幼嫩玉米胚芽提取设备技术研究

玉米是我国重要的农作物之一，是食品、饲料、药品和工农业产品的重要原材料，玉米生产在国家粮食生产和粮食安全中占有重要的战略地位。在玉米的品种研究、幼胚食用和精加工环节都涉及到对玉米幼胚的提取。特别是在对玉米进行转基因技术遗传改良的过程中，玉米幼胚是目前使用最多、诱导率最高的外植体。

目前，提取玉米幼胚的主要方法是在无菌条件下，用70%酒精对玉米籽粒进行表面消毒后，人工剥离玉米籽粒中部的幼胚。但这种方法的提取效率低、工作周期长、经济效益差，难以应用到大规模的玉米幼胚提取工作中。玉米育种研究和其他相关行业迫切需要能够将该工序机械化操作。

玉米籽粒的胚形，是指玉米种胚部果皮的形态、面积的大小及其形状。玉米籽粒的胚形在遗传上具有相对稳定性,是玉米品种的主要特征之一。基于对玉米特征的分析，河南农业大学机电工程学院设计了一种简单、高效、可靠的玉米幼胚提取设备，笔者现将该设备的技术研究介绍如下。

一、玉米穗特征数据采集及参数分析

（一）玉米穗特征数据采集

试验选用了郑单958、浚单29、伟科702、中单909玉米品种。各个玉米品种均选择授粉后8～12 d的玉米穗10穗，共计40穗玉米作为实验样本。在测量之前，首先，分别对玉米穗进行剥皮处理，清理掉玉米花丝；其次，切除玉米穗柄部分；最后，对其穗粗、穗长、行粒数等所需特征数据进行采集。

穗粗和穗长采用手工测量的方式，先使用纤维皮尺测定穗中部粗度即为穗粗，再测量玉米穗柄到顶部的距离为穗长。要求按照皮尺的正确使用方法，在测量过程中不得破环玉米籽粒的完整性。行粒数直接用人工数数的方式采集。

图1 玉米籽粒结构

（二）特征参数的分析

4个玉米品种的特征参数平均值如表1所示，但是根据实际情况，授粉后8～12 d的玉米穗顶部玉米籽粒并不能提供玉米幼胚，故在实际的提取过程中需要将顶部约4 cm的无幼胚部分切去。

二、设计原理与整机结构

（一）设计原理

本设计首先通过切削刀具切除籽粒顶端种皮，破坏籽粒种皮的完整性，然后利用高压水从玉米籽粒顶端朝向幼胚冲洗，将玉米胚乳和幼胚从种皮破损处冲出，以得到完整的玉米幼胚。

（二）整机结构

玉米幼胚提取设备如图2所示。为了避免冲胚过程中水的喷溅损坏设备。将设备的动力源、电路尽可能地设计在机器的上部；传动零件分布在机器上部和外部；为玉米旋转提供动力的12 V微型直流电机放置在电机套筒中。

六自由度机械臂抓取玉米穗，将玉米穗竖直静置在下卡爪与上卡爪的中间，机械臂向下移动，直到玉米穗下端接触下卡爪；玉米穗位置摆放好以后，由42步进电机提供动力，通过丝杆传递动力，带动上卡爪向下运动。当上卡爪接触到玉米穗时，触动安装在上卡爪中的微动开关，微动开关发出信号，随后上卡爪向下运动10 mm，使上下卡爪夹持住玉米，夹持系统工作完成。六自由度机械臂松开玉米，返回到初始位置。

图2 玉米幼胚提取设备的整机设计

玉米的夹持工作完成以后，由57步进电机提供动力，通过丝杆传递动力，带动承重板逆时针旋转120 °。安装在承重板上的3个夹持装置按顺序更换位置。玉米穗从进出料区转动120 °到切削区，由12 V微型直流无刷电机提供动力，带动上卡爪转动，使玉米做自转运动。玉米穗到达指定切削位置后，切削刀具自下而上运动，配合玉米穗的自转，进行切削过程，并被控制系统记忆切削刀具的运动参数；与此同时，进料区继续进料。

切削完成后，重复上述旋转运动，玉米穗从切削区逆时针转动120 °到冲胚区；移动到顶端的切削刀具在承重板旋转的过程中快速返回到底部，准备开始下一次的切削过程。玉米穗移动到冲胚位置后，开启高压水泵，喷头按照切削刀具的运动参数开始冲洗幼胚。冲胚区冲取的幼胚落入滤网中，取出滤网便能得到玉米幼胚。水从排水口排除，与外接水泵形成水循环系统。

综上所述，玉米幼胚提取设备首先完成对玉米穗的自动夹持。夹持完成后开始切削，切削系统完成削去玉米籽粒顶端的种皮的工作；然后冲胚系统利用高压水完成对玉米幼胚、胚乳的分离。再经过滤网的筛选，最终完成玉米幼胚的提取工作。

三、结论

玉米幼胚提取设备能较好地提取幼胚，该设备在提取幼胚的过程中也会破坏少量的玉米幼胚，但是相较于目前使用的人工剥离方法依然具有很大的优越性。无论是从工作效率、成本、还是操作难度等方面都能胜过人工剥离的方法。玉米幼胚提取设备的加工工艺性将是进一步研究的另一个要点。同时，应尽量控制设备的油污、噪音等对实验室的污染。

表1 4个玉米品种的特征参数比较