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摘要[目的]探索一种测试玉米籽粒力学性质的新方法，建立一种物料力学研究新方法。[方法]对玉米籽粒分别进行传统穿刺试验和原位压缩试验，在不同加载速率（0.02、0.06、0.10 mm/s）及不同含水率（11.37%、13.86%、14.78%、1613%、18.48%）下对各部位穿刺力学参数进行显著性和变异系数分析。[结果]加载速率0.02 mm/s、含水率14.78%的穿刺组试验结果最稳定；稳定组的原位压缩试验的最大破裂力、弹性模量和总功在某些部位与传统穿刺力学参数有较好的相关性，原位压缩破裂力和总功与传统穿刺的部分力学参数间存在极强的相关性。在验证了原位压缩试验可行的基础上，对原位裂纹图像分析可以更清晰地观察裂纹的形貌及扩展。[结论]原位压缩测试结果与传统穿刺力学参数间具有较好的相关性，原位压缩测试可代替传统穿刺测试。
关键词玉米籽粒；力学特性；穿刺测试；原位压缩；图像处理
中图分类号TS210.1文献标识码A文章编号0517-6611（2017）11-0210-04
Abstract[Objective] To explore a new method for testing the mechanical properties of maize kernels and to establish a new method of material mechanics.[Method] Different loading rates （0.02， 0.06， 0.10 mm/s） and different water content （11.37%， 13.86%， 14.78%， 1613%， 18.48%） were studied， the significance and coefficient of variation of the puncture mechanical parameters were analyzed.[Result] The results of the puncture test group with the loading rate of 0.02 mm/s and the water content of 14.78% were the most stable. The maximum bursting force， elastic modulus and total work force of the stability test in the stable group were in some parts with the traditional puncture mechanics parameters. There is a strong correlation between the in situ compression rupture force and the total work force and the partial mechanical parameters of the traditional puncture. On the basis of validating the insitu compression test， the insitu crack image analysis can more clearly observe the morphology and expansion of the crack.[Conclusion] The in situ compression test results have a good correlation with the traditional puncture mechanics parameters， the in situ compression test can replace the traditional puncture test.
Key wordsMaize grain；Mechanical properties；Puncture test；Insitu compression；Image processing
玉米在加工和儲运等过程中存在着许多生物、化学问题，其中玉米籽粒的力学特性是决定其加工品质的一个重要因素[1-2]。多年来，国内外学者对玉米、稻谷、小麦等粮食籽粒进行了力学特性研究，通过分析粮食籽粒的水分、组分与力学参数的规律，建立与力学参数的联系[3-4]。试验的设备多选用万能试验机和质构仪。质构仪是通过探头切割、挤压和拉伸测试，得到质构性以及相关关系曲线的设备[5]。质构仪广泛应用于食品物料的力学研究中，玉米籽粒的力学研究也主要运用质构仪来进行，但是现有的研究只能得出力学特性参数及曲线，无法观察到加载过程中的裂纹产生，对储运过程中的裂纹产生无法明确解释。因此，笔者借助原位测试仪器进行测试及裂纹的观察[6]，分别进行质构仪穿刺和原位测试仪压缩试验，将质构仪的传统测试方式与原位测试仪的新式测试方式进行对比，探讨原位测试仪测量玉米籽粒力学特性的可行性，并进行原位测试图像分析。
1材料与方法
1.1材料供试原材料选自吉林农业大学玉米试验田收获的马齿形黄玉米柳单301，选取粒形均匀，无病虫害、畸形、损伤、霉变的籽粒样品[7]，采摘后置于低温避光环境下保存。
主要仪器设备：CT3质构仪购自美国Brookfield Engineering Labs，试验过程中可实时动态显示加载过程中的位移、挤压力、加载速率及试验曲线，最大负载为500 N，负载分辨率为0.001 N，位移分辨率为0.01 mm。
