蒜薹拉伸特性研究

袁志华 陈翠娟 李华朴 李燕 袁超

摘要：对大蒜（Allium sativum L.）蒜薹的拉伸特性进行了试验，旨在为蒜薹收获机械的设计提供参考依据。在测试了蒜薹的拉伸强度以及从蒜株中拔出蒜薹的拉力值后，应用灰色系统理论分析了蒜薹拉伸强度的影响因素。结果表明，蒜薹拉伸强度与品种、蒜薹含水率、加载速度有关；蒜薹含水率越低，拉伸强度越大；蒜株越粗，拔出蒜薹的拉力值越大。

关键词：大蒜；蒜薹；拉伸强度；灰色系统理论；含水率；茎粗

中图分类号：S633.4；S220.2；S11+7 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）10-2401-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.10.025

大蒜（Allium sativum L.）为多年生草本植物，是一种香辛类蔬菜，其长出的蒜苗（青蒜）、蒜薹和蒜头均可食用。随着人们对大蒜保健功能认识的加深，大蒜的系列产品更加受到国内外消费者的青睐。中国是世界上大蒜的主要生产国、消费国和出口国，大蒜出口已达到120余个国家和地区，出口规模稳居世界第一[1]。

生产上及时采收蒜薹不仅可以获取鲜嫩的大蒜产品，而且还可避免蒜薹与蒜头争抢养分，促进蒜头迅速膨大。蒜薹长成后若采薹不及时或不采薹，既浪费养分又降低蒜薹品质，表现为蒜薹粗硬、纤维多，大大降低食用价值，还会减少蒜头的产量。蒜薹采收目前主要依靠人工完成，劳动强度大、效率低，而且在农忙季节经常会出现用工荒情况。因此，实现蒜薹采收机械化已成为发展大蒜产业的迫切需要。现在国内外对果蔬采摘机械的研究报道很多[2-5]，对于摘取方式，多数采摘机械使用剪刀剪断果柄或直接用手爪抗拉强度、果实直径和含水率等特性指标来设计机械采摘方式。试验采用灰色系统理论分析了大蒜蒜薹的拉伸强度与品种特性、蒜薹含水率、加载速度等方面的关系，以期为蒜薹收获机械的设计提供参数和依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用大蒜品种有苏联蒜（A. sativum cv. Sulian garlic）、宋城大蒜（A. sativum cv. Songcheng garlic）、宋城白蒜（A. sativum cv. Songcheng white garlic）。拉伸试验所用仪器是电脑控制电子万能试验机，其拉力传感器和位移传感器精度分别为0.01 N 和0.001 mm，分辨率为0.2%，达到国家一级精度标准。土壤含水量、土壤坚实度分别使用土壤水分测试仪、土壤坚实度测试仪直接测定。蒜薹含水率采用烘干法测定，使用仪器为远红外线快速恒温干燥箱和精确度为0.000 1 g的电子天平。

1.2 方法

2014年5月初，在郑州市中牟县大蒜基地田间随机抽样，采摘苏联蒜、宋城大蒜、宋城白蒜的蒜薹，并同时读取抽取蒜薹的最大拉力，测量该地区的土壤含水量、土壤坚实度。在河南农业大学机电工程学院实验室测量蒜薹样本的长度、鲜重，并将蒜薹横截面近似为圆形测定其直径。利用电脑控制试验万能机对蒜薹样本进行拉伸性能试验，为防止蒜薹在平面型夹持装置上发生滑移和夹溃现象，在蒜薹夹持部位包裹若干层卫生纸。在进行蒜薹拉伸试验时，采用10 mm/min恒速拉伸测试法，将拉断时的最大拉力除以横截面面积，可以得到蒜薹的拉伸强度。采用灰色系统理论[6]分析大蒜蒜薹的拉伸强度与品种特性、蒜薹含水率、加载速度等方面的关系，采用Microsft Office Excel 2007和SPSS 17.0软件对所得试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 蒜薹的拉力变形曲线

对蒜薹样品进行拉伸试验，可以得到蒜薹的拉力变形曲线，图1是宋城大蒜单根蒜薹受拉时的拉力变形曲线。横坐标表示变形量，单位是mm，纵坐标表示拉力，单位是N。由图1可以看出，蒜薹拉力变形曲线可分成明显的两部分，前一部分拉力变形线为曲线，其变形属于非线性变形；后一部分拉力变形线是直线，其变形属于弹性变形。由于曲线部分的曲率较大，可近似为直线，所以蒜薹材料可以简化为双线性材料模型。

