光皮樹含水率與果葉力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性

李 興，黃志輝，劉汝寬，王紅建，肖志紅，李昌珠

(1.中南大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院，b.化學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

光皮樹含水率與果葉力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性

李 興1a，黃志輝1a，劉汝寬1b，王紅建1a，肖志紅2，李昌珠2

(1.中南大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院，b.化學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083； 2.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

為測(cè)定光皮樹果枝采摘后不同時(shí)間果葉力學(xué)特性的變化，為光皮樹脫果及果葉分離機(jī)械的研制提供依據(jù)，研究了不同含水率對(duì)果柄分離力及不同方向的葉柄分離力的影響。通過(guò)試驗(yàn)儀器測(cè)定光皮樹果柄分離力與不同方向的葉柄分離力，并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性及曲線擬合。相關(guān)性分析表明，含水率與果柄分離力、不同方向葉柄分離力間有較高的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)含水率與果柄分離力、不同方向葉柄分離力進(jìn)行曲線擬合分析，得到二次擬合方程和曲線。

光皮樹； 果柄分離力； 葉柄分離力； 農(nóng)業(yè)機(jī)械； 含水率

光皮樹(Swidawilsoniana)是山茱萸科梾木屬落葉灌木或喬木。光皮樹分布廣泛，湖南、江西省為主產(chǎn)區(qū)，垂直分布在海拔1 000 m以下。光皮樹全果精煉油含不飽和脂肪酸77.68%，經(jīng)國(guó)家糧食部鑒定為一級(jí)食用油，油脂除食用和醫(yī)用外還可做工業(yè)原料[1]，是非常重要的生物油料作物。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)光皮樹果實(shí)的采摘模式主要是用剪枝剪、高枝剪在果枝基部剪下[2-11]，后人工將果實(shí)脫落，效率低下，并且隨著人工成本的逐漸提升，光皮樹的采摘成本也在逐年增加。因此，光皮樹機(jī)械化脫果設(shè)備研究的重要性與日俱增。中國(guó)對(duì)小林果機(jī)械化采收機(jī)設(shè)備的研究尚處于起步階段，缺乏對(duì)小林果的果柄及葉柄分離力等植物基礎(chǔ)力學(xué)性能的研究。在小林果脫果的過(guò)程中，果柄與葉柄的分離力是設(shè)計(jì)采收機(jī)械裝置的重要因素。目前，國(guó)內(nèi)還沒有針對(duì)光皮樹果柄與葉柄分離力的研究，本研究通過(guò)分析光皮樹剪下后不同時(shí)間含水率變化與果柄和葉柄分離力的關(guān)系，為研制光皮樹樹枝采收后的機(jī)械自動(dòng)化脫果并分類收集設(shè)備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為湖南省林業(yè)科學(xué)院基地(113°3′34″E，28°6′45″N)的收獲期光皮樹新鮮樹枝。樹枝直徑4 mm處為剪下位置，剪取數(shù)枝果葉茂密的果枝。采摘后將果枝置于平均氣溫為25 ℃、平均相對(duì)濕度60%的環(huán)境中。

試驗(yàn)設(shè)備主要有DHG-101-00型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、SF-30 N數(shù)顯拉力計(jì)、果實(shí)卡圈、夾具和固定座等。

1.2 方法

1.2.1 果柄分離力

新鮮樹枝剪枝后0、6、12、18、24、30、36、42、48 h，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分4組進(jìn)行果柄分離力測(cè)定，每組9個(gè)，每組平均值作為測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)將果枝固定，通過(guò)果實(shí)卡圈卡住果實(shí)，勻速移動(dòng)拉力計(jì)，最終使果實(shí)與果柄分離，拉力計(jì)的最大值即果柄分離力(圖1)。

上圖果、葉柄分離測(cè)量，1指果葉固定裝置；2指果實(shí)或葉；3指果實(shí)卡圈或夾具；4指數(shù)顯拉力計(jì)；5指螺旋移動(dòng)部件。下圖不同作用方向角度α范圍圖1 果柄、葉柄的分離力測(cè)量

