鴨茅狀摩擦禾種子的物理力學(xué)特性

黃文城，張林，葉大鵬,3*，TAYLORAlan George2*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州350002；2.康奈爾大學(xué)植物科學(xué)研究所/紐約州農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站，杰尼瓦14456-0462，美國(guó)；3.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福州350002）

鴨茅狀摩擦禾（Tripsacum dactyloids）是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值極高的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)禾本科牧草，主要用作飼草料生產(chǎn)，還可作為生產(chǎn)生物乙醇的纖維質(zhì)原料，是土壤改性和水土保持的理想作物[1-3]。此外，鴨茅狀摩擦禾種子還具有生產(chǎn)高纖維面粉和高品質(zhì)食用油的潛在價(jià)值[4]。然而，種子質(zhì)量參差不齊、建植困難等問(wèn)題，嚴(yán)重限制了鴨茅狀摩擦禾在我國(guó)的推廣和種植。影響鴨茅狀摩擦禾種子質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素是包圍穎果的堅(jiān)硬厚重的外層結(jié)構(gòu)，即種殼[5-6]。去除種殼可以破除因機(jī)械束縛作用而引起的種子休眠，提高種子發(fā)芽率[7-8]；脫殼加工也是利用穎果生產(chǎn)高品質(zhì)面粉和植物油的前提[9]。因此，脫殼處理是提升鴨茅狀摩擦禾種子質(zhì)量并提高種子附加值的關(guān)鍵。

鴨茅狀摩擦禾種子的種殼異常堅(jiān)硬且形狀不規(guī)則，殼仁間隙小，導(dǎo)致現(xiàn)有的機(jī)械化脫殼技術(shù)尚無(wú)法有效地分離種殼和穎果。由于生產(chǎn)中涉及種子播種、收獲、加工與檢測(cè)等作業(yè)環(huán)節(jié)的設(shè)備選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化均需要充分考慮種子的形態(tài)特征和物理力學(xué)特性[10-12]，因此，本研究擬通過(guò)對(duì)不同品種鴨茅狀摩擦禾完整種子及穎果的基本尺寸、質(zhì)量、含水率和破裂力等物理力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析，從而為探索新型、高效脫殼方法及脫殼裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種子來(lái)源與處理

研究對(duì)象為3個(gè)鴨茅狀摩擦禾種子批（P1、P2、M2）。P1和 P2均為二倍體品種 Pete，M2為四倍體品種Meadowcrest。P1種子批從種子公司購(gòu)得，P2和M2是從同一試驗(yàn)田中人工獲取的種子批。試驗(yàn)前將這3個(gè)種子批均貯存于5℃恒溫種子儲(chǔ)藏室中。利用嵌甲鉗進(jìn)行人工脫殼[13]，獲取研究所需的穎果和種殼。

1.2 種子尺寸

從3個(gè)種子批中各隨機(jī)抽取100粒完整種子和穎果，利用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量每粒種子及穎果的基本尺寸：長(zhǎng)度（L/l）、寬度（W/w）和厚度（T/t），如圖1所示。長(zhǎng)度為種子或穎果上下兩端的軸向間距，寬度和厚度分別為最大橫切面直徑和該橫切面對(duì)應(yīng)的最小直徑。

圖1 完整種子（A）及穎果（B）的基本尺寸測(cè)量Fig.1 Dimesions of intact seed(A)and caryopsis(B)in eastern gamagrass

從P1種子批中隨機(jī)抽取1 000粒種子，利用圓孔篩和長(zhǎng)孔篩分別按寬度和厚度進(jìn)行篩選，然后分別對(duì)各類種子進(jìn)行計(jì)數(shù)并計(jì)算其占樣品種子數(shù)的百分比，以獲得該種子批在寬度和厚度尺寸上的分布規(guī)律。

通過(guò)粒徑衡量種子的整體尺寸，以3個(gè)基本尺寸的幾何平均值計(jì)算種子的粒徑（Dg）[14]：

為確定鴨茅狀摩擦禾種子的形狀，基于基本尺寸計(jì)算種子的球度、長(zhǎng)寬比（L/W）、長(zhǎng)厚比（L/T）和寬厚比（W/T）。其中，種子的球度（φ）按照以下公式計(jì)算[14]：

