鮮食玉米苞葉的拉伸斷裂特性研究*

陳 舜，張新偉，易克傳 ，沙學(xué)猛，陳珺烆，苑鳳霞

(安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

鮮食玉米也稱水果玉米，是一種糧蔬兼用的乳熟期采摘新鮮果穗玉米。近年來，鮮食玉米以其獨特的營養(yǎng)價值和口感，受到越來越多消費者的歡迎[1-2]。據(jù)統(tǒng)計：截至2020 年，中國鮮食玉米年種植面積超過134 萬hm2，是目前全球最大的鮮食玉米生產(chǎn)和消費國家[3]。鮮食玉米收獲加工工序為：剝皮剔除→果穗切端→果穗清洗→果穗蒸煮→冷卻、瀝水→真空包裝等，果穗剝皮是玉米機械化收獲過程中的重要環(huán)節(jié)[4]。收獲期如不能及時剝除鮮食玉米苞葉，籽粒容易發(fā)生霉變；在去除苞葉的前提下，實現(xiàn)鮮食玉米收獲機械化作業(yè)對于提高生產(chǎn)效率、減輕勞動強度、降低收獲損失和確保豐收至關(guān)重要，其中，減少和防止過度剝離力造成的機械損傷值得特別關(guān)注。

機械拉伸是測試苞葉機械剝離最簡單的方法，對于機械去葉具有重要的現(xiàn)實意義[5]。研究認為植物葉片的分布位置和取向?qū)θ~片的拉伸有著重要的影響[6]，斷裂強度取決于靜脈的方向，特別是平行于靜脈的拉力[7-8]。TANG 等[9]研究發(fā)現(xiàn)：隨著水分含量的降低，水稻葉片抗拉強度逐漸降低，且呈先增大后減小的趨勢。一些研究還發(fā)現(xiàn)了物種間斷裂力和斷裂能的差異主要來自于植物部位截面積的差異[10-13]。可見，施加載荷位置和取向、含水量以及橫截面積對植物葉片的拉伸有較大的影響。目前，關(guān)于鮮食玉米苞葉拉伸的研究相對較少，研究鮮食玉米苞葉拉伸的性能有助于以最低的能量去除苞葉，以解決提高鮮食玉米產(chǎn)品品質(zhì)、降低機械損傷等關(guān)鍵問題[14-15]。

本研究以2 個鮮食玉米品種為樣品，對其苞葉的物理性能和拉伸性能進行測試。目的在于比較苞葉含水量、苞葉厚度和拉伸載荷方向?qū)︴r食玉米收獲期葉片和葉鞘拉伸性能的影響，建立葉片和葉鞘的斷裂力、抗拉強度、斷裂能隨苞葉含水量和厚度變化的數(shù)學(xué)模型，以期用于鮮食玉米剝皮裝置的設(shè)計和參數(shù)的設(shè)置。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于安徽省滁州市安徽科技學(xué)院試驗基地(N32°52′60″～32°54′23″，E117°32′60″～117°33′51″，海拔197.5 m)，平均氣溫15.9 ℃，年降雨量800～1 000 mm。播種前試驗地的土壤理化性狀為：有機質(zhì)含量13.60 g/kg，全氮含量0.04 g/kg，全磷含量0.60 g/kg，有效磷含量32.41 mg/kg，全鉀含量2.72 g/kg，速效鉀含量146.99 mg/kg，pH值6.01。

1.2 供試材料

以金銀花1918 和閩雙色9 號2 種鮮食玉米品種作為試驗樣品。該種鮮食玉米一般一年可播種多次，尤其在春夏季節(jié)，成熟時間短，易收獲。本次試驗試樣于2022 年7 月播種，從播種到成熟生長期為80～90 d。玉米苞葉由葉片和葉鞘組成[16]，重疊的苞葉通過花梗的連接包裹著果穗和籽粒(圖1)。剝皮過程中，苞葉的斷裂部位主要發(fā)生于葉片或花梗交界處[17]，因此，本研究選取鮮食玉米苞葉葉片和葉鞘作為拉伸試驗位置。

圖1 鮮食玉米穗形態(tài)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Section diagram of morphological structure of a fresh corn ear

