玉米是我國重要的農(nóng)作物之一，是食品、飼料、藥品和工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的重要原材料，玉米生產(chǎn)在國家糧食生產(chǎn)和糧食安全中占有重要的戰(zhàn)略地位。在玉米的品種研究、幼胚食用和精加工環(huán)節(jié)都涉及到對(duì)玉米幼胚的提取。特別是在對(duì)玉米進(jìn)行轉(zhuǎn)基因技術(shù)遺傳改良的過程中，玉米幼胚是目前使用最多、誘導(dǎo)率最高的外植體。

目前，提取玉米幼胚的主要方法是在無菌條件下，用70%酒精對(duì)玉米籽粒進(jìn)行表面消毒后，人工剝離玉米籽粒中部的幼胚。但這種方法的提取效率低、工作周期長、經(jīng)濟(jì)效益差，難以應(yīng)用到大規(guī)模的玉米幼胚提取工作中。玉米育種研究和其他相關(guān)行業(yè)迫切需要能夠?qū)⒃摴ば驒C(jī)械化操作。

玉米籽粒的胚形，是指玉米種胚部果皮的形態(tài)、面積的大小及其形狀。玉米籽粒的胚形在遺傳上具有相對(duì)穩(wěn)定性,是玉米品種的主要特征之一?；趯?duì)玉米特征的分析，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院設(shè)計(jì)了一種簡單、高效、可靠的玉米幼胚提取設(shè)備，筆者現(xiàn)將該設(shè)備的技術(shù)研究介紹如下。

一、玉米穗特征數(shù)據(jù)采集及參數(shù)分析

（一）玉米穗特征數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)選用了鄭單958、浚單29、偉科702、中單909玉米品種。各個(gè)玉米品種均選擇授粉后8～12 d的玉米穗10穗，共計(jì)40穗玉米作為實(shí)驗(yàn)樣本。在測量之前，首先，分別對(duì)玉米穗進(jìn)行剝皮處理，清理掉玉米花絲；其次，切除玉米穗柄部分；最后，對(duì)其穗粗、穗長、行粒數(shù)等所需特征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

穗粗和穗長采用手工測量的方式，先使用纖維皮尺測定穗中部粗度即為穗粗，再測量玉米穗柄到頂部的距離為穗長。要求按照皮尺的正確使用方法，在測量過程中不得破環(huán)玉米籽粒的完整性。行粒數(shù)直接用人工數(shù)數(shù)的方式采集。

圖1 玉米籽粒結(jié)構(gòu)

（二）特征參數(shù)的分析

4個(gè)玉米品種的特征參數(shù)平均值如表1所示，但是根據(jù)實(shí)際情況，授粉后8～12 d的玉米穗頂部玉米籽粒并不能提供玉米幼胚，故在實(shí)際的提取過程中需要將頂部約4 cm的無幼胚部分切去。

二、設(shè)計(jì)原理與整機(jī)結(jié)構(gòu)

（一）設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)首先通過切削刀具切除籽粒頂端種皮，破壞籽粒種皮的完整性，然后利用高壓水從玉米籽粒頂端朝向幼胚沖洗，將玉米胚乳和幼胚從種皮破損處沖出，以得到完整的玉米幼胚。

（二）整機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米幼胚提取設(shè)備如圖2所示。為了避免沖胚過程中水的噴濺損壞設(shè)備。將設(shè)備的動(dòng)力源、電路盡可能地設(shè)計(jì)在機(jī)器的上部；傳動(dòng)零件分布在機(jī)器上部和外部；為玉米旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力的12 V微型直流電機(jī)放置在電機(jī)套筒中。

六自由度機(jī)械臂抓取玉米穗，將玉米穗豎直靜置在下卡爪與上卡爪的中間，機(jī)械臂向下移動(dòng)，直到玉米穗下端接觸下卡爪；玉米穗位置擺放好以后，由42步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過絲桿傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)上卡爪向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上卡爪接觸到玉米穗時(shí)，觸動(dòng)安裝在上卡爪中的微動(dòng)開關(guān)，微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，隨后上卡爪向下運(yùn)動(dòng)10 mm，使上下卡爪夾持住玉米，夾持系統(tǒng)工作完成。六自由度機(jī)械臂松開玉米，返回到初始位置。

圖2 玉米幼胚提取設(shè)備的整機(jī)設(shè)計(jì)

玉米的夾持工作完成以后，由57步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力，通過絲桿傳遞動(dòng)力，帶動(dòng)承重板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)120 °。安裝在承重板上的3個(gè)夾持裝置按順序更換位置。玉米穗從進(jìn)出料區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)120 °到切削區(qū)，由12 V微型直流無刷電機(jī)提供動(dòng)力，帶動(dòng)上卡爪轉(zhuǎn)動(dòng)，使玉米做自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。玉米穗到達(dá)指定切削位置后，切削刀具自下而上運(yùn)動(dòng)，配合玉米穗的自轉(zhuǎn)，進(jìn)行切削過程，并被控制系統(tǒng)記憶切削刀具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)；與此同時(shí)，進(jìn)料區(qū)繼續(xù)進(jìn)料。

切削完成后，重復(fù)上述旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，玉米穗從切削區(qū)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)120 °到?jīng)_胚區(qū)；移動(dòng)到頂端的切削刀具在承重板旋轉(zhuǎn)的過程中快速返回到底部，準(zhǔn)備開始下一次的切削過程。玉米穗移動(dòng)到?jīng)_胚位置后，開啟高壓水泵，噴頭按照切削刀具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)開始沖洗幼胚。沖胚區(qū)沖取的幼胚落入濾網(wǎng)中，取出濾網(wǎng)便能得到玉米幼胚。水從排水口排除，與外接水泵形成水循環(huán)系統(tǒng)。

綜上所述，玉米幼胚提取設(shè)備首先完成對(duì)玉米穗的自動(dòng)夾持。夾持完成后開始切削，切削系統(tǒng)完成削去玉米籽粒頂端的種皮的工作；然后沖胚系統(tǒng)利用高壓水完成對(duì)玉米幼胚、胚乳的分離。再經(jīng)過濾網(wǎng)的篩選，最終完成玉米幼胚的提取工作。

三、結(jié)論

玉米幼胚提取設(shè)備能較好地提取幼胚，該設(shè)備在提取幼胚的過程中也會(huì)破壞少量的玉米幼胚，但是相較于目前使用的人工剝離方法依然具有很大的優(yōu)越性。無論是從工作效率、成本、還是操作難度等方面都能勝過人工剝離的方法。玉米幼胚提取設(shè)備的加工工藝性將是進(jìn)一步研究的另一個(gè)要點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)盡量控制設(shè)備的油污、噪音等對(duì)實(shí)驗(yàn)室的污染。

表1 4個(gè)玉米品種的特征參數(shù)比較