蒙古黃芪種苗生物力學性能試驗研究

摘" 要：該文以2年生蒙古黃芪種苗為研究對象，采用隨機性原則、對角線原則田間取樣，利用統計學的方法對蒙古黃芪種苗力學性能進行試驗研究。研究包括蒙古黃芪種苗根莖長度28.9～63.5 cm，根莖上、中、下3部分直徑平均值分別為4.39、2.91、1.58 mm，測量蒙古黃芪種苗最大抗拉強度和最大抗剪切強度，兩者平均值分別是10.79、27.57 MPa。試驗結果可為蒙古黃芪種苗收獲裝備的設計與研制提供理論參考。

關鍵詞：蒙古黃芪；種苗；抗拉強度；抗剪強度；試驗研究

中圖分類號：S567" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2023）18-0029-04

Abstract： This paper takes the biennial Astragalus mongholicus seedlings as the research object. First， samples were collected using random principle and diagonal principle， and then the mechanical properties of Astragalus mongholicus seedlings were studied using statistical methods. The study includes Astragalus mongholicus's seedlings with the average lengthsof 28.9～63.5 cm and the upper， middle and lower parts of Astragalus mongholicus's rhizomes with average value of diameters of 4.39 mm， 2.91 mm and 1.58 mm， respectively. The maximum tensile strength and shear strength of Astragalus mongholicus seedlings were measured， and the average values are 10.79 MPa and 27.57 MPa， respectively. The experimental results are supposed to provide theoretical reference for the design and development of harvesting equipment for Astragalus mongholicus seedlings.

Keywords： Astragalus mongholicus; seedling; tensile strength; shear strength; experimental study

蒙古黃芪是豆科植物，根可入藥，具有補氣升陽、固表止汗、利水消腫、生津養血、行滯通痹、托毒排膿和斂瘡生肌的療效，迄今已經有2 000多年的藥用歷史。現代醫學研究發現，蒙古黃芪能增強免疫力，具有強心保肝、利尿、抗衰老、降糖降壓、抗應激、抗病毒病菌、抗腫瘤和較廣泛的抗菌作用，其藥材及生物制劑具有十分廣泛的臨床應用。在2020年初流行的新型冠狀病毒感染疫情中，所使用的諸多中醫藥預防新冠感染方案用藥中，蒙古黃芪藥材被頻繁使用。在中醫藥發展的推動下，近幾年蒙古黃芪的國內外市場需求量巨大，國內需求量達6萬 t以上，國外出口量超9 000 t。

我國蒙古黃芪主要分布在內蒙古、山西、甘肅和青海等地區，其中內蒙古自治區種植面積大且集中，現階段有很多蒙古黃芪種植示范基地，產量占全國的70%，固陽縣和武川縣被譽為蒙古黃芪的道地產地之一。在現階段蒙古黃芪栽培生產中，主要以蒙古黃芪種苗（以下簡稱“種苗”）種植戶播種繁育1年生種苗，第二年起進行商品種苗售賣，藥材種植戶購買種苗后再進行平栽移苗，收獲2年生蒙古黃芪商品藥材的栽培經營模式為主。在此種栽培經營模式下種苗的品質決定著種苗種植戶和藥材種植戶經濟收益。蒙古黃芪種苗力學特性是種苗機械起收裝備設計和研究的基本依據，為此以內蒙古民族大學蒙藥種植地為試驗點采用隨機性原則、對角線原則，對2年生蒙古黃芪種苗力學特性進行了試驗研究，為合理設計蒙古黃芪種苗起收裝備設計提供基礎理論依據和數據參考。

1" 試驗設備、材料與方法

1.1" 試驗設備與試驗材料

游標卡尺，用于測量蒙古黃芪種苗和莖葉直徑。

卷尺，用于測量蒙古黃芪種苗根莖長度、植株高度、株距等。

UTA質構儀，用于測量蒙古黃芪種苗抗剪切強度、抗拉強度。

儀器特點如下。

1）適用范圍：水果、蔬菜、豆制品、休閑食品、化妝品及材料等方面的物性分析和質構檢測。

2）測試指標：硬度、脆性、黏性、彈性、回復性、應力、應變、彈性系數、嫩度、斷裂強度、膠粘性、咀嚼性、內聚性、延展性、凝膠強度、拉伸強度及肉系水力等參數。

3）儀器精度：采用進口的直線型力量感應元，可以使用第三方標準砝碼進行計量驗證和校正。儀器符合ISO 7500 Part1和ASTM E4標準等。

4）力量感應元測定范圍：0～5 kg，分辨率精度為0.000 1 g（軟件同步實時顯示）。使用可更換荷重感測組件，可依據客戶需求未來選配0.5、1、10、20、30、50、100 kg荷重感測組件。

