水压式玉米幼胚提取装置的设计与试验

王 玲，张博洋，胡彦民，田 辉*

(1.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002)

玉米主要用于淀粉、酒精、饲料、酱油、制药、玉米胚芽油等的加工，少量用于食用[1]。2015—2016年，我国玉米产量达到了历史最高水平。作为农业大国，我国近年来的玉米产量都在2亿t以上，而每1万t玉米就能够分离出约700 t的胚芽[2]。其中的玉米胚芽蛋白质可作为蛋白质添加剂，广泛用于糕点、面包、植物蛋白质饮料、干酪、药用胶囊和肉制品中[3-4]。1975年GREEN和PHILLIPS用未熟玉米的幼胚培养出胚性愈伤组织并成功诱导出植株以后，以此技术为基础的突变体筛选和转基因研究日益增多[5-6]。其中，愈伤组织的诱导和继代是关键的一步，影响其组织培养技术发挥作用的一个关键因素就是幼胚的提取。

现有的玉米脱胚机主要用来分离成熟的玉米胚芽，且存在破碎率高的问题，有干法提胚、湿法提胚和半湿法提胚3种方法，又可分为立式和卧式2类传动方式。如冯少岭等[7]设计的TPJ650×1140新型半湿法玉米脱胚机。玉米幼胚长度仅有1～2 mm且对脱胚要求较高，要求胚芽完整，现有的玉米脱胚装置不适合玉米幼胚的提取。目前，提取玉米幼胚的方法是在无菌条件下，以70%乙醇表面消毒后人工用专用镊子剥离穗中部的幼胚[8]。其缺点是效率低、不易操作、不能满足批量作业的需求。针对以上情况，本研究设计了一种用水压分离玉米幼胚的提取装置，该装置具有结构简单、便于操作、脱出胚芽完整等优点，对研究人员和相关产业具有重要的现实意义。

1 整机结构和工作原理

所设计的玉米幼胚提取装置工作流程如图1所示，其结构如图2所示。玉米依次通过加料斗、切削装置、传送装置、筛选和收集装置，完成削皮、幼胚提取等工作。首先通过加料斗加入嫩玉米，然后经过加料斗底部的倾斜部位依次有序地落入切削机构的三角托板，在增磨滚筒的导向作用下，利用三角托板的倾斜角度完成嫩玉米的自旋和前进。其中，主动滚筒的动力源采用减速直连电机。之后嫩玉米由仿形刀具去除种皮，废料落入收集箱。然后，嫩玉米沿着托板进入脱胚机构，由输送带将削去种皮后的嫩玉米在57系列行星减速步进电机的驱动和传动轴自转的条件下进行平稳输送(因同步轮与固定式同步带啮合，输送轴转动)。同时，在箱体左侧的喷头上安装的颜色传感器检测到玉米，夹持机构带动喷头开始移动，并且喷头会与输送带保持同步(颜色传感器将物体颜色同已经标定过的玉米颜色进行比较来检测颜色[9]，当2个颜色在一定的误差范围内吻合时，通过自动控制电机实现喷头与玉米的同步)。最后，当玉米输送至同步轮与同步带终止啮合处，传动轴和玉米停止自转，随后从箱体一侧的落料口掉落。当所有玉米脱胚工作完成后，拉出筛板即可收集玉米幼胚。

图1 玉米脱胚流程

1.种皮收集箱; 2.支架; 3.加料斗; 4.切削机构; 5.幼胚收集箱; 6.同步喷水机构; 7.输送机构; 8.57系列减速步进电机; 9.分级筛选机构图2 水压式玉米幼胚提取装置虚拟样机

在玉米幼胚离体培养时，愈伤组织的诱导和继代对玉米幼胚的要求很高，所以要尽可能保证幼胚的完整性。首先选择水泵来完成水的循环流动和调节所需的压强。经对比，自吸泵具有小巧、方便可靠、修理方便、效率高和寿命长等一系列优点，选取PHJ-750A型自吸泵。在泵的出水口安装调压阀实时调整水压大小。在取胚部分，采用柱式喷头利用水压分离法脱胚，喷头参考玉米尺寸设计为：长200 mm，宽40 mm。

2 控制系统的设计

2.1 控制系统的电路设计和仿真

控制系统流程图如图3所示。硬件电路主要由单片机、颜色传感器、步进电机和PC上位机组成。采用软件延时实现电机速度的控制，采用定时器的定时常数实现步进电机的间歇运动。控制系统硬件电路图如图4所示，驱动器选用的型号是SH-20806E，它具有速度可调、保护电路的作用。并选用24BY和57系列型两相四线制步进电机[10]。

工作时该电路在单片机的控制下可以实现的功能如下：

1)控制57系列减速步进电机做匀速运动；2)24BY步进电机实现喷头和玉米运动同步；3)颜色传感器检测到玉米时步进电机开始工作；4)步进电机转到固定步数时快速反转回到输送装置顶部准备下一轮工作。

图3 玉米幼胚提取装置的控制系统流程

2.2 参数设定

经过试验，每个玉米的平均脱胚时间约为12 s。设定57步进电机转一圈需要7 s，同时为了能在规定的12 s内完成脱胚工作，将由24BY步进电机控制的喷头与玉米的同步距离设置为A2。计算过程如下：

A1=2πr≈470 mm

(1)

(2)

v玉米=v滚筒=v滚筒轴=67.1 mm/s

(3)

(4)

(5)

(6)

