王 玲，張博洋，胡彥民，田 輝*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，河南 鄭州 450002)

玉米主要用于淀粉、酒精、飼料、醬油、制藥、玉米胚芽油等的加工，少量用于食用[1]。2015—2016年，我國玉米產(chǎn)量達到了歷史最高水平。作為農(nóng)業(yè)大國，我國近年來的玉米產(chǎn)量都在2億t以上，而每1萬t玉米就能夠分離出約700 t的胚芽[2]。其中的玉米胚芽蛋白質可作為蛋白質添加劑，廣泛用于糕點、面包、植物蛋白質飲料、干酪、藥用膠囊和肉制品中[3-4]。1975年GREEN和PHILLIPS用未熟玉米的幼胚培養(yǎng)出胚性愈傷組織并成功誘導出植株以后，以此技術為基礎的突變體篩選和轉基因研究日益增多[5-6]。其中，愈傷組織的誘導和繼代是關鍵的一步，影響其組織培養(yǎng)技術發(fā)揮作用的一個關鍵因素就是幼胚的提取。

現(xiàn)有的玉米脫胚機主要用來分離成熟的玉米胚芽，且存在破碎率高的問題，有干法提胚、濕法提胚和半濕法提胚3種方法，又可分為立式和臥式2類傳動方式。如馮少嶺等[7]設計的TPJ650×1140新型半濕法玉米脫胚機。玉米幼胚長度僅有1～2 mm且對脫胚要求較高，要求胚芽完整，現(xiàn)有的玉米脫胚裝置不適合玉米幼胚的提取。目前，提取玉米幼胚的方法是在無菌條件下，以70%乙醇表面消毒后人工用專用鑷子剝離穗中部的幼胚[8]。其缺點是效率低、不易操作、不能滿足批量作業(yè)的需求。針對以上情況，本研究設計了一種用水壓分離玉米幼胚的提取裝置，該裝置具有結構簡單、便于操作、脫出胚芽完整等優(yōu)點，對研究人員和相關產(chǎn)業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 整機結構和工作原理

所設計的玉米幼胚提取裝置工作流程如圖1所示，其結構如圖2所示。玉米依次通過加料斗、切削裝置、傳送裝置、篩選和收集裝置，完成削皮、幼胚提取等工作。首先通過加料斗加入嫩玉米，然后經(jīng)過加料斗底部的傾斜部位依次有序地落入切削機構的三角托板，在增磨滾筒的導向作用下，利用三角托板的傾斜角度完成嫩玉米的自旋和前進。其中，主動滾筒的動力源采用減速直連電機。之后嫩玉米由仿形刀具去除種皮，廢料落入收集箱。然后，嫩玉米沿著托板進入脫胚機構，由輸送帶將削去種皮后的嫩玉米在57系列行星減速步進電機的驅動和傳動軸自轉的條件下進行平穩(wěn)輸送(因同步輪與固定式同步帶嚙合，輸送軸轉動)。同時，在箱體左側的噴頭上安裝的顏色傳感器檢測到玉米，夾持機構帶動噴頭開始移動，并且噴頭會與輸送帶保持同步(顏色傳感器將物體顏色同已經(jīng)標定過的玉米顏色進行比較來檢測顏色[9]，當2個顏色在一定的誤差范圍內吻合時，通過自動控制電機實現(xiàn)噴頭與玉米的同步)。最后，當玉米輸送至同步輪與同步帶終止嚙合處，傳動軸和玉米停止自轉，隨后從箱體一側的落料口掉落。當所有玉米脫胚工作完成后，拉出篩板即可收集玉米幼胚。

圖1 玉米脫胚流程

1.種皮收集箱; 2.支架; 3.加料斗; 4.切削機構; 5.幼胚收集箱; 6.同步噴水機構; 7.輸送機構; 8.57系列減速步進電機; 9.分級篩選機構圖2 水壓式玉米幼胚提取裝置虛擬樣機

