花生種子三軸方向起始破碎力

蔡高委 叢錦玲 齊貝貝

摘要：針對花生排種過程中存在的機械破損問題，以花生品種四粒紅不同條件下的初始破碎力為指標，開展花生三軸方向上的起始破碎力測定試驗。采用全組合試驗方法，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律。結果表明：當浸泡溫度20℃，浸泡時長為3 h，花生含水率達15.4%時，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。該研究成果為進一步研究花生種子的力學特性、損傷機理及播種機的研發提供依據。

關鍵詞：花生種子;含水率;起始破碎力;損傷機理

中圖分類號： S565.2

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2019） 03-0716-06

中國是花生生產大國，花生種植面積僅次于印度，產量居世界首位[1-3]。花生主要用于榨油、制作花生蛋白和花生醬等領域，用途廣泛。據統計數據顯示，花生油占國內食用油消費總量的25%，此外，花生醬由于營養價值高且不含膽固醇、風味獨特、食用方便，在西方國家頗受歡迎，是出口創匯的優質產品[4]。播種是花生生產過程的重要環節，在機械化播種過程中，種子為播種作業的工作對象。但花生種子皮薄，種形不規則，在播種過程中容易受到擠壓作用而發生損傷，影響種子的出苗率，造成花生的減產[5-6]。為此，研究花生種子在不同條件下的受壓特性，對于研究花生排種器、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，國內學者對西瓜[7]、玉米[8-9]、荔枝[10]、蓮仁[11]、紅棗[12-13]、核桃[14]等種子的力學特性進行了研究和分析，但針對花生種子起始破碎力的研究較少。本研究利用‘rA-XT plus質構儀對花生種子在x、y、z三軸方向的起始破碎力進行試驗研究，探究花生種子起始破碎力與花生含水率和壓縮速度的關系，分析花生種子的力學特性[15-17]。探明不同條件下花生的損傷機理，為花生播種和產品加工等機械裝備提供設計依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

本試驗于2018年3月在農業部西北農業裝備重點實驗室進行。試驗材料選擇新疆地區常用的花生品種四粒紅作為研究對象，試驗前對花生種子進行人工清選，剔除破碎和干癟的種子。試驗設備主要有YRG-400人工氣候箱（上海合恒儀器設備有限公司產品），MA45C-000230V1水分測定儀（北京賽多利斯儀器有限公司產品），TA-XT plus質構儀（英國Stable Micro System公司設計生產）。

1.2 試驗方法及過程

本次試驗分為2個步驟，第一步進行花生種子含水率的預處理，第二步進行三軸方向起始破碎力試驗。

1.2.1 花生種子含水率預處理 探究花生種子含水率受浸泡時間和溫度的影響。選取浸泡時間、浸泡溫度2個試驗因素，以花生含水率為試驗指標，采用全組合試驗方法。試驗取25組花生種子，每組25粒（10粒測含水率，15粒備用）。分別設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對花生種子進行含水率測試。每次測試10個數據，取平均值作為含水率的結果值。

1.2.2 三軸方向起始破碎力試驗為研究壓縮速度和含水率對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個試驗因素，以花生種子三軸方向起始破碎力為試驗指標。試驗采用全組合方法，取25組花生種子，每組15粒。種子壓縮速度分別設置為50 mm/min、100 mm/min、150mm/min、200 mm/min、250 mm/min 5個水平進行試驗，種子含水率選取5個實時測得的花生含水率。每組種子在三軸方向各重復測試5次，取平均值作為起始破碎力的結果值。

以花生種子兩子葉貼合面的豎直中心線為x軸建立坐標系，即x軸（子葉和貼合面均與試驗臺平行）、y軸（子葉水平且貼合面與試驗臺垂直）、z軸（子葉豎直且貼合面與試驗臺垂直），如圖1所示。

2 結果與分析

2.1 花生含水率及變化規律

為適應花生播種條件和便于觀察含水率對起始破碎力的影響，花生種子起始破碎力試驗選取的5個含水率水平分別為4.9%、10. 6%、15. 4%、21.9%、25.3%。這5個水平分別對應的浸泡條件為：無預處理時花生種子含水率，浸泡溫度為10℃、浸泡時長th時種子含水率，浸泡溫度為20℃、浸泡時長3h時種子含水率，浸泡溫度為40℃、浸泡時長4h時種子含水率，浸泡溫度為50℃、浸泡時長5h時種子含水率。

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℃，時長1-5 h，花生種子含水率隨浸泡時間的變化關系如圖2所示。