图4 玉米幼胚提取装置的步进电机电路图

式中，r=75 mm为滚筒半径，A1为滚筒周长，A2为步进电机需要同步的距离，A2=A1。ω玉米为玉米的角速度，r玉米为嫩玉米半径，取r玉米≈20 mm，n为57步进电机的转数。

由式(1)—(5)可知，6 s转动了0.62圈；14 s转了1.24圈，可得式(6)即同步距离为800 mm时，经过12 s就可以完成一个玉米的脱胚作业。所以当传感器检测到玉米时，24步进电机开始工作并与57步进电机保持同步持续时间为12 s，步进距离为80 cm时完成一个玉米的脱胚任务。

用keil软件对步进电机编程，首先初始化单片机，设置变量以及有无玉米时步进电机的状态。然后对寄存器和功能模块初始化，给定速度初始值，其次调用速度、方向和定时中断子程序，最后测试程序并完善步进电机的闭环控制。

3 脱胚试验与分析

3.1 影响因素及其权重的确定

3.1.1 多因素正交试验的设计 为了满足脱胚要求，在喷头与玉米的垂直角度(零度)、喷孔尺寸、数目确定的情况下进行了样机试验，分别确定了脱胚距离(喷头到玉米的距离)、脱胚压强(水泵出水口压强)和脱胚时间(水对玉米的作用时间)3个因素，由三者共同作用时测得的实际脱胚率(实际脱胚率=脱胚率-胚芽损伤率)为玉米幼胚提取机的重要指标。针对影响实际脱胚率的多因素问题，基本的研究思路是如何制定试验方案以尽可能减少试验次数，并能对试验结果进行有效的统计分析，最终目的是分析各因素对脱胚影响的权重以及寻求较优试验方案[11-12]。

综上，采用三因素两水平L8(23)正交设计方法[13-14]进行玉米幼胚提取试验，在脱胚距离、脱胚压强和脱胚时间多因素共同作用下计算实际脱胚率。试验暂不考虑因素间的交叉作用，正交试验设计因素及其水平见表1。

表1 正交试验因素及水平

3.1.2 正交试验结果分析及较优组合方式 对8种方案进行脱胚试验，脱胚时间从6 s逐渐增加到12 s；脱胚压强从0.25 MPa逐渐增加到0.40 MPa；脱胚距离从30 mm逐渐增加到60 mm，试验结果见表2，对数据进行分析以获得最优决策。本试验采用极差分析法分析各因素所占权重大小，进而确定各因素的试验顺序。实际脱胚率越大，脱胚效果越好。实际脱胚率的极差分析见表2的R，在正交试验极差分析中，R值越大说明该因素的权重越大，由此可见，影响实际脱胚率的主要参数为脱胚时间，其次是脱胚压强，然后是脱胚距离。

表2 正交试验统计结果及分析

3.2 脱胚时间的确定

为确定最优的脱胚时间，在脱胚压强0.40 MPa、脱胚距离55 mm的条件下分别设置脱胚时间为6、8、10、12、14、16 s进行单因素试验。玉米旋转速度为0.02 m/s，统计结果如图5所示。可以看出，在6～11 s时，随着脱胚时间的延长，玉米实际脱胚率不断提高，在12 s左右时实际脱胚率达到了最大值，约91%，胚芽的损伤率在3%以内，满足设计要求。

图5 脱胚时间对实际脱胚率的影响

3.3 脱胚压强的确定

为了确定脱胚压强，在脱胚时间12 s、脱胚距离60 mm的条件下设置脱胚压强分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 MPa。统计结果如图6所示，可见，随着压强增大，脱胚率不断增加，但胚芽损坏率也在不断增加。由图6可得，脱胚压强为0.30～0.40 MPa，实际脱胚率较高。

图6 脱胚压强对实际脱胚率的影响

3.4 脱胚距离的确定

在脱胚压强0.40 MPa、脱胚时间12 s的条件下分别设置脱胚距离30、40、50、60、70、80、90、100 mm进行试验。结果如图7所示。可以看出，随着脱胚距离的增大，实际脱胚率先增大后减小，胚芽损伤率均小于5%。脱胚距离在30～50 mm时，虽然水压较大但喷水面积较小，喷水面积对脱胚率的影响大于脱胚压强的影响；当脱胚距离为50～60 mm时，脱胚效果较好，脱胚率达到最大值；当脱胚距离为60～80 mm时，距离相对较远，喷水面积较大但脱胚压强较小，脱胚压强对脱胚率的影响大于喷水面积的影响。

图7 脱胚距离对实际脱胚率的影响

4 结论与讨论

水压式玉米幼胚提取机具有易操作、效率高和胚芽完整等优点，可同时完成种皮切削、脱胚和筛选作业，符合玉米幼胚离体培养的试验要求。输送机构及其控制系统可以有效地在输送玉米的同时完成玉米的自转，实现玉米的动态输送，其次，步进电机的间歇运动节水节能。经过在原型机上进行试验，水压式玉米幼胚提取机较适宜的脱胚距离为50～60 mm、脱胚压强为0.30～0.40 MPa、脱胚时间约为12 s，此时实际脱胚效率可达90%以上。与手工提取玉米幼胚相比，该机器提高了脱胚效率并实现了玉米幼胚的自动化提取。因实验条件及样机工艺限制，本研究仅针对3个参数在较小范围内进行了正交试验，尚未得出最佳的脱胚参数，下一步需继续优化工艺后在样机上进行多因素试验，确定该装置的最佳提胚参数。