種子表面積（S）和體積（V）的計(jì)算公式如下[15]：

1.3 種子質(zhì)量

1.3.1 千粒重

采用百粒法測(cè)定鴨茅狀摩擦禾種子的千粒重?；趪?guó)際種子檢測(cè)規(guī)程[16]，從種子和穎果試驗(yàn)樣品中分別隨機(jī)數(shù)取8個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)100粒種子，用精度為0.000 1 g的數(shù)字電子天平進(jìn)行稱量，保留到小數(shù)點(diǎn)后3位。100粒種子的平均質(zhì)量乘以10即為千粒重。種殼的質(zhì)量等于完整種子質(zhì)量減去穎果的質(zhì)量。

1.3.2 種子質(zhì)量分布

從P1種子批中隨機(jī)抽取300粒完整種子，每粒種子稱量后將種殼去除，再稱量穎果的質(zhì)量，從而獲得種子和穎果質(zhì)量的分布規(guī)律，以及穎果質(zhì)量和完整種子質(zhì)量之間的關(guān)系。

1.3.3 種子質(zhì)量對(duì)發(fā)芽率的影響

根據(jù)P1種子批穎果的質(zhì)量（m,mg）分布規(guī)律，從m＜10、10≤m＜20、20≤m＜30和m≥30共4個(gè)質(zhì)量范圍中各隨機(jī)抽取4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)包括25粒穎果。將穎果均勻地分布在塑料發(fā)芽盒（90 mm×90 mm×35 mm）內(nèi)鋪有2層用20 mL蒸餾水浸濕的發(fā)芽紙上，在20℃/30℃（16 h/8 h）交變溫度發(fā)芽箱中進(jìn)行為期2周的發(fā)芽試驗(yàn)。在20℃低溫條件下無(wú)光照16 h，在30℃高溫條件下光照8 h[8]。

1.4 水分活度

利用AquaLab 4TE水分活度測(cè)定儀在25℃條件下測(cè)定鴨茅狀摩擦禾完整種子、穎果及種殼的水分活度（aw）。采用Braun KSM2小型粉碎機(jī)獲取試驗(yàn)所需粉碎樣品。為避免長(zhǎng)時(shí)間粉碎造成水分散失[17]，完整種子和種殼的粉碎時(shí)間為30 s，穎果的粉碎時(shí)間為20 s。隨機(jī)稱取2 g未粉碎及粉碎的完整種子、穎果及種殼樣品（圖2），分別測(cè)定并計(jì)算其水分活度。本試驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次。

1.5 含水率

采用高恒溫烘干法測(cè)定鴨茅狀摩擦禾完整種子、穎果及種殼的含水率[16]。隨機(jī)稱取2 g粉碎樣品，在130℃烘箱內(nèi)烘干4 h，隨后取出樣品盒并放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱量。本試驗(yàn)重復(fù)測(cè)定2次，計(jì)算樣品的實(shí)際含水率（CM）：

式中：m1為樣品烘干前的質(zhì)量，g；m2為樣品烘干后的質(zhì)量，g。

圖2 未粉碎樣品（A）和對(duì)應(yīng)的粉碎樣品（B）Fig.2 Unground samples(A)and corresponding ground samples(B)

1.6 破裂力

利用TAXT.2型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量P1和M2種子批的完整種子和穎果的破裂力。隨機(jī)抽取60粒種子，以速度1 mm/s進(jìn)行軸向和側(cè)向壓縮直至種子破裂。通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)記錄壓縮過(guò)程中的壓縮力，種子的破裂力可直接從壓縮曲線上讀取。

1.7 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013錄入、整理數(shù)據(jù)，計(jì)算所有物理力學(xué)特性參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。利用JMP 10.0軟件對(duì)鴨茅狀摩擦禾種子的基本尺寸和質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，顯著性水平取0.05；基于Tukey檢驗(yàn)，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均值比較分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 種子的基本尺寸及分布