2.2 蒜薹特性对蒜薹拉伸强度的影响

2.2.1 大蒜品种对蒜薹拉伸强度的影响 试验中苏联蒜、宋城大蒜、宋城白蒜3个品种的蒜薹拉伸强度测定结果见表1。由表1可以看出，大蒜品种不同，其拉伸强度不同。对3种大蒜蒜薹的拉伸强度进行方差分析，结果F=34.83，P=0.000 498，这表明蒜薹拉伸强度在品种之间的差异极显著。

2.2.2 含水率对蒜薹拉伸强度的影响 选取宋城大蒜蒜薹做拉伸试验，加载速度为10 mm/min，同时测试蒜薹的含水率。结果直径为6.2 mm，含水率为89%，拉伸强度为1 683 MPa。对测试结果进行相关分析，结果，r=-0.67，P=0.05，表明含水率与拉伸强度的关系为负相关。说明在一定范围内，蒜薹含水率降低，其拉伸强度增大。此结论与一般生物材料的性质基本相同[7-9]。

2.3 拉伸加载速度对蒜薹拉伸强度、拉断力的影响

选取宋城大蒜蒜薹做拉伸试验，拉伸加载速度分别取20、50、70 mm/min。结果3种拉伸加载速度下蒜薹拉伸强度的平均值分别为1 587.97、1 133.83、1 159.94 MPa。对不同拉伸加载速度下的拉伸强度进行方差分析，结果是F=6.04，P=0.02，表明蒜薹的拉伸强度在不同拉伸加载速度之间的差异显著。

另外，在拉伸加载速度分别为20、50、70 mm/min条件下，试验测定得到的蒜薹拉断力（蒜苔拉断时的拉力最大值）平均值分别为35.04、24.42、23.47 N。对不同拉伸加载速度下的蒜薹拉断力进行方差分析，结果F=9.23，P=0.006 6，表明蒜薹拉断力在拉伸加载速度之间的差异极显著。拉断力与拉伸加载速度的关系见图2。从图2可以看出，拉伸加载速度越大，蒜薹的拉断力越小；也就是说，拉伸加载速度越大，拉断蒜薹所需要的力量就越小。

2.4 土壤特性、大蒜生物学性状对拔出蒜薹拉力值的影响

以宋城大蒜为对象，在大田测试土壤的坚实度、含水率和大蒜植株生物学性状的高度、茎粗，以及蒜薹从大蒜植株中拔出时拉力的最大值，结果表明，土壤坚实度为86.1 N/cm3，土壤含水率为34%，大蒜植株高度为38.8 cm，大蒜植株茎粗为12.6 mm，蒜薹从大蒜植株中拔出的拉力是29.7 N。采用灰色系统理论把蒜薹拔出的拉力以及土壤坚实度、土壤含水率、大蒜植株高度与茎粗等视为一个灰色系统。每个量作为该系统的一个元素，计算蒜薹拔出的拉力与土壤坚实度、土壤含水率、大蒜植株高度及茎粗的关联度，其关联度大的表示影响大，反之亦然。结果蒜薹拔出的拉力与土壤坚实度的关联度值为0.72，与土壤含水率的关联度值为0.65，与大蒜植株高度的关联度值为0.67，与大蒜植株茎粗的关联度值为0.77，这个结果显示，拔出蒜薹的拉力与大蒜植株茎粗的关联度最大。由蒜薹拔出的拉力与大蒜植株茎粗的关系见图3，由图3可知，大蒜植株茎粗越粗，蒜薹拔出的拉力越大。

3 小结与討论

1）蒜薹的拉伸强度不仅与大蒜品种有关，还与蒜薹含水率、拉伸加载速度有关。大蒜品种不同则蒜薹拉伸强度不同，蒜薹拉伸强度在大蒜品种之间的差异极显著。蒜薹含水率越低拉伸强度越大，这与一般生物材料的性质相同。蒜薹拉伸强度在拉伸加载速度之间的差异显著，拉伸速度越大，拉断蒜薹所需要的力就越小。蒜薹的拉伸强度与内部组分的关系将是下一步研究的内容。

2）拔出蒜薹的拉力与大蒜植株茎粗的关联度最大，与土壤坚实度、土壤含水率的关联度较小。大蒜植株越粗，拔出蒜薹所需要的拉力就越大。这可为蒜薹收获机械的设计、水土保持方面的研究提供参考依据。

参考文献：

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