玉米籽粒質(zhì)構(gòu)穿刺與原位壓縮力學(xué)特性研究

王昕 閆紅玲 侯聚敏

摘要[目的]探索一種測(cè)試玉米籽粒力學(xué)性質(zhì)的新方法，建立一種物料力學(xué)研究新方法。[方法]對(duì)玉米籽粒分別進(jìn)行傳統(tǒng)穿刺試驗(yàn)和原位壓縮試驗(yàn)，在不同加載速率（0.02、0.06、0.10 mm/s）及不同含水率（11.37%、13.86%、14.78%、1613%、18.48%）下對(duì)各部位穿刺力學(xué)參數(shù)進(jìn)行顯著性和變異系數(shù)分析。[結(jié)果]加載速率0.02 mm/s、含水率14.78%的穿刺組試驗(yàn)結(jié)果最穩(wěn)定；穩(wěn)定組的原位壓縮試驗(yàn)的最大破裂力、彈性模量和總功在某些部位與傳統(tǒng)穿刺力學(xué)參數(shù)有較好的相關(guān)性，原位壓縮破裂力和總功與傳統(tǒng)穿刺的部分力學(xué)參數(shù)間存在極強(qiáng)的相關(guān)性。在驗(yàn)證了原位壓縮試驗(yàn)可行的基礎(chǔ)上，對(duì)原位裂紋圖像分析可以更清晰地觀察裂紋的形貌及擴(kuò)展。[結(jié)論]原位壓縮測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)穿刺力學(xué)參數(shù)間具有較好的相關(guān)性，原位壓縮測(cè)試可代替?zhèn)鹘y(tǒng)穿刺測(cè)試。

關(guān)鍵詞玉米籽粒；力學(xué)特性；穿刺測(cè)試；原位壓縮；圖像處理

中圖分類號(hào)TS210.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）11-0210-04

Abstract[Objective] To explore a new method for testing the mechanical properties of maize kernels and to establish a new method of material mechanics.[Method] Different loading rates （0.02， 0.06， 0.10 mm/s） and different water content （11.37%， 13.86%， 14.78%， 1613%， 18.48%） were studied， the significance and coefficient of variation of the puncture mechanical parameters were analyzed.[Result] The results of the puncture test group with the loading rate of 0.02 mm/s and the water content of 14.78% were the most stable. The maximum bursting force， elastic modulus and total work force of the stability test in the stable group were in some parts with the traditional puncture mechanics parameters. There is a strong correlation between the in situ compression rupture force and the total work force and the partial mechanical parameters of the traditional puncture. On the basis of validating the insitu compression test， the insitu crack image analysis can more clearly observe the morphology and expansion of the crack.[Conclusion] The in situ compression test results have a good correlation with the traditional puncture mechanics parameters， the in situ compression test can replace the traditional puncture test.

Key wordsMaize grain；Mechanical properties；Puncture test；Insitu compression；Image processing

玉米在加工和儲(chǔ)運(yùn)等過程中存在著許多生物、化學(xué)問題，其中玉米籽粒的力學(xué)特性是決定其加工品質(zhì)的一個(gè)重要因素[1-2]。多年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米、稻谷、小麥等糧食籽粒進(jìn)行了力學(xué)特性研究，通過分析糧食籽粒的水分、組分與力學(xué)參數(shù)的規(guī)律，建立與力學(xué)參數(shù)的聯(lián)系[3-4]。試驗(yàn)的設(shè)備多選用萬能試驗(yàn)機(jī)和質(zhì)構(gòu)儀。質(zhì)構(gòu)儀是通過探頭切割、擠壓和拉伸測(cè)試，得到質(zhì)構(gòu)性以及相關(guān)關(guān)系曲線的設(shè)備[5]。質(zhì)構(gòu)儀廣泛應(yīng)用于食品物料的力學(xué)研究中，玉米籽粒的力學(xué)研究也主要運(yùn)用質(zhì)構(gòu)儀來進(jìn)行，但是現(xiàn)有的研究只能得出力學(xué)特性參數(shù)及曲線，無法觀察到加載過程中的裂紋產(chǎn)生，對(duì)儲(chǔ)運(yùn)過程中的裂紋產(chǎn)生無法明確解釋。因此，筆者借助原位測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試及裂紋的觀察[6]，分別進(jìn)行質(zhì)構(gòu)儀穿刺和原位測(cè)試儀壓縮試驗(yàn)，將質(zhì)構(gòu)儀的傳統(tǒng)測(cè)試方式與原位測(cè)試儀的新式測(cè)試方式進(jìn)行對(duì)比，探討原位測(cè)試儀測(cè)量玉米籽粒力學(xué)特性的可行性，并進(jìn)行原位測(cè)試圖像分析。

