水培奶油生菜物理力学特性研究

莫浩，徐灿，崔永杰

（西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西杨凌  712100）

摘  要：本文以设施水培奶油生菜为试验对象，对其物理力学特性进行研究。使用电子秤、游标卡尺和直尺等测量其总高、株高、展开度、重合度、根茎直径、总质量及去根质量等物理几何参数，并运用数理统计方法分析各参数分布规律，然后对生菜拔取力、根茎叶各部分含水率、根部不同切割部位的切割力等进行研究。结果表明：生菜主要物理形态参数分布均较为集中，拔取力分布区间为[9.6，16.5]N，根茎叶含水率均在90%以上，切割力的分布情况为切根位置离海绵块越远，切割速度越大，相应的切割力越小，因此应在满足试验条件下尽量选择较高的切割速度。本研究结果可为生菜收获机械的设计研发提供必要的数据基础和理论依据。

关键词：水培；奶油生菜；物理参数；力学特性；生菜收获机械

中图分类号：                  文献标识码：A           文章编号：

0  引言

生菜（var. ramosa Hort.）学名叶用莴苣，又称鹅仔菜、唛仔菜、莴仔菜，属菊科一年生或两年生草本植物。原产欧洲地中海沿岸，由野生种驯化而来，叶长倒卵形，密集成甘蓝状叶球，略甜，因适宜生吃故又叫生菜，其营养价值丰富，富含维生素、钙质、铁质等多种人体必需营养物质，它和西红柿、黄瓜并列为三大设施水培蔬菜^[1～3]。尤其是近年来在我国政府的大力扶持倡导下，仅对我国设施水培蔬菜面积不少于6.67hm²进行统计，截止到2017年，我国无土水培蔬菜的种植面积已达5000亩～10000亩^[4]。

果蔬作业对象一般具有非结构性、不确定性、娇嫩性和复杂性等特点，因而对果蔬作业对象进行物理力学特性研究，可以为收获机械关键零部件的设计与研发提供数据基础和理论依据^[5～6]。如西北农林科技大学张发年通过猕猴桃果实物理参数与损伤因素的研究，最终完成猕猴桃无损采摘末端执行器的试制^[7～8]。东北农业大学周成通过研究结球甘蓝的物理力学特性，最终试制出甘蓝采收机样机并取得理想的试验效果^[9～10]。荷兰瓦宁根大学Van Henten通过研究温室黄瓜的形状参数及力学特性试制出黄瓜采摘机器人^[11]。目前国内外关于设施生菜的研究主要集中在栽培技术与环境控制方面^[12～15]，而对于生菜物理力学特性方面的研究相对较少，如高国华采用不同的切割方式研究设施奶油生菜的切割力变化情况^[16]，Brown D等对绿叶蔬菜收获机切割系统进行理论研究和试验分析^[17]，Chen Xu等详细分析了不同采收方式对采后生菜保鲜性能的影响^[18]。这些研究都只是针对生菜的单一特性，还不足以为设施生菜收获机的研发提供必要的参数和理论依据。而且目前关于水培生菜的采收去根与否并没有统一的标准，但已有研究表明，针对设施水培生菜最好带根销售，这样不仅可以保留生菜水培特征，而且留根还可以满足消费者购买生菜后继续在清水中进行培育和观赏^[19～21]，因此本研究对生菜根部不同部位进行切割，以便为后续的保鲜及采收提供理论依据。

本研究以设施水培奶油生菜为研究对象，综合分析了生菜的物理力学参数特性，探索其几何特性、含水率、质量分布规律，以及通过拔取试验、剪切试验研究其拔取力、剪切力等变化情况，从而为生菜收获机械的设计研发提供必要的数据基础和理论依据。

1  试验材料及方法

1.1  试验材料

试验材料选自“陕西杨凌现代农业示范园区创新园”种植的水培奶油生菜100棵（如图1所示），水培45天。生菜种植在玻璃日光温室中的定植板上，定植板尺寸为200mm×600mm×30mm，定植孔直径25mm，株距为200mm，用海绵块裹住生菜的根茎，采用深液流技术（DFT）水培方式（如图2所示）。试验于2016年12月26日～2016年12月28日进行。

图1  日光温室中的水培生菜

Fig.1  Hydroponic Lettuce in Greenhouse

图2  水培生菜示意图（DFT）

Fig.2  Schematic diagram of Hydroponic Lettuce（DFT）

1.2  试验仪器及装置

试验采用美国华志精密电子天平（型号为PTT-A1000，精度为0.01g），英衡精密高精电子天平（量程：500g，精度：0.001g），DGG-9070AD型电热恒温干燥箱，干燥皿，数显式电子游标卡尺（精度为0.01mm），尺子（精度为1mm），拉力计2个（量程：25N，精度：0.1N），微控电子万能试验机（型号：HY-2030，速度可在0.001～1000mm/min内任意可调，生产厂商：上海衡翼精密仪器有限公司）和实验室自制剪切夹具。