原位测试仪是机械实验室自行设计开发的跨尺寸微纳米级原位三点弯曲试验装置，最大加载力为500 N，载荷分辨率为0.01 N，位移分辨率为1 μm。 1.2方法由于粮食物料在贮运、加工过程中一般是以整体状态承受外力作用，因此以籽粒状态进行整体力學研究是有意义的[8]。将5种含水率（11.37%、13.86%、14.78%、1613%、18.48%）的玉米籽粒随机分组，每组20个进行3组不同加载速率（0.02、0.06、0.10 mm/s）的试验，多次测试结果取平均值。
2结果与分析
2.1玉米籽粒的穿刺试验
2.1.1玉米籽粒负载压力-位移曲线分析。由图1可知，玉米籽粒各个部位的最大负载力存在较大差异，其中，角质胚乳的最大负载力最大，粉质胚乳居中，胚部最小。负载压力的最高点即为最大破裂力，籽粒开始产生裂纹，由于玉米籽粒组织的不均匀性，裂纹扩展呈现不均匀性，从而曲线出现波动起伏。
2.1.2不同加载速率下玉米籽粒穿刺试验参数分析。不同加载速率下对玉米试样进行5次重复取平均值，并用SPSS对结果进行显著性分析，结果如表1所示。根据以下公式分别计算各加载速率下玉米籽粒各部位数据的变异系数，结果如表2所示。
CV=N1i=1（xi-）21N-11x=SD1MN×100%
式中，SD为测试样本的标准差，MN为测试样本的平均数。
由表1可以得出，不同速率下玉米籽粒各部位参数均没有显著性差异，加载速率对于各部位穿刺结果没有差异性影响。由表2可知，各部位在加载速率为0.02 mm/s时，其力学参数变异系数总体最小，结果更稳定。综合考虑穿刺结果稳定性和加载效果，以加载速率0.02 mm/s为最适加载速率。
安徽农业科学2017年2.1.3不同含水率的玉米籽粒穿刺试验参数分析。从表3可知，各部位在含水率为13.86%、14.78%的试样中无显著性差异。从表4可知，在含水率为14.78%时，玉米籽粒粉质胚乳和胚部的各变异系数较小，结果较稳定；角质胚乳在含水率为11.37%时各变异系数较小。综合考虑玉米籽粒的平衡水分及储运的安全水分，选择含水率为14.78%试验结果更稳定，也更具有代表性。
2.2玉米籽粒原位测试综合以上分析，加载速率为0.02 mm/s、含水率14.78%时，玉米籽粒各部位穿刺结果最稳定。原位测试仪进行压缩试验时，选取最稳定的试验组进行试验，其结果与穿刺试验组进行比较分析。
2.2.1玉米籽粒原位压缩负载压力-位移曲线分析。由图2可知，不同放置方式下玉米籽粒的最大负荷力存在差异。玉米籽粒平放时的最大负荷力最大，立放时次之，侧面放置时最小。由于保持匀速缓慢加载，因此测量结果较稳定。
2.2.2玉米籽粒原位压缩力学参数分析。从表5可知，平放与立放的总功、形变量无显著性差异，侧放与立放时的弹性模量无显著性差异，总体的差异性在可接受范围内。从表6可知，最大破裂力、弹性模量、总功的变异系数在平放时均最小，形变量的变异系数在立放时最小。总体的变异系数在较小范围内波动，结果可接受。
2.3玉米籽粒穿刺-原位压缩相关分析
2.3.1Pearson相关性分析。表7～9为玉米不同放置方式下穿刺-原位压缩力学参数相关分析结果。由表7可知，平放时的最大破裂力与压缩破裂力在0.05水平上显著相关，相关系数为0.923。由表9可知，立放时的弹性模量与压缩破裂力在0.05水平上显著相关，相关系数为0.668；压缩总功与立放时最大破裂力、立放的总功在0.05水平上显著相关，相关系数分别为-0.939、-0.879。
2.3.2差异性分析。由试验结果可知，穿刺平放破裂力与原位压缩最大破裂力的相关性较好，在0.05水平上显著相关，相关系数为0.802，F值为17.226，P值为0.025，且线性方程显著。穿刺平放破裂力和总功与原位压缩总功在0.05水平上显著相关，相关系数分别为0.844和0.697，F值分别为22.566和10.203，P值分别为0.018和0.050，且线性方程均为显著。综上结果，原位压缩力学参数的压缩破裂力和总功与传统穿刺的部分力学参数间存在极强的相关性，原位测试方式可以代替传统的质构仪测试。
2.4原位测试图像分析在进行原位试验过程中，可实时观察并记录图像信息，供后续的分析，避免错过关键信息[9]。使用ImageJ软件[10-12]将原始RGB图像（图3a）转换为8位灰度图像（图3b），通过阈值设置以使图像边缘便于区分，并去掉灰度图像中的斑点。将没有明显噪声的图像转换为二注：进制（图3c），并进行提取骨架（图3d），使用软件的测量功能提取图像轮廓的面积、周长等参数，具体如下：裂纹总面积（1 412 308.00±11 716.81）μm2、裂纹面积（440 338.40±59 253.91）μm2、裂纹周长（3 096.53±162.75）μm、裂纹宽度（479.20±46.25）μm。
3结论
该研究对玉米单个籽粒进行传统质构穿刺试验，并对角质胚乳、粉质胚乳、胚部分别进行单独试验。通过方差分析和变异系数分析，可以确定结果稳定组的参数为加载速率002 mm/s、籽粒含水率14.78%。在结果稳定组试验参数下，进行原位压缩试验。对玉米籽粒穿刺力学参数与原位压缩力学参数进行Pearson相关性分析和回归差异性分析，发现原位压缩力学参数的压缩破裂力和总功与传统穿刺的部分力学参数间存在极强的相关性。可以确定，原位测试方式可以代替传统的质构仪测试，为物料力学特性的研究开辟了新思路。在确定了原位力学试验可行性基础上，对原位试验的裂纹形貌图像进行分析，为后续进行粮食物料的力学研究打下基础。
参考文献
[1] 张维东，韩喜国，任英，等.吉林省玉米生产现状及建议[J].现代农业科技，2012（19）：50-51.