1.3 試驗儀器

UTM6104 型微機控制電子萬能試驗機，上海三思機械制造有限公司；ZG-TP203 型電子天平，上海然浩電子有限公司；300 mm 111-103 型游標卡尺，日本三量公司。電子萬能拉伸試驗機試驗平臺(圖2)的配套軟件可實時顯示拉伸數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進行后期處理。

1.4 試驗設(shè)計

1.4.1物理性質(zhì)的測定

在收獲期隨機選取50 穗鮮食玉米，測定每個鮮食玉米的穗長、穗寬、葉片厚度、苞葉葉鞘厚度和苞葉總數(shù)；比較不同層苞葉的物理性質(zhì)，測定苞葉含水量。

1.4.2拉伸試驗

金銀花1918 苞葉數(shù)為8～13 層，閩雙色9 號苞葉數(shù)為8～14 層。因最外層的苞葉長期與外界環(huán)境接觸以及收獲過程中的破壞而受損，本研究以第2～8 層苞葉為例，研究苞葉的拉伸性能。將每片葉片切成2 個試樣進行拉伸試驗，一個試樣葉片沿著縱向脈方向切取長100 mm、寬30 mm的矩形，進行縱向拉伸試驗；另一個試樣葉片沿著垂直于縱向脈方向相同葉片、相似位置的剩余部分切取長50 mm、寬30 mm 的矩形，進行橫向拉伸試驗。取試樣果穗和苞葉進行葉鞘拉伸試驗，葉鞘與花梗的連接長度控制在15 mm，去除外層易碎或易壞苞葉，每個試驗組準備5 個試樣。

試驗前正確安裝用于拉伸的夾具，安裝時不宜過緊，以免內(nèi)應(yīng)力過大影響試驗結(jié)果。將試樣通過機械夾具固定在試驗機的下橫梁和動橫梁之間，傳感器歸零。移動梁以10 mm/min 的恒定速度向上移動，直至試樣斷裂。在試驗過程中，試樣從夾具上滑落或折斷的試樣判定為無效。單次試驗重復(fù)5 次，計算各試驗指標的平均值和標準差，繪制有效試驗荷載—位移曲線，確定斷裂力、抗拉強度和斷裂能。

斷裂力是試樣在拉伸狀態(tài)下斷裂破壞時所承受的最大力；抗拉強度(σt)定義為試樣單位橫截面積的斷裂力，單位為MPa，計算公式為[6,18-19]：

式中：Fb為斷裂力，N；A為試樣截面積，mm2；w為試樣寬度，mm；t為試樣平均厚度，mm。

斷裂能是材料斷裂所需要消耗的能量，是材料在外力作用下變形所產(chǎn)生的內(nèi)能，描述為從試驗原點到最大加載點的荷載—位移曲線下的面積，其數(shù)學(xué)表達式為[10,20-21]：

式中：Eg為斷裂能，J；F(x)表示與力和變形(N·mm)有關(guān)的多項式和指數(shù)函數(shù)；Fn和Fn+1為拉伸載荷，N；xn和xn+1為試件延伸率，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 22.0 軟件進行回歸分析和單因素方差分析(ANOVA)，在顯著性水平上設(shè)為0.05，用Duncan 區(qū)間檢測評估處理之間的差異，表明顯著性；采用Origin 2021 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鮮食玉米材料的物理性質(zhì)

由表1 可知：2022 年9 月17 日—26 日，金銀花1918 的苞葉、花梗和籽粒含水量分別下降20.69%、26.82%和19.50%，閩雙色9 號的苞葉、花梗和籽粒含水量分別下降26.73%、23.57%和18.69%?？梢姡S著收獲日期的推遲，鮮食玉米果穗各部位水分含量呈下降趨勢。2 種鮮食玉米的葉片厚度、葉鞘厚度、苞葉長度和苞葉寬度均隨著收獲日期的推遲而呈減小的趨勢，即鮮食玉米葉片含水量較高時，葉片內(nèi)部間隙充滿水分；而當(dāng)葉片含水量降低時，葉片水分隨時間的推移而蒸發(fā)散失，導(dǎo)致葉片內(nèi)部水分缺失干燥，從而使葉片緊縮。由表2 可知：第2～8 層苞葉葉片和葉鞘的平均厚度由外層到內(nèi)層逐漸減小，平均含水量由外層到內(nèi)層呈先增大后減小的趨勢。

表1 鮮食玉米材料物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of fresh corn materials

表2 第2～8 個苞葉的物理性質(zhì) (2022-09-20)Tab.2 Physical properties of the second to eighth bracts