1.3  试验方法

1.3.1  奶油生菜物理几何特性参数的测量

参照水培奶油生菜的形态特征，结合水培生菜收获机械的设计要求，首先选用奶油生菜的展开度、重合度、总高、株高、根长、主根长、根茎直径、根部不同长度部位的根须最大展开度等参数作为生菜的几何特性的评价指标，参数测定示意图如图3所示。各个参数的具体测定方法如下：总高（Hs）为生菜从定植孔中完整拔出时的总高度；株高（Rs）为自然生长状态下海绵块之上生菜的高度；根长（Gs）为生菜从定植孔中完整拔出后根部的总长度；主根长（Ks）为生菜从定植孔中完整拔出后，海绵块之处的根部到生菜根须最大展开度小于30mm处的根部长度；展开度（Wd）为自然生长状态下生菜叶片在水平面内的最大展开度；重合度（Ld）为自然生长状态下相邻生菜叶片之间的最大重叠长度；根茎直径（Ra）为海绵块到生菜第一片叶之间，生菜根茎部分的最大直径；根须3展开度（Td3）为生菜从定植孔中完整拔出后，从海绵块位置开始到根部为3cm位置处根须部分的最大展开度；同理，根须6展开度（Td6）和根须9展开度（Td9）的测量方法与之相同。其次用美国华志精密电子天平（精度为0.01g）测量生菜的总质量和去根质量，作为生菜物理参数的评定指标。随机选择其中30个样本进行各个参数的测定，并运用数理统计的方法对测量结果进行分析研究。

Fig.3  Geometric Model of the Hydroponics Lettuce

1.3.2  生菜根茎叶含水率的测量

生菜根茎叶含水率的测量采用直接干燥法，参照GB/T 5009.3-2010的规定进行。首先随机选取20棵新鲜生菜样本，将根、茎、叶分别进行收集，其中将根须切成30mm左右的长度，茎部切成2mm左右的薄片，叶片剪成5mm～10mm宽度的细丝条。然后将根茎叶分成三组，每组5个样本进行含水率的测量。

获取试样后立即进行试验，试验方法为采用英衡精密高精电子天平称重，精确至0.001g，装试样之前先充分干燥称量盒并称重，记为m₃，然后加入试样并称初始重量，记为m₁，在103℃±2℃温度范围内进行干燥，每隔两小时称重，然后密闭冷却，直到前后两次称重不超过2mg即认为干燥完毕，记为m₂。试样中各部分的含水率按公式（1）计算：

           （1）

式中：X—试验样品水分的百分比含量，%；

m₁—干燥盒和装入试样时的初始总重量，g；

m₂—干燥盒和试样干燥后的总重量，g；

m₃—干燥盒的重量，g。

1.3.3  水培生菜拔取力的测量

拔取力测量试验是指生菜从定植孔中完整拔取出来时所需要的力的大小。结合水培生菜的种植特点，采用两根绳子系在生菜海绵块与第一片叶的根部之间，然后每根绳子上分别连接一个相同规格型号的拉力计（量程：25N，精度：0.1N）将生菜从定植孔中拔取出来，注意拔取时要保证各个拉力计在竖直方向上保持平行。具体测定示意图如图4所示。在试验现场随机选取30个样本进行拔取力试验。

1.3.4  水培生菜根部切割力的测量

切割力测量试验是指切割生菜根部所需要的力的大小。试验采用实验室自制的生菜根须切割夹具和HY-2030型微控电子万能试验机，切割试验实物图如图5所示。试验方法为将生菜的叶片去掉，无损保留生菜的根和茎，然后将含有茎部的一端放入切割夹具的套筒中并固定，根须的另一端放在支撑板上并固定。根据生菜的长势选择根部的切割部位分别为距离海绵块0cm、3cm、6cm和9cm四个位置（如图3所示）。切割刀片的划切角选择为20°，分别选择500mm/min、600mm/min、700mm/min、800mm/min和900mm/min等五种不同的切割速度，每组试验选择三组数据。

2  结果与分析

2.1  奶油生菜物理几何特性参数

奶油生菜的展开度、重合度、总高、株高、根长、主根长、根茎直径、总质量、去根质量等测量结果如表1所示。

生菜的展开度为[282，378]mm，变异系数为0.07；重合度为[44，94]mm，变异系数为0.18；株高为[161，212]mm，变异系数为0.07；总高为[428，578]mm，变异系数为0.09；根长为[228，374]mm，变异系数为0.13；主根长为[76，114]mm，变异系数为0.10；根茎直径为[10.21，15.48]mm，变异系数为0.09；根须3展开度为[26.19，35.74]mm，变异系数为0.08；根须6展开度为[43.33，63.21]mm，变异系数为0.11；根须9展开度为[35.60，57.06]mm，变异系数为0.12；总质量为[113.23，196.36]g，变异系数为0.12；去根质量为[102.45，179.67]g，变异系数为0.13。

从表1中可以看出水培生菜的各主要物理形态参数分布均较为集中，因此在水培生菜采收机械的设计研究过程中，可以根据这些主要的特征值进行相应的设计。

2.2  生菜根茎叶含水率

生菜根、茎、叶各部分的含水率测量结果及分析如表2所示，由表可知生菜的含水率极高，根与茎的含水率基本相当，均在91%左右，尤其是叶片部位的含水率高达95%以上。因此，这就要求所研究设计的采收机械能迅速完成生菜的采收，以免对生菜的保鲜效果造成影响。

2.3 水培生菜拔取力

水培生菜拔取力测量结果及分析如表3所示，由表可知拔取力为[9.6，16.5]N，变异系数为0.14，均值为13.03N。由此可知拔取力分布较为集中，可以为水培生菜采收机械相关机构的设计与研究提供依据。

2.4 水培生菜根部切割力

水培生菜不同根部切割部位的切割力变化情况如表4所示。