獻：

[1] 丁 超.我國大蒜出口現狀及對策[J].中國蔬菜，2005（4）：1-5.

[2] 彭樟林，姚立健.山核桃采摘技術與裝備研究現狀[J].湖北農業科學，2013，52（14）：3229-3232.

[3] 王麗麗，郭艷玲，王 迪，等.果蔬采摘機器人研究綜述[J].林業機械與木工設備，2009，37（1）：10-11，14.

[4] 李秦川，胡 挺，武傳宇，等.果蔬采摘機器人末端執行器研究綜述[J].農業機械學報，2008，39（3）：175-179，186.

[5] 田素博，邱立春，秦軍偉，等.國內外采摘機器人機械手結構比較的研究[J].農機化研究，2007，29（3）：195-197.

[6] 雷鐵栓，郭瑞林，王新海，等.灰色系統理論在農業上的應用[M].鄭州：河南科學技術出版社，1996.6-10.

[7] 王 浩，郭康權.棉稈結構組成與橫紋抗壓強度的關系[J].農機化研究，2009，31（6）：118-120.

[8] 陳玉香，周道瑋，張玉芬，等.玉米莖剪斷力研究[J].作物學報，2005，31（6）：766-771.

[9] 趙雪松，俞國勝，朱建國，等.不同含水率對四倍體刺槐抗彎強度及彈性模量的影響[J].河南農業科學，2013，42（5）：177-180.