5）測試移動距離：0～420 mm，距離精度為0.000 1 mm（軟件同步實時顯示），也可根據客戶的要求進行高度定制，并具備樣品高度自動測定功能。

6）檢測速度：0～50 mm/s，速度解析度為0.001 mm/s；軟件設定和控制。

試驗材料為2年生蒙古黃芪種苗，如圖1所示。

1.2" 試驗方法

采用隨機性原則、對角線原則在內蒙古民族大學蒙藥種植地5塊蒙古黃芪試驗田內，在地頭、田間、地邊隨機取樣。常見的材料力學特性測試一般采用萬能試驗機，但由于蒙古黃芪種苗相比于其他作物根莖較為細小，長度大于40 cm，整體形狀類似倒圓錐體，故采用更適宜的UTA質構儀，對蒙古黃芪種苗分上、中、下3部分進行測量。由于蒙古黃芪根苗整體結構為倒立圓錐體，上部粗度為6～7 mm，長度超過40 cm，與成熟藥材相比纖維少，木質性弱，根莖脆嫩，為避免儀器夾緊裝置對黃芪種苗兩端壓潰影響試驗數據準確性，特設計了輔助夾具，如圖2所示。測量黃芪種苗抗拉強度、抗剪強度時，首末端采用輔助橡膠夾具固定，配合質構儀自帶的夾緊裝置，輔助夾具固定端由夾緊裝置固定，待測種苗通過輔助夾具種苗固定端夾緊，然后分別對黃芪種苗的抗拉伸力和抗剪切力試驗，記錄每組數據，并對黃芪種苗進行編號，同時測量其長度及不同分段位直徑。

2" 試驗結果

2023年4月20日，內蒙民族大學力學實驗室進行了蒙古黃芪種苗三維尺寸測量，經測量得知蒙古黃芪種苗平均長度為46.32 cm，蒙古黃芪種苗上、中、下平均直徑分別為4.39、2.91、1.58 mm，見表1。

2.1" 拉伸試驗

將所有蒙古黃芪種苗樣品按上、中、下部分進行分段處理，在質構儀上測量蒙古黃芪種苗的最大拉伸力，并利用游標卡尺測量對拉斷部位直徑。蒙古黃芪種苗抗拉強度可以由拉斷力與拉斷部位截面面積的比值來表示，如式（1）所示。

σ_n=4Fn/πD_n²， （1）

式中：σ_n為第n個樣本的抗拉強度，MPa；F_n為第n個樣本的最大拉伸力，N；D_n為第n個樣本的截面直徑，mm。

拉伸試驗結果見表2，蒙古黃芪種苗平均抗拉強度最大值為15.81 MPa，最小值為6.17 MPa。由圖3可知，蒙古黃芪種苗主要經歷變形階段、屈服階段、緊縮與斷裂階段，其彈性形變階段不是很明顯。在0～2.5 s時抗拉強度急促上升，一直到屈服點。在2.5～4.5 s時蒙古黃芪種苗外表皮層和纖維抵抗破壞失效，是屈服階段蟄伏時間。在4.5～8 s樣品基本被拉斷，沒有明顯的斷后拉扯現象。

2.2" 剪切試驗

利用質構儀上的剪切刀具分別對蒙古黃芪種苗上、中、下3部分進行剪切試驗，由于一般正向切削阻力是大于斜切阻力的，所以本次試驗重點考慮斜切阻力的影響，試驗結果見表3。蒙古黃芪種苗剪切強度可以由剪切力與受剪切截面面積的比值來表示，如式（2）所示。

τ_m=４Fm/πD_m²，（2）

式中：τm為第m個樣本的剪切強度，MPa；F_m為第m個樣本的最大剪切力，N；D_n為第m個樣本的剪切截面直徑，mm。

由表3蒙古黃芪種苗剪切試驗結果可知，蒙古黃芪種苗平均抗剪切強度最大值為33.5 MPa，最小值為20.05 MPa。由圖4可知，蒙古黃芪種苗剪切的過程中，在0～1.3 s時，刀具刃口難以突破種苗表皮纖維層，抗剪切強度處于緩慢上升的階段，這是由于種苗外皮纖維含量高韌性強。在1.3～1.8 s時，刀具切破種苗外表皮的第一層，遭遇到外表皮的第二層，蒙古黃芪種苗外表皮層和纖維抵抗逐漸失效，抗剪切強度迅速上升。在1.8～2.5 s樣品到達剪切屈服點后開始快速下降。剪切過程中明顯的曲線波動，說明黃芪種苗剪切過程適宜用斜切。

3" 結論

蒙古黃芪的應用領域較為廣泛，主要應用于傳統中醫臨床治療。近年來其提取制劑蒙古黃芪多糖、蒙古黃芪甲苷注射劑。在2020年初流行的新型冠狀病毒感染疫情中，所使用的諸多中藥預防方劑用藥中，蒙古黃芪藥材被頻繁使用，蒙古黃芪飲片、粉劑、提取制劑等也用于保健藥品行業，其產品銷量好，利潤豐厚，廣受歡迎。蒙古黃芪制藥的藥渣也具有廣闊的應用前景及潛力，例如許多牲畜飼料中添加蒙古黃芪藥渣以促進牲畜生長發育、增強免疫力。收獲過程中黃芪種苗很容易受到來自作業部件的機械損傷，包括斷裂、撕裂等，即便輕微根苗破皮或是機械作用下的內傷，移栽后也會影響黃芪根莖的后續生長膨大。黃芪種苗損傷后也會導致作物生長停滯、植株細弱、植株病害多發等，最終導致產量和品質下降。

本文以蒙古黃芪種苗為研究對象，分別對種苗不同部位開展了力學性能試驗研究，試驗結果表明：2年生蒙古黃芪種苗長度范圍28.9～63.5 cm，上、中、下3部分直徑平均值分別為4.39、2.91、1.58 mm；蒙古黃芪種苗所受最大抗拉強度為10.99 MPa，所受最大抗剪切強度為26.77 MPa，補充了蒙古黃芪種苗力學性能研究的空白，為蒙古黃芪種苗收獲裝備的研發提供研究基礎和理論參照。

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