[2] 牛海华，赵武云，史增录.玉米籽粒力学特性的研究进展及应用[J].中国农机化，2011（2）：101-104. [3] 程绪铎，高梦瑶，杜小翠，等.稻谷籽粒的压缩特性与含水率关系的实验研究[J].粮食储藏，2015，44（1）：6-10.
[4] SHARMA R，SOGI D S，SAXENA D C.Dehulling performance and textural characteristics of unshelled and shelled sunflower（Helianthus annuus L.）seeds[J].Journal of food engineering，2009，92（1）：1-7.
[5] 李心平，李玉柱，马福丽，等.玉米种子抗压特性及裂纹生成规律[J].农业机械学报，2011，42（8）：94-98.
[6] 胡晓利.原位三点弯曲测试装置的开发与试验研究[D].长春：吉林大学，2014.
[7] 周文秀.玉米籽粒的物理力学特性研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2015.
[8] FIGUEROA J D C，HERNNDEZ Z J E，VLES M J J，et al.Evaluation of degree of elasticity and other mechanical properties of wheat kernels[J].Cereal chemistry，2011，88（1）：12-18.
[9] HOU J，SUN Y，CHEN F，et al.Analysis of microstructures and macrotextures for different apple cultivars based on parenchyma morphology[J].Microscopy research and technique，2016，79（4）：304-312.
[10] 张新伟，高连兴.玉米种子内部机械裂纹扩展过程研究[J].中国农机化学报，2014，35（2）：123-127.
[11] 王廣万.玉米籽粒压缩力学特性有限元分析[J].中国农机化学报，2016，37（1）：117-120.
[12] 吴杰，任奕林，王恒志.稻谷加工断裂面裂纹显微图像识别研究[J].广东农业科学，2014，41（5）：213-216.
关键词玉米籽粒；力学特性；穿刺测试；原位压缩；图像处理
中图分类号TS210.1文献标识码A文章编号0517-6611（2017）11-0210-04
Abstract[Objective] To explore a new method for testing the mechanical properties of maize kernels and to establish a new method of material mechanics.[Method] Different loading rates （0.02， 0.06， 0.10 mm/s） and different water content （11.37%， 13.86%， 14.78%， 1613%， 18.48%） were studied， the significance and coefficient of variation of the puncture mechanical parameters were analyzed.[Result] The results of the puncture test group with the loading rate of 0.02 mm/s and the water content of 14.78% were the most stable. The maximum bursting force， elastic modulus and total work force of the stability test in the stable group were in some parts with the traditional puncture mechanics parameters. There is a strong correlation between the in situ compression rupture force and the total work force and the partial mechanical parameters of the traditional puncture. On the basis of validating the insitu compression test， the insitu crack image analysis can more clearly observe the morphology and expansion of the crack.[Conclusion] The in situ compression test results have a good correlation with the traditional puncture mechanics parameters， the in situ compression test can replace the traditional puncture test.