1材料與方法

1.1材料供試原材料選自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米試驗(yàn)田收獲的馬齒形黃玉米柳單301，選取粒形均勻，無病蟲害、畸形、損傷、霉變的籽粒樣品[7]，采摘后置于低溫避光環(huán)境下保存。

主要儀器設(shè)備：CT3質(zhì)構(gòu)儀購自美國Brookfield Engineering Labs，試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示加載過程中的位移、擠壓力、加載速率及試驗(yàn)曲線，最大負(fù)載為500 N，負(fù)載分辨率為0.001 N，位移分辨率為0.01 mm。

原位測(cè)試儀是機(jī)械實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)開發(fā)的跨尺寸微納米級(jí)原位三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置，最大加載力為500 N，載荷分辨率為0.01 N，位移分辨率為1 μm。

1.2方法由于糧食物料在貯運(yùn)、加工過程中一般是以整體狀態(tài)承受外力作用，因此以籽粒狀態(tài)進(jìn)行整體力學(xué)研究是有意義的[8]。將5種含水率（11.37%、13.86%、14.78%、1613%、18.48%）的玉米籽粒隨機(jī)分組，每組20個(gè)進(jìn)行3組不同加載速率（0.02、0.06、0.10 mm/s）的試驗(yàn)，多次測(cè)試結(jié)果取平均值。

2結(jié)果與分析

2.1玉米籽粒的穿刺試驗(yàn)

2.1.1玉米籽粒負(fù)載壓力-位移曲線分析。由圖1可知，玉米籽粒各個(gè)部位的最大負(fù)載力存在較大差異，其中，角質(zhì)胚乳的最大負(fù)載力最大，粉質(zhì)胚乳居中，胚部最小。負(fù)載壓力的最高點(diǎn)即為最大破裂力，籽粒開始產(chǎn)生裂紋，由于玉米籽粒組織的不均勻性，裂紋擴(kuò)展呈現(xiàn)不均勻性，從而曲線出現(xiàn)波動(dòng)起伏。

2.1.2不同加載速率下玉米籽粒穿刺試驗(yàn)參數(shù)分析。不同加載速率下對(duì)玉米試樣進(jìn)行5次重復(fù)取平均值，并用SPSS對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如表1所示。根據(jù)以下公式分別計(jì)算各加載速率下玉米籽粒各部位數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

CV=N1i=1（xi-）21N-11x=SD1MN×100%

式中，SD為測(cè)試樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，MN為測(cè)試樣本的平均數(shù)。

由表1可以得出，不同速率下玉米籽粒各部位參數(shù)均沒有顯著性差異，加載速率對(duì)于各部位穿刺結(jié)果沒有差異性影響。由表2可知，各部位在加載速率為0.02 mm/s時(shí)，其力學(xué)參數(shù)變異系數(shù)總體最小，結(jié)果更穩(wěn)定。綜合考慮穿刺結(jié)果穩(wěn)定性和加載效果，以加載速率0.02 mm/s為最適加載速率。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年2.1.3不同含水率的玉米籽粒穿刺試驗(yàn)參數(shù)分析。從表3可知，各部位在含水率為13.86%、14.78%的試樣中無顯著性差異。從表4可知，在含水率為14.78%時(shí)，玉米籽粒粉質(zhì)胚乳和胚部的各變異系數(shù)較小，結(jié)果較穩(wěn)定；角質(zhì)胚乳在含水率為11.37%時(shí)各變異系數(shù)較小。綜合考慮玉米籽粒的平衡水分及儲(chǔ)運(yùn)的安全水分，選擇含水率為14.78%試驗(yàn)結(jié)果更穩(wěn)定，也更具有代表性。

2.2玉米籽粒原位測(cè)試綜合以上分析，加載速率為0.02 mm/s、含水率14.78%時(shí)，玉米籽粒各部位穿刺結(jié)果最穩(wěn)定。原位測(cè)試儀進(jìn)行壓縮試驗(yàn)時(shí)，選取最穩(wěn)定的試驗(yàn)組進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果與穿刺試驗(yàn)組進(jìn)行比較分析。

