玉米籽粒機械裂紋產生機理及影響因素分析

張新偉，易克傳 安徽科技學院機械工程學院，安徽鳳陽233100；玉米育種安徽省 工程技術研究院（安徽科技學院），安徽鳳陽233100

劉向東 (新疆大學科學技術學院，新疆 阿克蘇 843000)

趙學觀 (北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

玉米是我國主要種植的糧食作物之一。不論是分段收獲還是籽粒直收，都不可避免地存在機械損傷，其嚴重影響商品玉米的品質。機械損傷分為顯性損傷和隱性損傷2種[1]。顯性損傷是指玉米籽粒的破碎、破損等容易被發現的損傷形式，隱性損傷是指肉眼不易察覺的損傷形式，裂紋為其主要表現形式。存在機械裂紋的玉米籽粒抗擠壓能力明顯降低，容易使玉米籽粒吸水、受潮、發霉、生蟲，甚至產生黃曲霉素等對人體有害的物質[2]。因此，系統研究玉米籽粒機械裂紋產生機理與規律，對減少機械裂紋的產生，提高玉米產品外觀品質有重要意義。

近年來，對于玉米收獲損傷的研究主要集中在以下幾方面：收獲原理研究[3～9]，機械裂紋的產生、擴展規律與檢測的方法分析[10～19]，機械損傷，特別是機械裂紋對種用玉米籽粒發芽的影響規律研究[20,21]，玉米籽粒力學特性的研究[22～30]。分析發現，現有研究主要是從收獲裝備的角度研究機械裂紋，而玉米籽粒機械裂紋的產生除與收獲裝備的結構、裝置有關外，還與品種、含水率、籽粒在果穗上的位置以及玉米果穗的類型等玉米自身的生物物理特性有關。為此，本研究從玉米自身的生物物理特性出發，對影響玉米籽粒機械裂紋產生的各因素進行了探討。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

以遼丹526、遼丹565、鄭單958等3個品種玉米作為試驗材料，所有試材均來源于沈陽農業大學玉米研究所。

主要設備有5TYA-1型釘齒式玉米脫粒機、紅外線水分測試儀、F617290游標卡尺和圖像采集系統等。玉米籽粒均是自然干燥后通過5TYA-1型釘齒式玉米脫粒機進行脫粒得到，滾筒轉速900～1000r/min。圖像采集系統由燈箱系統和成像系統組成(圖1)，其中成像系統由尼康SMZ800立體顯微鏡(放大范圍0.75 ～ 7.5倍)、佳能PowerShot SX700 HS(1600萬像素)和計算機(聯想揚天T4900D，酷睿i3-7100，4G內存，500GB硬盤)等組成，該系統可以方便地調整圖像倍數，獲取玉米籽粒圖像并對其上的機械裂紋數量和種類進行觀察與分析。

1．燈泡；2．通光孔；3．玉米果穗；4．玻璃；5．遮光板；6．光箱；7．目鏡；8．攝像頭；9．支架；10．微型計算機；11．反射光源；12．透射光源；13．物鏡；14．載物臺圖1 圖像采集系統結構示意圖

1.2 試驗方法

1.2.1 玉米籽粒三軸尺寸及其對機械裂紋產生的影響

1.冠部;2.腹面;3.背面;4.側面圖2 玉米籽粒外形尺寸示意圖

圖3 玉米果穗部位劃分

隨機選取遼丹526、遼丹565、鄭單958玉米籽粒各100粒，用游標卡尺測其長度H、寬度B、厚度T，如圖2所示。分別記錄其存在單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數，試驗重復3次。

1.2.2 含水率對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

將籽粒的含水率處理為3個范圍：10%～15%、16%～20%和21%～25%。選取大小相近、含水率不同的3個品種玉米果穗各100穗。脫粒后用紅外線水分測試儀測其含水率，每個品種隨機取100粒，并記錄產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數量，試驗重復3次。

1.2.3 果穗不同部位對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

圖4 玉米籽粒果穗類型

選取大小、粗細相近的3個品種玉米果穗各100穗。將玉米果穗分成上、中、下3部分[31]，如圖3所示。在測試任一部分之前，先用人工脫粒的方式將其余2部分的玉米籽粒脫掉。用脫粒機對玉米果穗分別進行脫粒，在得到的3組玉米籽粒中分別隨機選取100粒，分別記錄其單裂紋、雙裂紋和龜裂紋玉米籽粒數量，試驗重復3次。

1.2.4 果穗類型對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

根據李心平[31]的研究，將玉米果穗類型分為4種：長筒型、短筒型、長錐型和短錐型，如圖4所示。選取不同類型的3個品種玉米果穗各100穗，分別對4種類型玉米果穗進行脫粒，分別收集并隨機選取100粒玉米籽粒，記錄出現單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒數，試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 玉米籽粒三軸尺寸及其對機械裂紋產生的影響

表1 不同品種玉米籽粒三軸尺寸的測定

對3個品種玉米籽粒進行三軸尺寸測定，結果如表1所示。從長度來看,以鄭單958的長度最大，為10.06mm，比遼丹526長0.56mm，遼丹565的長度最短，僅為8.78mm；從寬度來看,以鄭單958最寬，為8.74mm，較遼丹526寬0.51mm，遼丹565寬度最小，僅為7.66mm；從厚度來看,遼丹526為5.62mm，僅比鄭單958厚0.22mm，遼丹565厚度值最小，僅為5.11mm。從三軸尺寸的數據可以看出，鄭單958總體優于遼丹526和遼丹565，遼丹526優于遼丹565。不同品種玉米籽粒外觀差異顯著。