Key wordsMaize grain；Mechanical properties；Puncture test；Insitu compression；Image processing
玉米在加工和儲运等过程中存在着许多生物、化学问题，其中玉米籽粒的力学特性是决定其加工品质的一个重要因素[1-2]。多年来，国内外学者对玉米、稻谷、小麦等粮食籽粒进行了力学特性研究，通过分析粮食籽粒的水分、组分与力学参数的规律，建立与力学参数的联系[3-4]。试验的设备多选用万能试验机和质构仪。质构仪是通过探头切割、挤压和拉伸测试，得到质构性以及相关关系曲线的设备[5]。质构仪广泛应用于食品物料的力学研究中，玉米籽粒的力学研究也主要运用质构仪来进行，但是现有的研究只能得出力学特性参数及曲线，无法观察到加载过程中的裂纹产生，对储运过程中的裂纹产生无法明确解释。因此，笔者借助原位测试仪器进行测试及裂纹的观察[6]，分别进行质构仪穿刺和原位测试仪压缩试验，将质构仪的传统测试方式与原位测试仪的新式测试方式进行对比，探讨原位测试仪测量玉米籽粒力学特性的可行性，并进行原位测试图像分析。
1材料与方法
1.1材料供试原材料选自吉林农业大学玉米试验田收获的马齿形黄玉米柳单301，选取粒形均匀，无病虫害、畸形、损伤、霉变的籽粒样品[7]，采摘后置于低温避光环境下保存。
主要仪器设备：CT3质构仪购自美国Brookfield Engineering Labs，试验过程中可实时动态显示加载过程中的位移、挤压力、加载速率及试验曲线，最大负载为500 N，负载分辨率为0.001 N，位移分辨率为0.01 mm。
原位测试仪是机械实验室自行设计开发的跨尺寸微纳米级原位三点弯曲试验装置，最大加载力为500 N，载荷分辨率为0.01 N，位移分辨率为1 μm。 1.2方法由于粮食物料在贮运、加工过程中一般是以整体状态承受外力作用，因此以籽粒状态进行整体力學研究是有意义的[8]。将5种含水率（11.37%、13.86%、14.78%、1613%、18.48%）的玉米籽粒随机分组，每组20个进行3组不同加载速率（0.02、0.06、0.10 mm/s）的试验，多次测试结果取平均值。
2结果与分析
2.1玉米籽粒的穿刺试验
2.1.1玉米籽粒负载压力-位移曲线分析。由图1可知，玉米籽粒各个部位的最大负载力存在较大差异，其中，角质胚乳的最大负载力最大，粉质胚乳居中，胚部最小。负载压力的最高点即为最大破裂力，籽粒开始产生裂纹，由于玉米籽粒组织的不均匀性，裂纹扩展呈现不均匀性，从而曲线出现波动起伏。
2.1.2不同加载速率下玉米籽粒穿刺试验参数分析。不同加载速率下对玉米试样进行5次重复取平均值，并用SPSS对结果进行显著性分析，结果如表1所示。根据以下公式分别计算各加载速率下玉米籽粒各部位数据的变异系数，结果如表2所示。
CV=N1i=1（xi-）21N-11x=SD1MN×100%
式中，SD为测试样本的标准差，MN为测试样本的平均数。
由表1可以得出，不同速率下玉米籽粒各部位参数均没有显著性差异，加载速率对于各部位穿刺结果没有差异性影响。由表2可知，各部位在加载速率为0.02 mm/s时，其力学参数变异系数总体最小，结果更稳定。综合考虑穿刺结果稳定性和加载效果，以加载速率0.02 mm/s为最适加载速率。
安徽农业科学2017年2.1.3不同含水率的玉米籽粒穿刺试验参数分析。从表3可知，各部位在含水率为13.86%、14.78%的试样中无显著性差异。从表4可知，在含水率为14.78%时，玉米籽粒粉质胚乳和胚部的各变异系数较小，结果较稳定；角质胚乳在含水率为11.37%时各变异系数较小。综合考虑玉米籽粒的平衡水分及储运的安全水分，选择含水率为14.78%试验结果更稳定，也更具有代表性。
2.2玉米籽粒原位测试综合以上分析，加载速率为0.02 mm/s、含水率14.78%时，玉米籽粒各部位穿刺结果最稳定。原位测试仪进行压缩试验时，选取最稳定的试验组进行试验，其结果与穿刺试验组进行比较分析。
2.2.1玉米籽粒原位压缩负载压力-位移曲线分析。由图2可知，不同放置方式下玉米籽粒的最大负荷力存在差异。玉米籽粒平放时的最大负荷力最大，立放时次之，侧面放置时最小。由于保持匀速缓慢加载，因此测量结果较稳定。
2.2.2玉米籽粒原位压缩力学参数分析。从表5可知，平放与立放的总功、形变量无显著性差异，侧放与立放时的弹性模量无显著性差异，总体的差异性在可接受范围内。从表6可知，最大破裂力、弹性模量、总功的变异系数在平放时均最小，形变量的变异系数在立放时最小。总体的变异系数在较小范围内波动，结果可接受。
2.3玉米籽粒穿刺-原位压缩相关分析
