光皮樹含水率與果葉力學參數的相關性

李 興，黃志輝，劉汝寬，王紅建，肖志紅，李昌珠

(1.中南大學 a. 機電工程學院，b.化學與工程學院，湖南 長沙 410083； 2.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004)

光皮樹含水率與果葉力學參數的相關性

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 a. 機電工程學院，b.化學與工程學院，湖南 長沙 410083； 2.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410004)

為測定光皮樹果枝采摘后不同時間果葉力學特性的變化，為光皮樹脫果及果葉分離機械的研制提供依據，研究了不同含水率對果柄分離力及不同方向的葉柄分離力的影響。通過試驗儀器測定光皮樹果柄分離力與不同方向的葉柄分離力，并分析試驗數據的相關性及曲線擬合。相關性分析表明，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性。通過對含水率與果柄分離力、不同方向葉柄分離力進行曲線擬合分析，得到二次擬合方程和曲線。

光皮樹； 果柄分離力； 葉柄分離力； 農業機械； 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、江西省為主產區，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%，經國家糧食部鑒定為一級食用油，油脂除食用和醫用外還可做工業原料[1]，是非常重要的生物油料作物。目前，國內對光皮樹果實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，光皮樹機械化脫果設備研究的重要性與日俱增。中國對小林果機械化采收機設備的研究尚處于起步階段，缺乏對小林果的果柄及葉柄分離力等植物基礎力學性能的研究。在小林果脫果的過程中，果柄與葉柄的分離力是設計采收機械裝置的重要因素。目前，國內還沒有針對光皮樹果柄與葉柄分離力的研究，本研究通過分析光皮樹剪下后不同時間含水率變化與果柄和葉柄分離力的關系，為研制光皮樹樹枝采收后的機械自動化脫果并分類收集設備提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為湖南省林業科學院基地(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 ℃、平均相對濕度60%的環境中。

試驗設備主要有DHG-101-00型電熱恒溫鼓風干燥箱、SF-30 N數顯拉力計、果實卡圈、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，每個時間點分4組進行果柄分離力測定，每組9個，每組平均值作為測試結果。測試時將果枝固定，通過果實卡圈卡住果實，勻速移動拉力計，最終使果實與果柄分離，拉力計的最大值即果柄分離力(圖1)。

上圖果、葉柄分離測量，1指果葉固定裝置；2指果實或葉；3指果實卡圈或夾具；4指數顯拉力計；5指螺旋移動部件。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，每個時間點分4組進行葉柄分離力測定，每組9個，每組平均值作為測試結果。測試時將果枝固定，樹葉與拉力計通過夾具與樹葉相連，調整好作用角度后，勻速移動拉力計，最終使樹葉與樹枝分離，拉力計最大值即葉柄分離力。試驗分為正拉、順側拉和逆側拉3個方向，每個方向測試9個樣本并取平均值。以樹枝末端為Y軸正方向，垂直樹枝軸線方向為X軸，葉柄與X軸夾角為α，正拉方向為沿著樹葉自然生長方向，α角度為20°～30°，順側拉方向的α角度為70°～80°，逆側拉方向的α角度為-40°～-50°(圖1)。

1.2.3 含水率

取5份樹枝分別進行稱量，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次稱量之差不超過試樣質量的0.5%，即認為試樣達到絕對干燥，并分別記錄最終質量。根據w=[(mt-m0)/m0]×100計算含水率，式中：w為試樣的含水率(%)；mt為t時刻試樣的質量(g)；m0為試樣絕對干燥時的質量(g)。精確至0.1%，取5組數據的平均值作為最終含水率。

1.3 數據采集

根據以上測定數據，制作不同時間點果柄和葉柄分離力及含水率變化曲線，對果柄分離力、不同方向葉柄分離力與含水率測試數據進行方差分析和回歸分析，建立回歸模型，對其擬合系數進行分析，并驗證可靠性。

2 結果與分析

2.1 光皮樹含水率及果柄、葉柄分離力

從圖2可以看出，隨著采摘后放置時間的延長，果枝含水率下降速率較為平穩；24 h前果柄和葉柄的分離力有明顯的下降，放置超過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別，正拉和順側拉方向分離力相近，逆側拉方向的分離力明顯小于正拉和順側拉方向。

圖2 光皮樹含水率及果葉參數變化

2.2 含水率對光皮樹果柄分離力的影響

含水率能夠很好地反映果實脫離樹體后的物理性能變化，也是深度加工的重要標準之一。本研究通過記錄果枝剪后不同時間的質量，計算不同放置時間的含水率，建立果柄分離力與含水率的曲線回歸方程。由相關性檢驗可知，在0.01水平下，含水率對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 光皮樹果葉各項參數相關性檢驗結果

注：**表示在0.01水平(雙側)有顯著相關。

圖3 含水率對果柄分離力的影響

2.3 含水率及不同作用角度對葉柄分離力的影響

葉柄分離力是脫果及果葉分離機械裝置設計的重要參數，對裝置的功率、作用方式和所用材料等有重要的影響。通過相關性分析可知在0.01水平下含水率對各方向葉柄分離力有顯著影響。對正拉、順側拉和逆側拉3個作用方向葉柄分離力與含水率進行回歸分析，建立曲線回歸方程(表2)。結果表明，試驗中光皮樹葉柄正拉、順側拉和逆側拉3個作用方向分離力與含水率多項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，擬合優度檢驗顯示擬合度均較高，決定系數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，正拉和順側拉方向分離力明顯高于逆側拉方向的分離力；24 h之后葉柄分離力變化平緩，小葉片出現干燥易碎裂現象，36 h后大部分葉片夾持即破碎。

表2 含水率多項式方差分析

圖4 含水率對不同方向葉柄分離力的影響

3 小結與討論

光皮樹整枝采收后不同時間果柄與葉柄的分離力，是研制光皮樹機械化自動脫果并分類收集設備的重要設計參數。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果柄及不同作用方向葉柄分離力的影響，該試驗結果能夠在一定程度上反映含水率對果柄分離力的影響趨勢，以及不同作用方向下含水率對葉柄分離力的影響趨勢，可為光皮樹機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，正拉和順側拉作用方向分離力相近，逆側拉作用方向分離力明顯小于正拉和順側拉。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%，此時葉子在外力作用下很容易碎裂。在果實脫離過程中，如果摻雜進大量的樹葉，會對果實的后續加工造成影響，因此，應在提高脫果效率的同時，避免樹葉的脫落碎裂。

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(責任編輯：侯春曉)

2017-05-07

國家重點研發計劃(2016YFD0600802)

李 興(1990—)，男，河北邢臺人，碩士研究生，從事農業機械化技術裝備研究工作，E-mail:xinglicsu@163.com。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170824

S727.4

A

0528-9017(2017)08-1369-03

文獻著錄格式：李興，黃志輝，劉汝寬，等. 光皮樹含水率與果葉力學參數的相關性[J].浙江農業科學，2017，58(8)：1369-1371，1375.