1.2.2 不同作用位置的葉柄分離力

新鮮樹枝剪枝后0、6、12、18、24、30、36、42、48 h，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)分4組進(jìn)行葉柄分離力測(cè)定，每組9個(gè)，每組平均值作為測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)將果枝固定，樹葉與拉力計(jì)通過(guò)夾具與樹葉相連，調(diào)整好作用角度后，勻速移動(dòng)拉力計(jì)，最終使樹葉與樹枝分離，拉力計(jì)最大值即葉柄分離力。試驗(yàn)分為正拉、順側(cè)拉和逆?zhèn)壤?個(gè)方向，每個(gè)方向測(cè)試9個(gè)樣本并取平均值。以樹枝末端為Y軸正方向，垂直樹枝軸線方向?yàn)閄軸，葉柄與X軸夾角為α，正拉方向?yàn)檠刂鴺淙~自然生長(zhǎng)方向，α角度為20°～30°，順側(cè)拉方向的α角度為70°～80°，逆?zhèn)壤较虻摩两嵌葹?40°～-50°(圖1)。

1.2.3 含水率

取5份樹枝分別進(jìn)行稱量，精確至0.001 g。采摘后的0、6、12、18、24、30、36、42、48 h分別進(jìn)行稱量，48 h后將試樣在(105±2)℃烘干，烘干8 h后每隔2 h稱量1次，直至最后2次稱量之差不超過(guò)試樣質(zhì)量的0.5%，即認(rèn)為試樣達(dá)到絕對(duì)干燥，并分別記錄最終質(zhì)量。根據(jù)w=[(mt-m0)/m0]×100計(jì)算含水率，式中：w為試樣的含水率(%)；mt為t時(shí)刻試樣的質(zhì)量(g)；m0為試樣絕對(duì)干燥時(shí)的質(zhì)量(g)。精確至0.1%，取5組數(shù)據(jù)的平均值作為最終含水率。

1.3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)以上測(cè)定數(shù)據(jù)，制作不同時(shí)間點(diǎn)果柄和葉柄分離力及含水率變化曲線，對(duì)果柄分離力、不同方向葉柄分離力與含水率測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸分析，建立回歸模型，對(duì)其擬合系數(shù)進(jìn)行分析，并驗(yàn)證可靠性。

2 結(jié)果與分析

2.1 光皮樹含水率及果柄、葉柄分離力

從圖2可以看出，隨著采摘后放置時(shí)間的延長(zhǎng)，果枝含水率下降速率較為平穩(wěn)；24 h前果柄和葉柄的分離力有明顯的下降，放置超過(guò)24 h后，果柄和葉柄分離力下降變得平緩；葉柄不同方向的分離力有明顯的區(qū)別，正拉和順側(cè)拉方向分離力相近，逆?zhèn)壤较虻姆蛛x力明顯小于正拉和順側(cè)拉方向。

圖2 光皮樹含水率及果葉參數(shù)變化

2.2 含水率對(duì)光皮樹果柄分離力的影響

含水率能夠很好地反映果實(shí)脫離樹體后的物理性能變化，也是深度加工的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。本研究通過(guò)記錄果枝剪后不同時(shí)間的質(zhì)量，計(jì)算不同放置時(shí)間的含水率，建立果柄分離力與含水率的曲線回歸方程。由相關(guān)性檢驗(yàn)可知，在0.01水平下，含水率對(duì)果柄分離力影響顯著(表1)。光皮樹果柄分離力與含水率多項(xiàng)式曲線回歸方程為y果=0.000 52x2-0.004 8x+0.19，R2為0.996，擬合度較高。從圖3中可以看出，隨著含水率的下降，果柄分離力不斷降低。

表1 光皮樹果葉各項(xiàng)參數(shù)相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))有顯著相關(guān)。

圖3 含水率對(duì)果柄分離力的影響

2.3 含水率及不同作用角度對(duì)葉柄分離力的影響

葉柄分離力是脫果及果葉分離機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)裝置的功率、作用方式和所用材料等有重要的影響。通過(guò)相關(guān)性分析可知在0.01水平下含水率對(duì)各方向葉柄分離力有顯著影響。對(duì)正拉、順側(cè)拉和逆?zhèn)壤?個(gè)作用方向葉柄分離力與含水率進(jìn)行回歸分析，建立曲線回歸方程(表2)。結(jié)果表明，試驗(yàn)中光皮樹葉柄正拉、順側(cè)拉和逆?zhèn)壤?個(gè)作用方向分離力與含水率多項(xiàng)式曲線回歸方程為分別為y正=0.14x-1.83；y順=0.15x-1.62；y逆=0.058x-0.86，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)顯示擬合度均較高，決定系數(shù)R2分別為0.978、0.954和0.966。由圖4可知，隨著含水率的下降，葉柄分離力不斷降低，正拉和順側(cè)拉方向分離力明顯高于逆?zhèn)壤较虻姆蛛x力；24 h之后葉柄分離力變化平緩，小葉片出現(xiàn)干燥易碎裂現(xiàn)象，36 h后大部分葉片夾持即破碎。