在玉米幼胚離體培養(yǎng)時，愈傷組織的誘導和繼代對玉米幼胚的要求很高，所以要盡可能保證幼胚的完整性。首先選擇水泵來完成水的循環(huán)流動和調節(jié)所需的壓強。經(jīng)對比，自吸泵具有小巧、方便可靠、修理方便、效率高和壽命長等一系列優(yōu)點，選取PHJ-750A型自吸泵。在泵的出水口安裝調壓閥實時調整水壓大小。在取胚部分，采用柱式噴頭利用水壓分離法脫胚，噴頭參考玉米尺寸設計為：長200 mm，寬40 mm。

2 控制系統(tǒng)的設計

2.1 控制系統(tǒng)的電路設計和仿真

控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。硬件電路主要由單片機、顏色傳感器、步進電機和PC上位機組成。采用軟件延時實現(xiàn)電機速度的控制，采用定時器的定時常數(shù)實現(xiàn)步進電機的間歇運動?？刂葡到y(tǒng)硬件電路圖如圖4所示，驅動器選用的型號是SH-20806E，它具有速度可調、保護電路的作用。并選用24BY和57系列型兩相四線制步進電機[10]。

工作時該電路在單片機的控制下可以實現(xiàn)的功能如下：

1)控制57系列減速步進電機做勻速運動；2)24BY步進電機實現(xiàn)噴頭和玉米運動同步；3)顏色傳感器檢測到玉米時步進電機開始工作；4)步進電機轉到固定步數(shù)時快速反轉回到輸送裝置頂部準備下一輪工作。

圖3 玉米幼胚提取裝置的控制系統(tǒng)流程

2.2 參數(shù)設定

經(jīng)過試驗，每個玉米的平均脫胚時間約為12 s。設定57步進電機轉一圈需要7 s，同時為了能在規(guī)定的12 s內完成脫胚工作，將由24BY步進電機控制的噴頭與玉米的同步距離設置為A2。計算過程如下：

A1=2πr≈470 mm

(1)

(2)

v玉米=v滾筒=v滾筒軸=67.1 mm/s

(3)

(4)

(5)

(6)

圖4 玉米幼胚提取裝置的步進電機電路圖

式中，r=75 mm為滾筒半徑，A1為滾筒周長，A2為步進電機需要同步的距離，A2=A1。ω玉米為玉米的角速度，r玉米為嫩玉米半徑，取r玉米≈20 mm，n為57步進電機的轉數(shù)。

由式(1)—(5)可知，6 s轉動了0.62圈；14 s轉了1.24圈，可得式(6)即同步距離為800 mm時，經(jīng)過12 s就可以完成一個玉米的脫胚作業(yè)。所以當傳感器檢測到玉米時，24步進電機開始工作并與57步進電機保持同步持續(xù)時間為12 s，步進距離為80 cm時完成一個玉米的脫胚任務。

用keil軟件對步進電機編程，首先初始化單片機，設置變量以及有無玉米時步進電機的狀態(tài)。然后對寄存器和功能模塊初始化，給定速度初始值，其次調用速度、方向和定時中斷子程序，最后測試程序并完善步進電機的閉環(huán)控制。

3 脫胚試驗與分析

3.1 影響因素及其權重的確定

3.1.1 多因素正交試驗的設計 為了滿足脫胚要求，在噴頭與玉米的垂直角度(零度)、噴孔尺寸、數(shù)目確定的情況下進行了樣機試驗，分別確定了脫胚距離(噴頭到玉米的距離)、脫胚壓強(水泵出水口壓強)和脫胚時間(水對玉米的作用時間)3個因素，由三者共同作用時測得的實際脫胚率(實際脫胚率=脫胚率-胚芽損傷率)為玉米幼胚提取機的重要指標。針對影響實際脫胚率的多因素問題，基本的研究思路是如何制定試驗方案以盡可能減少試驗次數(shù)，并能對試驗結果進行有效的統(tǒng)計分析，最終目的是分析各因素對脫胚影響的權重以及尋求較優(yōu)試驗方案[11-12]。

綜上，采用三因素兩水平L8(23)正交設計方法[13-14]進行玉米幼胚提取試驗，在脫胚距離、脫胚壓強和脫胚時間多因素共同作用下計算實際脫胚率。試驗暫不考慮因素間的交叉作用，正交試驗設計因素及其水平見表1。