2.3.1Pearson相关性分析。表7～9为玉米不同放置方式下穿刺-原位压缩力学参数相关分析结果。由表7可知，平放时的最大破裂力与压缩破裂力在0.05水平上显著相关，相关系数为0.923。由表9可知，立放时的弹性模量与压缩破裂力在0.05水平上显著相关，相关系数为0.668；压缩总功与立放时最大破裂力、立放的总功在0.05水平上显著相关，相关系数分别为-0.939、-0.879。
2.3.2差异性分析。由试验结果可知，穿刺平放破裂力与原位压缩最大破裂力的相关性较好，在0.05水平上显著相关，相关系数为0.802，F值为17.226，P值为0.025，且线性方程显著。穿刺平放破裂力和总功与原位压缩总功在0.05水平上显著相关，相关系数分别为0.844和0.697，F值分别为22.566和10.203，P值分别为0.018和0.050，且线性方程均为显著。综上结果，原位压缩力学参数的压缩破裂力和总功与传统穿刺的部分力学参数间存在极强的相关性，原位测试方式可以代替传统的质构仪测试。
2.4原位测试图像分析在进行原位试验过程中，可实时观察并记录图像信息，供后续的分析，避免错过关键信息[9]。使用ImageJ软件[10-12]将原始RGB图像（图3a）转换为8位灰度图像（图3b），通过阈值设置以使图像边缘便于区分，并去掉灰度图像中的斑点。将没有明显噪声的图像转换为二注：进制（图3c），并进行提取骨架（图3d），使用软件的测量功能提取图像轮廓的面积、周长等参数，具体如下：裂纹总面积（1 412 308.00±11 716.81）μm2、裂纹面积（440 338.40±59 253.91）μm2、裂纹周长（3 096.53±162.75）μm、裂纹宽度（479.20±46.25）μm。
3结论
该研究对玉米单个籽粒进行传统质构穿刺试验，并对角质胚乳、粉质胚乳、胚部分别进行单独试验。通过方差分析和变异系数分析，可以确定结果稳定组的参数为加载速率002 mm/s、籽粒含水率14.78%。在结果稳定组试验参数下，进行原位压缩试验。对玉米籽粒穿刺力学参数与原位压缩力学参数进行Pearson相关性分析和回归差异性分析，发现原位压缩力学参数的压缩破裂力和总功与传统穿刺的部分力学参数间存在极强的相关性。可以确定，原位测试方式可以代替传统的质构仪测试，为物料力学特性的研究开辟了新思路。在确定了原位力学试验可行性基础上，对原位试验的裂纹形貌图像进行分析，为后续进行粮食物料的力学研究打下基础。
参考文献
[1] 张维东，韩喜国，任英，等.吉林省玉米生产现状及建议[J].现代农业科技，2012（19）：50-51.
[2] 牛海华，赵武云，史增录.玉米籽粒力学特性的研究进展及应用[J].中国农机化，2011（2）：101-104. [3] 程绪铎，高梦瑶，杜小翠，等.稻谷籽粒的压缩特性与含水率关系的实验研究[J].粮食储藏，2015，44（1）：6-10.
[4] SHARMA R，SOGI D S，SAXENA D C.Dehulling performance and textural characteristics of unshelled and shelled sunflower（Helianthus annuus L.）seeds[J].Journal of food engineering，2009，92（1）：1-7.
[5] 李心平，李玉柱，马福丽，等.玉米种子抗压特性及裂纹生成规律[J].农业机械学报，2011，42（8）：94-98.
[6] 胡晓利.原位三点弯曲测试装置的开发与试验研究[D].长春：吉林大学，2014.
[7] 周文秀.玉米籽粒的物理力学特性研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2015.
[8] FIGUEROA J D C，HERNNDEZ Z J E，VLES M J J，et al.Evaluation of degree of elasticity and other mechanical properties of wheat kernels[J].Cereal chemistry，2011，88（1）：12-18.
[9] HOU J，SUN Y，CHEN F，et al.Analysis of microstructures and macrotextures for different apple cultivars based on parenchyma morphology[J].Microscopy research and technique，2016，79（4）：304-312.
[10] 张新伟，高连兴.玉米种子内部机械裂纹扩展过程研究[J].中国农机化学报，2014，35（2）：123-127.
[11] 王廣万.玉米籽粒压缩力学特性有限元分析[J].中国农机化学报，2016，37（1）：117-120.
[12] 吴杰，任奕林，王恒志.稻谷加工断裂面裂纹显微图像识别研究[J].广东农业科学，2014，41（5）：213-216.