表1顯示了3個(gè)種子批的完整種子、穎果和種殼的尺寸特性參數(shù)值。在所測(cè)樣品中，P1、P2和M2完整種子的長(zhǎng)度范圍分別為6.8～11.8、7.1～12.7和7.9～12.5 mm；寬度范圍分別為3.6～6.5、3.8～6.3和4.3～6.6 mm；厚度范圍分別為2.8～4.8、2.6～5.0和3.3～5.0 mm。P1、P2和M2穎果的長(zhǎng)度范圍分別為3.3～6.2、3.7～6.2和3.4～7.2 mm；寬度范圍分別為1.8～4.1、2.6～4.2和1.7～5.0 mm；厚度范圍分別為0.9～3.5、1.8～3.5和1.2～3.6 mm。雖然3個(gè)種子批基本尺寸的范圍大小相差不大，但在完全相同的生產(chǎn)條件下，M2種子批的完整種子和穎果的平均尺寸均顯著地大于P1和P2種子批（表1）。從完整種子和穎果在寬度和厚度上的差異可以看出，與二倍體種子批P2相比，四倍體種子批M2具有較大的種殼厚度。相同品種的2個(gè)種子批P1和P2在種子尺寸上差別不大，僅在完整種子的寬度和穎果的厚度上有顯著性差異。這些差異主要是由開(kāi)花和穎果形成過(guò)程中不同的自然環(huán)境條件造成的[18]。3個(gè)種子批的完整種子長(zhǎng)度均約為穎果長(zhǎng)度的2倍，而完整種子的粒徑均比穎果的粒徑大約2 mm。

表1 鴨茅狀摩擦禾種子的尺寸特性Table 1 Size properties of eastern gamagrass seed

根據(jù)種子清選和分級(jí)加工中對(duì)種子粒徑的分級(jí)[19]，鴨茅狀摩擦禾完整種子屬于大粒種子（Dg≥5 mm），而穎果屬于中粒種子（3 mm≤Dg＜5 mm）。P1和P2完整種子和穎果的球度均大于M2種子批，3個(gè)種子批中穎果的球度（0.68～0.75）均顯著大于完整種子的球度（0.60～0.63）。根據(jù)種子球度和3個(gè)基本尺寸的比例關(guān)系，可確定鴨茅狀摩擦禾種子屬于長(zhǎng)球體（φ≈0.60～0.85，且L/W≈L/T），在種子加工過(guò)程中可采用窩眼筒進(jìn)行分選[19]。

3個(gè)種子批完整種子及穎果的基本尺寸相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，穎果的寬度和厚度（w/t）是相關(guān)性最高且尺寸值相差最小的2個(gè)尺寸。而尺寸相差最大的為完整種子的長(zhǎng)度和厚度（L/T）。在P1種子批中，完整種子的長(zhǎng)度和厚度（L/W）的相關(guān)性不顯著。在P2種子批中，完整種子的長(zhǎng)度和寬度（L/W）及寬度和厚度（W/T）不具有顯著相關(guān)性，而穎果的尺寸相關(guān)性正好相反。在M2種子批中，僅完整種子的長(zhǎng)度和厚度（L/T）不具有顯著相關(guān)性。唯一的顯著性負(fù)相關(guān)存在于M2完整種子的長(zhǎng)度和寬度（L/W）之間，而其他參數(shù)均為正相關(guān)。

2.2 種子質(zhì)量

由圖3可知，在相同的自然環(huán)境條件下，四倍體種子批M2完整種子、穎果和種殼的質(zhì)量均顯著大于二倍體種子批P2。HENSON[20]研究顯示，四倍體鴨茅狀摩擦禾品種Nacogdoches完整種子質(zhì)量同樣大于二倍體品種Pete和Iuka IV，而Nacogdoches完整種子千粒重為101 g，小于本研究中M2的千粒重（117 g）。同為二倍體的P1和P2完整種子和種殼的質(zhì)量無(wú)顯著差異，但P1穎果質(zhì)量顯著大于P2，這與2個(gè)種子批開(kāi)花和形態(tài)建成過(guò)程中的環(huán)境條件差異有關(guān)[21]。P1和P2的穎果質(zhì)量均為完整種子質(zhì)量的1/3，而M2的穎果質(zhì)量?jī)H占完整種子的1/4。SPRINGER等[6]對(duì)二倍體鴨茅狀摩擦禾品種Iuka和Pete的研究表明，2個(gè)品種的種殼占比為68%，本研究與其相似。另一項(xiàng)研究[22]顯示，在檢測(cè)的42個(gè)二倍體、三倍體和四倍體鴨茅狀摩擦禾種子批中，種殼所占比重為62%～87%。由于種子質(zhì)量不僅與環(huán)境條件和品種有關(guān)，還與種子在花序中的位置有關(guān)，鴨茅狀摩擦禾種子從花序頂部自上而下逐漸成熟，因此種子質(zhì)量從花序根部到頂部有逐漸增大的趨勢(shì)[21,23]。