表1 正交試驗因素及水平

3.1.2 正交試驗結果分析及較優(yōu)組合方式 對8種方案進行脫胚試驗，脫胚時間從6 s逐漸增加到12 s；脫胚壓強從0.25 MPa逐漸增加到0.40 MPa；脫胚距離從30 mm逐漸增加到60 mm，試驗結果見表2，對數(shù)據(jù)進行分析以獲得最優(yōu)決策。本試驗采用極差分析法分析各因素所占權重大小，進而確定各因素的試驗順序。實際脫胚率越大，脫胚效果越好。實際脫胚率的極差分析見表2的R，在正交試驗極差分析中，R值越大說明該因素的權重越大，由此可見，影響實際脫胚率的主要參數(shù)為脫胚時間，其次是脫胚壓強，然后是脫胚距離。

表2 正交試驗統(tǒng)計結果及分析

3.2 脫胚時間的確定

為確定最優(yōu)的脫胚時間，在脫胚壓強0.40 MPa、脫胚距離55 mm的條件下分別設置脫胚時間為6、8、10、12、14、16 s進行單因素試驗。玉米旋轉速度為0.02 m/s，統(tǒng)計結果如圖5所示?？梢钥闯?，在6～11 s時，隨著脫胚時間的延長，玉米實際脫胚率不斷提高，在12 s左右時實際脫胚率達到了最大值，約91%，胚芽的損傷率在3%以內，滿足設計要求。

圖5 脫胚時間對實際脫胚率的影響

3.3 脫胚壓強的確定

為了確定脫胚壓強，在脫胚時間12 s、脫胚距離60 mm的條件下設置脫胚壓強分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa。統(tǒng)計結果如圖6所示，可見，隨著壓強增大，脫胚率不斷增加，但胚芽損壞率也在不斷增加。由圖6可得，脫胚壓強為0.30～0.40 MPa，實際脫胚率較高。

圖6 脫胚壓強對實際脫胚率的影響

3.4 脫胚距離的確定

在脫胚壓強0.40 MPa、脫胚時間12 s的條件下分別設置脫胚距離30、40、50、60、70、80、90、100 mm進行試驗。結果如圖7所示。可以看出，隨著脫胚距離的增大，實際脫胚率先增大后減小，胚芽損傷率均小于5%。脫胚距離在30～50 mm時，雖然水壓較大但噴水面積較小，噴水面積對脫胚率的影響大于脫胚壓強的影響；當脫胚距離為50～60 mm時，脫胚效果較好，脫胚率達到最大值；當脫胚距離為60～80 mm時，距離相對較遠，噴水面積較大但脫胚壓強較小，脫胚壓強對脫胚率的影響大于噴水面積的影響。

圖7 脫胚距離對實際脫胚率的影響

4 結論與討論

水壓式玉米幼胚提取機具有易操作、效率高和胚芽完整等優(yōu)點，可同時完成種皮切削、脫胚和篩選作業(yè)，符合玉米幼胚離體培養(yǎng)的試驗要求。輸送機構及其控制系統(tǒng)可以有效地在輸送玉米的同時完成玉米的自轉，實現(xiàn)玉米的動態(tài)輸送，其次，步進電機的間歇運動節(jié)水節(jié)能。經(jīng)過在原型機上進行試驗，水壓式玉米幼胚提取機較適宜的脫胚距離為50～60 mm、脫胚壓強為0.30～0.40 MPa、脫胚時間約為12 s，此時實際脫胚效率可達90%以上。與手工提取玉米幼胚相比，該機器提高了脫胚效率并實現(xiàn)了玉米幼胚的自動化提取。因實驗條件及樣機工藝限制，本研究僅針對3個參數(shù)在較小范圍內進行了正交試驗，尚未得出最佳的脫胚參數(shù)，下一步需繼續(xù)優(yōu)化工藝后在樣機上進行多因素試驗，確定該裝置的最佳提胚參數(shù)。