3個品種玉米對應的機械裂紋數量見表2。從表2可以看出，遼丹526玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為32、7.67、16.67；遼丹565玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為22.33、4.67、6；鄭單958玉米籽粒單裂紋、雙裂紋和龜裂紋均值分別為18、5.33、9.33。

從測定結果可知：玉米籽粒的三軸尺寸對機械裂紋的產生影響顯著。對于同一品種，存在單裂紋的玉米籽粒數量最多，其次為龜裂紋，存在雙裂紋的玉米籽粒數量最少；對于不同品種，遼丹526存在裂紋的玉米籽粒數量普遍高于遼丹565和鄭單958，這可能與遼丹526為馬齒型而遼丹565和鄭單958為半馬齒型玉米有關。

表2 不同品種玉米籽粒的機械裂紋數量

2.2 含水率對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

含水率對玉米籽粒機械裂紋產生的影響如表3所示。從表3可以看出，當含水率為10%～15%時，遼丹526、遼丹565和鄭單958產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次為18.33、15.33、15.67；18.67、10.67、13.67；18.67、16、16；當含水率為16%～20%時，遼丹526、遼丹565和鄭單958產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次是含水率為10%～15%時各類裂紋的94.5%、69.6%、76.6%；66.0%、121.8%、97.5%；96.4%、79.2%、75%；當含水率為21%～25%時，遼丹526、遼丹565和鄭單958產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次是25、24、21.67；23.67、24、18.67；25、21.33、23.33。

表3 含水率對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

從測定結果可知，含水率對玉米籽粒機械裂紋的產生影響顯著。當含水率在21%～25%時，機械脫粒后產生機械裂紋的玉米籽粒數量最多，其次為10%～15%，含水率在16%～20%時，產生機械裂紋的玉米籽粒數量最少。分析認為當含水率較高時，玉米籽粒與果穗穗芯之間的連接力較大，脫粒時需要更多的能量，導致產生機械裂紋的玉米籽粒數量增多；當含水率較低時，玉米籽粒的脆性增大，蠕性減小，脫粒時籽粒受到脫粒部件的打擊強度相對增加，產生的機械裂紋隨之增加。

2.3 果穗不同部位對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

玉米果穗上不同部位的籽粒機械脫粒后產生的裂紋數量如表4所示。從表4可以看出：遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗下部產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次為18.67、12.33、15.67；15.33、13、14.33；18、18.67、19；遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗中部產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次為下部產生裂紋的66.1%、70.3%、72.3%；71.8%、74.4%、69.8%；64.8%、57.2%、73.7%；遼丹526、遼丹565、鄭單958在果穗上部產生單裂紋、雙裂紋和龜裂紋的玉米籽粒平均數量依次為下部產生裂紋的51.8%、43.2%、55.3%；56.6%、61.5%、62.8%；50%、37.5%、43.9%。

表4 玉米果穗不同部位對籽粒機械裂紋產生的影響

分析發現，果穗的不同位置對機械裂紋的產生影響顯著。收獲過程中，玉米果穗的下部產生的機械裂紋籽粒數量最多，其次為中部，玉米果穗上部產生機械裂紋的玉米籽粒數量最少。這可能與玉米果穗上部呈圓錐形、且其直徑小于果穗下部，收獲作業時所受脫粒部件沖擊強度較弱，籽粒的損傷程度較輕，導致產生機械裂紋的玉米籽粒數量較少。

2.4 果穗類型對玉米籽粒機械裂紋產生的影響

不同類型玉米果穗機械脫粒后產生的機械裂紋數量如表5所示。從表5可以看出，長筒型、短筒型玉米果穗在機械脫粒后產生單裂紋、雙裂紋及龜裂紋的粒數均值分別為21.67、13.33、9.67；28.67、19.33、13.33。長錐形、短錐形玉米果穗在機械脫粒后產生單裂紋、雙裂紋及龜裂紋的粒數均值分別為17.67、11、10.67；23.33、15、11.67。

表5 玉米果穗不同類型對籽粒機械裂紋產生的影響

從測定結果可知，不同類型玉米果穗對機械裂紋的產生影響顯著。短筒型玉米果穗在機械脫粒后產生的機械裂紋數量最多，其次為短錐形，再次為長筒型，長錐形玉米果穗產生的裂紋數量最少。

3 結論與討論

1)品種對玉米籽粒產生機械裂紋數量差異顯著；同一玉米品種，單裂紋玉米籽粒數量最多，其次為龜裂紋，雙裂紋玉米籽粒數量最少；不同玉米品種中，遼丹526存在機械裂紋的玉米籽粒數量普遍高于遼丹565和鄭單958。

2)含水率對玉米籽粒機械裂紋的產生影響顯著。含水率在21%～25%時，機械脫粒后玉米裂紋數量最多，其次為10%～15%，含水率在16%～20%時，玉米裂紋數量最少。

3)玉米果穗下部位置的籽粒脫粒后產生的裂紋數最多，其次為中部，在上部產生的裂紋最少。

4)短筒型玉米果穗在機械脫粒后產生的裂紋數量最多，其次為短錐形，長錐形玉米果穗產生的裂紋數量最少。

5)本研究僅從品種、含水率、玉米果穗的不同位置和玉米穗的類型等自身生理特性對玉米籽粒機械裂紋產生的影響進行研究，未涉及玉米脫粒裝置對其產生的影響。