表2 鴨茅狀摩擦禾種子基本尺寸的相關(guān)性檢驗(yàn)Table2 Correlation test of seed dimensionsin eastern gamagrass

圖3 3個(gè)鴨茅狀摩擦禾種子批（P1、P2、M 2）的千粒重Fig.3 Thousand-seed weight of three eastern gamagrass seed lots(P1,P2,M 2)

圖4 顯示P1種子批完整種子和穎果的質(zhì)量均呈現(xiàn)出良好的正態(tài)分布規(guī)律。在所測(cè)樣本中，完整種子質(zhì)量集中在40～90 mg（范圍18.5～117.8 mg，平均67.5 mg），穎果質(zhì)量集中在20～30 mg（范圍0～44.2 mg，平均22.6 mg）。質(zhì)量較小（或?yàn)?）的穎果均來(lái)自未成熟的空癟種子。53%的穎果質(zhì)量集中在20～30 mg之間，而在SPRINGER等[6]的研究中，這個(gè)比例為41%。JACKSON等[24]也研究了某二倍體鴨茅狀摩擦禾品種穎果的質(zhì)量分布，發(fā)現(xiàn)大部分穎果質(zhì)量集中在20～35 mg，平均質(zhì)量為27.7 mg，大于本研究使用的二倍體品種Pete。

圖4 鴨茅狀摩擦禾P1種子批完整種子及穎果的質(zhì)量分布圖Fig.4 Mass distribution of intact seed and caryopsis in P1 eastern gamagrassseed lot

相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果表明，P1種子批的穎果質(zhì)量和完整種子質(zhì)量之間呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.93。擬合結(jié)果（圖5）顯示，穎果質(zhì)量與完整種子質(zhì)量具有顯著的線性關(guān)系（R2=0.89）。質(zhì)量m＜10 mg、10≤m≤20 mg、20＜m≤30 mg和m＞30 mg的穎果發(fā)芽率分別為0%、64%、76%和82%。穎果質(zhì)量對(duì)發(fā)芽率有顯著影響：質(zhì)量小于10 mg的穎果因胚等組織尚未成熟，故不能正常發(fā)芽；質(zhì)量為10～20 mg的穎果發(fā)芽率顯著低于質(zhì)量更大的2組穎果的發(fā)芽率；20～30 mg和＞30 mg這2組穎果的發(fā)芽率差別不顯著。研究表明，質(zhì)量大的鴨茅狀摩擦禾穎果不僅發(fā)芽率高，而且發(fā)芽速度快，幼苗更強(qiáng)壯，不易受微生物的攻擊[6,24-25]。因此，為了提升Pete品種鴨茅狀摩擦禾種子質(zhì)量，應(yīng)在種子清選中調(diào)節(jié)好氣流速度，并將質(zhì)量低于40 mg的完整種子或質(zhì)量小于10 mg的穎果剔除掉。

圖5 鴨茅狀摩擦禾完整種子質(zhì)量和穎果質(zhì)量的關(guān)系Fig.5 Correlation between intact seed mass and caryopsis mass in eastern gamagrass

2.3 種子水分

表3中的結(jié)果顯示，完整種子、穎果和種殼的水分活度（aw）大小變化規(guī)律與含水率（CM）相吻合，高水分活度對(duì)應(yīng)高含水率。從水分活度和含水率大小可以看出，研究所用的3個(gè)種子批均處于安全儲(chǔ)藏水分范圍（aw＜0.5，CM＜9%）[26]。收獲地點(diǎn)、時(shí)間及加工處理方式均完全一致的二倍體P2和四倍體M2種子批中，M2穎果和種殼的含水率均略高于P2，這可能是由于M2的種殼大且厚，在自然晾干時(shí)影響了穎果和種殼水分的散失。然而，M2完整種子的含水率卻低于P2，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是M2種子中低水分種殼所占比重較高。完整種子的含水率介于穎果和種殼的含水率之間，穎果的含水率顯著地高于種殼的含水率。