表2 含水率多項(xiàng)式方差分析

圖4 含水率對(duì)不同方向葉柄分離力的影響

3 小結(jié)與討論

光皮樹整枝采收后不同時(shí)間果柄與葉柄的分離力，是研制光皮樹機(jī)械化自動(dòng)脫果并分類收集設(shè)備的重要設(shè)計(jì)參數(shù)。小林果受氣溫和天氣等外界因素影響，所以不可避免存在一定誤差。本研究分析了不同含水率對(duì)果柄及不同作用方向葉柄分離力的影響，該試驗(yàn)結(jié)果能夠在一定程度上反映含水率對(duì)果柄分離力的影響趨勢(shì)，以及不同作用方向下含水率對(duì)葉柄分離力的影響趨勢(shì)，可為光皮樹機(jī)械化采收脫果裝置的研制提供參考。

含水率與果柄分離力和葉柄分離力的關(guān)系表明：隨著含水率的不斷下降，果柄分離力和葉柄分離力均逐漸降低，不同方向的葉柄分離力明顯不同，正拉和順側(cè)拉作用方向分離力相近，逆?zhèn)壤饔梅较蚍蛛x力明顯小于正拉和順側(cè)拉。采收后24 h，果柄和葉柄分離力均變化平緩，含水率低于26.6%，此時(shí)葉子在外力作用下很容易碎裂。在果實(shí)脫離過(guò)程中，如果摻雜進(jìn)大量的樹葉，會(huì)對(duì)果實(shí)的后續(xù)加工造成影響，因此，應(yīng)在提高脫果效率的同時(shí)，避免樹葉的脫落碎裂。

[1] 陳景震, 李昌珠, 肖志紅, 等. 光皮樹果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律研究[J]. 湖南林業(yè)科技, 2008, 35(1): 4-5.

[2] 羅永松. 光皮樹種實(shí)采收、調(diào)制和貯藏應(yīng)注意的技術(shù)問題[J]. 林業(yè)實(shí)用技術(shù), 2008 (9):24.

[3] 散鋆龍, 劉旋峰, 牛長(zhǎng)河, 等. 杏果實(shí)成熟度特性參數(shù)與果柄分離力的相關(guān)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(23):62-68.

[4] COPPOCK G E. Properties of young and mature ‘Valencia’ oranges related to selective harvest by mechanical means [J]. Transactions of the ASAE,1972, 15(2): 0235-0238.

[5] IBRAHIM A A, AL-JALIL H F, AL-DURI S M. Fruit detachment force and selective harvest of Zahdi date variety [J]. Journal of Agriculture and Water Resources Research. Plant Production (Iraq), 1986, 5(2): 81-96.

[6] CRISOSTO C H, NAGAO M A. Evaluation of fruit removal force of coffee cultivars [J]. HortScience, 1991, 26(2): 210.

[7] 謝風(fēng), 潘斌林, 胡松竹, 等. 光皮樹研究進(jìn)展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 37(7): 2961-2962.

[8] 張進(jìn), 畢新勝, 肖彬彬, 等. 加工番茄果莖分離力研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 40(8): 5051-5053.

[9] 楊會(huì)民, 喬園園, 王學(xué)農(nóng), 等. 杏果實(shí)與果枝分離力的影響因素分析[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工(上), 2015 (24): 1-3.

[10] 李昌珠, 肖志紅, 劉汝寬, 等. 光皮樹果實(shí)專用型螺旋冷榨機(jī)的壓榨性能研究[J]. 湖南林業(yè)科技, 2013, 40(2): 6-8.

[11] 戴萍, 尹增芳, 顧明干, 等. 光皮樹果實(shí)的數(shù)量性狀變異[J]. 林業(yè)科技開發(fā), 2010, 24(5): 34-37.

(責(zé)任編輯：侯春曉)

2017-05-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0600802)

李 興(1990—)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)裝備研究工作，E-mail:xinglicsu@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170824

S727.4

A

0528-9017(2017)08-1369-03

文獻(xiàn)著錄格式：李興，黃志輝，劉汝寬，等. 光皮樹含水率與果葉力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，58(8)：1369-1371，1375.