由圖2可知，當浸泡時間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呈近似平行關系。當浸泡時間為1h，浸泡溫度為10℃時，花生含水率最低，為10. 6%;當浸泡時間為5h，浸泡溫度為50℃時，花生含水率最高，為25.3%。

根據含水率試驗結果，利用Origin 2016軟件對其進行回歸分析，建立一元線性回歸y=a+bx（y代表含水率，x代表浸泡時間）的數學模型[19]。得出含水率與浸泡時間之間的回歸方程，如表1所示。

由表1可知，當浸泡溫度在30℃條件下，回歸方程的回歸系數（b）最小，為1.566 4，該溫度條件下，花生含水率隨浸泡時間的增長速度最小;當浸泡溫度在10℃條件下，回歸方程的回歸系數（b）最大，為1.962 8，該溫度條件下，花生含水率隨浸泡時間的增長速度最大。花生含水率與浸泡時間的回歸方程相關系數（r）都比較接近1，說明這些方程的擬合性較好。花生含水率與浸泡時間之間存在較為顯著的線性關系。

綜上，花生含水率受浸泡溫度和浸泡時間的影響。溫度相同時，不同浸泡時間對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間的增加而升高，花生含水率和浸泡時間呈近似線形關系。時間相同時，不同水溫對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，含水率的增長速度近似相等。

2.2 花生起始破碎力變化規律分析

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%時出現轉折點，隨著含水率繼續增加，花生種子起始破碎力開始減小。當含水率為4.9%、壓縮速度為200 mm/min時，花生種子的起始破碎力最小，為25. 26 N;當含水率為15.4%、壓縮速度為150 mm/min時，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。結合圖2可知，當花生浸泡時間為3h，浸泡溫度為20 cC時，花生含水率達到15.4%，壓縮速度為150 mm/min時花生種子在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，當花生種子含水率較低時，子葉中的結合水和游離水較少，種子的結合力較小，毛細管和細胞間隙疏松，種子能承受的擠壓力較小。當種子含水率升高時，種子中的游離水增加，毛細管中的水增多，細胞間隙變小，種子結構緊密，能承受的擠壓力增大，花生種子的起始破碎力也增大。當種子含水率繼續增加時，花生種子組織間的結合力相對減小，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%時出現轉折點，隨著含水率繼續增加，花生種子起始破碎力開始減小。當花生含水率為4.9%、壓縮速度為250 mm/min時，花生種子的起始破碎力最小，為22. 63 N;當花生種子含水率為15.4%、壓縮速度為50 mm/min時，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。結合圖2可知，當花生浸泡時間為3h，浸泡溫度為20℃時，含水率達到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合處，由于兩片子葉沒有完全結合，存在間隙，導致結合力不強。而且胚相對于子葉硬度低，容易引起花生種子在胚部出現應力集中現象[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%時出現轉折點，隨著含水率繼續增加，花生種子起始破碎力開始減小。當含水率為4. 9%、壓縮速度為250 mm/min時，起始破碎力最小，為15.16 N：當含水率為15.4%、壓縮速度為100mm/min時，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。結合圖2可知，當花生浸泡時間為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。

當花生種子在z軸方向受力時，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胞和柱狀細胞，對胚和子葉的保護性能較差，能夠承受的擠壓力小，容易破裂。當花生在。軸方向受力時，兩片子葉貼合面與試驗臺垂直，子葉容易受力發生分裂。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，壓縮速度對花生種子起始破碎力影響規律不明顯。浸泡時間、浸泡溫度對花生種子含水率的影響較大，進而影響花生種子的起始破碎力，當花生含水率達到15. 4%，即浸泡時間為3h，浸泡溫度為20℃，花生種子起始破碎力達到最大值。

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，壓縮速度對花生種子的起始破碎力影響不顯著。 種子是農業生產的基本材料，其物理特性易受多種因素的影響[21]。通過對試驗結果的方差分析，含水率對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，對起始破碎力的影響不顯著。

3 結論

（1）花生種子含水率隨浸泡時間的增加而升高，花生含水率與浸泡時間之間存在較為顯著的線性關系，用回歸方程來描述花生含水率與浸泡時間之間的關系是合理的。同一浸泡時長下，水溫高其種子含水率高，且呈線性關系。

（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。花生浸泡時間3h，浸泡溫度20℃時，含水率達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構特點，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，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，播種時對種子預處理選擇浸泡時間3h，浸泡溫度20℃，使含水率達到15.4%左右時，能夠降低種子的破損率。該試驗結果可為花生排種器的研究提供理論參考。

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（責任編輯：陳海霞）