含水率和水分活度是影響種子貯藏穩(wěn)定性的2個(gè)重要參數(shù)。水分活度的測(cè)量簡(jiǎn)單、迅速、精度高，可用于包衣和制粒種子的水分測(cè)定，還可直接反映種子的壽命，故常用水分活度取代含水率來(lái)評(píng)價(jià)種子的貯藏特性[27]?；诒粶y(cè)種子的吸濕等溫線，可通過(guò)測(cè)量水分活度再直接轉(zhuǎn)化為含水率，相比用烘箱測(cè)量含水率的方法既節(jié)省了時(shí)間和勞力，又提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性[28-29]。

2.4 種子破裂力

由表4可知：在被測(cè)的P1和M2種子批中，側(cè)向壓縮時(shí)，完整種子的破裂力均顯著地大于穎果的破裂力，在種殼破裂的同時(shí)，穎果也會(huì)受到破壞。而在軸向壓縮時(shí)，完整種子的破裂力顯著地減小，僅約為穎果破裂力的1/2（P1）和2/3（M2），種殼的類圓柱外形結(jié)構(gòu)和軸向纖維組織排列方式致使其在軸向壓縮時(shí)更易破裂。M2完整種子軸向和側(cè)向壓縮的破裂力均大于P1，這與M2的種殼更為厚重有關(guān)。雖然M2穎果尺寸比P1大（表1），但破裂力并無(wú)顯著差異（表4）。破裂力試驗(yàn)結(jié)果表明，軸向壓縮方式可以有效破除種殼，并最大限度地保證穎果無(wú)損傷，有助于提高脫殼質(zhì)量和脫殼效率。

表3 鴨茅狀摩擦禾種子水分活度和含水率Table3 Water activitiesand moisturecontentsof eastern gamagrassseed

表4 鴨茅狀摩擦禾完整種子和穎果的破裂力Table4 Ruptureforceof intact seed and caryopsisin eastern gamagrass N

本研究中的完整種子及穎果的軸向、側(cè)向破裂力大小關(guān)系與南瓜子及南瓜子仁、葵花籽及葵花籽仁的情況相反[30-31]，這主要是由種子的形狀和結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的。南瓜子和葵花籽均為雙子葉結(jié)構(gòu)，側(cè)向壓縮時(shí)在籽殼側(cè)棱縫合線上易出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而使籽殼破裂。而南瓜子仁和葵花籽仁在軸向壓縮時(shí)破裂力更小。此外，種子的破裂力大小和含水率高低密切相關(guān)。一般情況下，隨著種子含水率的增大，種殼纖維素的纖維軟化，彈性模量增大，雖然種殼破裂力減小，但達(dá)到種子破裂所需變形量增大，進(jìn)而導(dǎo)致壓縮能耗的增大[32]。穎果或果仁的情況有所不同，有些種子（如花生仁和南瓜子仁）的破裂力隨含水率的增大而減小，有些種子（如瓜子仁）的破裂力則隨含水率的增大先增大后減小[15,30-31]。因此，為了獲得最佳的脫殼效果，有必要對(duì)種子的水分進(jìn)行調(diào)控。對(duì)種子物理特性的研究和對(duì)破裂力測(cè)量試驗(yàn)的結(jié)果為探索鴨茅狀摩擦禾種子新型脫殼方法提供了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

同一品種、不同種子批的鴨茅狀摩擦禾種子在尺寸和千粒重上的差異主要由生長(zhǎng)環(huán)境決定；而在相同的生長(zhǎng)環(huán)境條件下，四倍體品種Meadowcrest完整種子和穎果的尺寸和質(zhì)量均大于二倍體品種Pete，四倍體和二倍體的穎果質(zhì)量分別占完整種子質(zhì)量的1/4和1/3。相比Pete，Meadowcrest種殼大且厚，在種子單位中所占比重高，導(dǎo)致其穎果和種殼的含水率均較高，而其完整種子含水率卻較低。種子破裂力大小與壓縮方向有關(guān)，軸向壓縮時(shí)完整種子的破裂力顯著低于穎果破裂力。完整種子長(zhǎng)度約為穎果長(zhǎng)度的2倍，種殼在軸向壓縮時(shí)有充分的空間彎曲變形并破裂，而不致?lián)p傷穎果。因此，軸向壓縮可能是一種有效分離鴨茅狀摩擦禾種子種殼并獲得無(wú)損傷穎果的脫殼方法，值得進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證與研究應(yīng)用。