2.2.1玉米籽粒原位壓縮負(fù)載壓力-位移曲線分析。由圖2可知，不同放置方式下玉米籽粒的最大負(fù)荷力存在差異。玉米籽粒平放時(shí)的最大負(fù)荷力最大，立放時(shí)次之，側(cè)面放置時(shí)最小。由于保持勻速緩慢加載，因此測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定。

2.2.2玉米籽粒原位壓縮力學(xué)參數(shù)分析。從表5可知，平放與立放的總功、形變量無顯著性差異，側(cè)放與立放時(shí)的彈性模量無顯著性差異，總體的差異性在可接受范圍內(nèi)。從表6可知，最大破裂力、彈性模量、總功的變異系數(shù)在平放時(shí)均最小，形變量的變異系數(shù)在立放時(shí)最小。總體的變異系數(shù)在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，結(jié)果可接受。

2.3玉米籽粒穿刺-原位壓縮相關(guān)分析

2.3.1Pearson相關(guān)性分析。表7～9為玉米不同放置方式下穿刺-原位壓縮力學(xué)參數(shù)相關(guān)分析結(jié)果。由表7可知，平放時(shí)的最大破裂力與壓縮破裂力在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.923。由表9可知，立放時(shí)的彈性模量與壓縮破裂力在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.668；壓縮總功與立放時(shí)最大破裂力、立放的總功在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.939、-0.879。

2.3.2差異性分析。由試驗(yàn)結(jié)果可知，穿刺平放破裂力與原位壓縮最大破裂力的相關(guān)性較好，在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.802，F(xiàn)值為17.226，P值為0.025，且線性方程顯著。穿刺平放破裂力和總功與原位壓縮總功在0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.844和0.697，F(xiàn)值分別為22.566和10.203，P值分別為0.018和0.050，且線性方程均為顯著。綜上結(jié)果，原位壓縮力學(xué)參數(shù)的壓縮破裂力和總功與傳統(tǒng)穿刺的部分力學(xué)參數(shù)間存在極強(qiáng)的相關(guān)性，原位測(cè)試方式可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試。

2.4原位測(cè)試圖像分析在進(jìn)行原位試驗(yàn)過程中，可實(shí)時(shí)觀察并記錄圖像信息，供后續(xù)的分析，避免錯(cuò)過關(guān)鍵信息[9]。使用ImageJ軟件[10-12]將原始RGB圖像（圖3a）轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像（圖3b），通過閾值設(shè)置以使圖像邊緣便于區(qū)分，并去掉灰度圖像中的斑點(diǎn)。將沒有明顯噪聲的圖像轉(zhuǎn)換為二注：進(jìn)制（圖3c），并進(jìn)行提取骨架（圖3d），使用軟件的測(cè)量功能提取圖像輪廓的面積、周長等參數(shù)，具體如下：裂紋總面積（1 412 308.00±11 716.81）μm2、裂紋面積（440 338.40±59 253.91）μm2、裂紋周長（3 096.53±162.75）μm、裂紋寬度（479.20±46.25）μm。

3結(jié)論

該研究對(duì)玉米單個(gè)籽粒進(jìn)行傳統(tǒng)質(zhì)構(gòu)穿刺試驗(yàn)，并對(duì)角質(zhì)胚乳、粉質(zhì)胚乳、胚部分別進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)。通過方差分析和變異系數(shù)分析，可以確定結(jié)果穩(wěn)定組的參數(shù)為加載速率002 mm/s、籽粒含水率14.78%。在結(jié)果穩(wěn)定組試驗(yàn)參數(shù)下，進(jìn)行原位壓縮試驗(yàn)。對(duì)玉米籽粒穿刺力學(xué)參數(shù)與原位壓縮力學(xué)參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和回歸差異性分析，發(fā)現(xiàn)原位壓縮力學(xué)參數(shù)的壓縮破裂力和總功與傳統(tǒng)穿刺的部分力學(xué)參數(shù)間存在極強(qiáng)的相關(guān)性。可以確定，原位測(cè)試方式可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試，為物料力學(xué)特性的研究開辟了新思路。在確定了原位力學(xué)試驗(yàn)可行性基礎(chǔ)上，對(duì)原位試驗(yàn)的裂紋形貌圖像進(jìn)行分析，為后續(xù)進(jìn)行糧食物料的力學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

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