2.2 葉片拉伸試驗結(jié)果

由表3 可知：在試樣寬度相同的情況下，2 個品種葉片的縱向拉伸和橫向拉伸斷裂力均表現(xiàn)出由外層向內(nèi)層逐漸減小的趨勢；在縱向拉伸和橫向拉伸過程中，抗拉強度由外層向內(nèi)層表現(xiàn)為減小的趨勢，但是各層葉片的抗拉強度差異性較小，這與葉片的含水量有一定的關(guān)系；斷裂能總體呈先增大后減小的趨勢，在接近中間層偏外呈最大斷裂能，這與含水量和葉片厚度有關(guān)。單因素分析表明：葉片拉伸性能對斷裂力和斷裂能有極顯著的影響(P＜0.01)，但對抗拉強度影響不明顯(P＞0.05)。

表3 第2～8 層葉片的拉伸性能及重復(fù)測量方差分析Tab.3 Tensile properties of the second to the eighth layer of blades and repeated measures analysis of variance

由圖3 可知：葉片最大伸長率隨收獲日的推遲而減小，而斷裂力的變化趨勢則相反。增加橫、縱2 個方向上的拉伸載荷，試件延伸率也隨之變化，當(dāng)達到試樣最大承受峰值時，試件會斷裂而突然下降?？v向拉伸葉片的平均斷裂力和抗拉強度分別約為橫向拉伸葉片的3.91 倍和4.70倍；縱向拉伸葉片的平均斷裂能約為橫向拉伸葉片的11.20 倍。可見，在鮮食玉米剝皮過程中，苞葉的機械剝離在橫向上更易斷裂。

圖3 不同收獲期鮮食玉米第3 葉片拉伸試驗力—位移曲線Fig.3 Force-displacement curves of the tensile test of the third blade from fresh corn bracts in different harvest date

2.3 葉鞘拉伸試驗結(jié)果

由表4 可知：苞葉含水量對葉鞘的拉伸性能有極顯著影響(P＜0.01)，葉鞘厚度的斷裂力和斷裂能對葉鞘的拉伸性能有極顯著影響(P＜0.01)，但是葉鞘厚度的抗拉強度對葉鞘的拉伸性能無顯著影響(P＞0.05)。

由圖4 可知：隨著收獲日期的延遲，2 個品種第1 層葉鞘的平均斷裂力和抗拉強度均隨著水分含量的降低而增大，平均斷裂能則呈先增大后減小的趨勢。金銀花1918 和閩雙色9 號葉鞘的斷裂力和抗拉強度與苞葉含水量分別滿足相關(guān)系數(shù)R2＞0.849 和R2＞0.897，2 個品種的葉鞘斷裂能與苞葉含水量均滿足相關(guān)系數(shù)R2＞0.931。葉鞘在0°、90°和180°拉伸時，去除第3 層葉鞘所需的平均斷裂力分別為61.67、17.73 和12.57 N，平均抗拉強度分別為3.60、1.31 和1.06 MPa，平均斷裂能分別為78.62×10—3、23.55×10—3和6.16×10—3J。

圖4 葉鞘拉伸性能與苞葉含水量的關(guān)系Fig.4 Relationship between tensile properties and bract water content of leaf sheath

由圖5 可知：2 個品種第2～8 層葉鞘與花梗之間的平均斷裂力由外到內(nèi)依次減小。葉鞘厚度對葉鞘抗拉強度無顯著影響(P＞0.05)，當(dāng)拉伸角為0°和90°時，外層的平均拉伸強度高于內(nèi)層；當(dāng)拉伸角為180°時，各層的平均拉伸強度相差不大。斷裂能則由外層向內(nèi)層呈先增大后減小的趨勢。2 個品種的葉鞘平均斷裂力與葉鞘厚度均滿足相關(guān)系數(shù)R2＞0.919 (0°)和R2＞0.830 (90°、180°)；葉鞘的平均抗拉強度和斷裂能與葉鞘厚度分別滿足相關(guān)系數(shù)R2＞0.474 和R2＞0.872。在0°、90°和180°的角度下拉伸時，去除第2～8 層葉鞘所需的平均斷裂力分別為47.52、13.18 和8.51 N，平均抗拉強度分別為1.09、0.65 和0.22 MPa，平均斷裂能分別為67.82×10—3、20.12×10—3和5.41×10—3J。

圖5 葉鞘拉伸性能與葉鞘厚度的關(guān)系Fig.5 Relationship between the tensile properties and the thickness of leaf sheath

3 討論

對鮮食玉米而言，其果穗幼嫩、含水量高、苞葉與籽粒之間粘連性高等特點是制約農(nóng)業(yè)機械化剝皮的主要因素，如何最大限度地利用有限資源以最小能量斷裂苞葉，對指導(dǎo)和推廣鮮食玉米果穗脫皮技術(shù)、促進鮮食玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[22-24]。

LI 等[25]研究表明：在進行葉片拉伸試驗時，縱向和橫向拉伸斷裂力均表現(xiàn)出由外層向內(nèi)層逐漸減小的趨勢，除第2 層葉片抗拉強度較大外，各層相差不大，這與苞葉含水量有關(guān)；最大斷裂能出現(xiàn)在中間層，這與苞葉含水量和葉片厚度有關(guān)；縱向拉伸比橫向拉伸大，這與拉伸載荷方向有關(guān)。多項研究表明：斷裂力與截面積有很強的相關(guān)性[11-12]；葉片厚度對斷裂力和斷裂能有極顯著影響，但對抗拉強度沒有顯著影響[10]。本研究選用2 個鮮食玉米品種進行葉片拉伸試驗，結(jié)果顯示：葉片在進行縱向和橫向拉伸時，各層葉片抗拉強度差異不大，這與葉片含水量有關(guān)；在接近中間層偏外出現(xiàn)最大斷裂能，這與葉片含水量和葉片厚度有關(guān)。然而，部分研究表明苞葉剝離試驗與含水量無關(guān)[15,17]，這與本研究結(jié)果相反。在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的影響，在鮮食玉米成熟收獲時，各品種鮮食玉米果穗有不同的差異，選取具有代表性的鮮食玉米品種進行苞葉拉伸研究，雖有一定的限制性，但苞葉拉伸試驗結(jié)果基本保持一致[17]。

有研究表明：由木質(zhì)素和纖維成分組成的葉片具有相對較高的極限強度，在進行拉伸斷裂時，會有一段較長時間的裂紋擴展后再斷裂，若改變拉伸斷裂角度，也會相應(yīng)發(fā)生應(yīng)力轉(zhuǎn)變成彎曲應(yīng)力，外層比內(nèi)層極限應(yīng)力大[25-27]。本研究表明：在橫向拉伸的過程中可以觀察到葉片試樣的斷裂形態(tài)較為規(guī)則，因橫向拉伸時葉脈阻力小，斷裂方式為葉肉組織沿縱脈方向斷裂，裂紋發(fā)生在相鄰2 條縱向脈間，然后迅速擴展直至試樣斷裂；在0°拉伸葉鞘時，葉鞘的斷裂方式與葉片縱向拉伸的斷裂方式相似；在180°拉伸葉鞘時，葉鞘的抗拉強度較小，葉鞘的斷裂方式在葉鞘的根部斷裂，斷裂方式的變化是由于鮮食玉米表面纖維的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變成彎曲應(yīng)力，從而改變了裂紋的萌生和擴展機制[28]。因此，本研究采用拉伸斷裂特性研究2 種鮮食玉米品種，并對其苞葉進行物理特性及拉伸結(jié)果分析，得出苞葉拉伸斷裂的特點，以最小能量斷裂苞葉，提高剝皮效率，可促進鮮食玉米產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

金銀花1918 和閩雙色9 號2 個品種的苞葉尺寸和含水量隨著收獲時間和苞葉層數(shù)的變化而變化。苞葉含水量對斷裂力、抗拉強度和斷裂能有顯著影響，而苞葉厚度僅對斷裂力和斷裂能有顯著影響，對抗拉強度的影響不明顯；縱向拉伸葉片的平均斷裂力、抗拉強度和平均斷裂能分別約為橫向拉伸葉片的3.91 倍、4.70 倍和11.20倍；葉鞘的拉伸性能取決于方向的夾角，隨著拉力角的增大，拉伸性能逐漸下降。葉片的機械剝離過程中更容易發(fā)生橫向斷裂，增加對苞葉的拉力角，可以降低機械剝離的損耗，提高機械剝離的效率和質(zhì)量，有利于減少果穗的苞葉殘留。