黄文城，张林，叶大鹏,3*，TAYLORAlan George2*

（1.福建农林大学机电工程学院，福州350002；2.康奈尔大学植物科学研究所/纽约州农业试验站，杰尼瓦14456-0462，美国；3.现代农业装备福建省高校工程研究中心，福州350002）

鸭茅状摩擦禾（Tripsacum dactyloids）是一种营养价值极高的高产优质禾本科牧草，主要用作饲草料生产，还可作为生产生物乙醇的纤维质原料，是土壤改性和水土保持的理想作物[1-3]。此外，鸭茅状摩擦禾种子还具有生产高纤维面粉和高品质食用油的潜在价值[4]。然而，种子质量参差不齐、建植困难等问题，严重限制了鸭茅状摩擦禾在我国的推广和种植。影响鸭茅状摩擦禾种子质量的一个关键因素是包围颖果的坚硬厚重的外层结构，即种壳[5-6]。去除种壳可以破除因机械束缚作用而引起的种子休眠，提高种子发芽率[7-8]；脱壳加工也是利用颖果生产高品质面粉和植物油的前提[9]。因此，脱壳处理是提升鸭茅状摩擦禾种子质量并提高种子附加值的关键。

鸭茅状摩擦禾种子的种壳异常坚硬且形状不规则，壳仁间隙小，导致现有的机械化脱壳技术尚无法有效地分离种壳和颖果。由于生产中涉及种子播种、收获、加工与检测等作业环节的设备选择、设计和优化均需要充分考虑种子的形态特征和物理力学特性[10-12]，因此，本研究拟通过对不同品种鸭茅状摩擦禾完整种子及颖果的基本尺寸、质量、含水率和破裂力等物理力学特性参数进行测量和分析，从而为探索新型、高效脱壳方法及脱壳装置的设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 种子来源与处理

研究对象为3个鸭茅状摩擦禾种子批（P1、P2、M2）。P1和 P2均为二倍体品种 Pete，M2为四倍体品种Meadowcrest。P1种子批从种子公司购得，P2和M2是从同一试验田中人工获取的种子批。试验前将这3个种子批均贮存于5℃恒温种子储藏室中。利用嵌甲钳进行人工脱壳[13]，获取研究所需的颖果和种壳。

1.2 种子尺寸

从3个种子批中各随机抽取100粒完整种子和颖果，利用精度为0.01 mm的数显游标卡尺测量每粒种子及颖果的基本尺寸：长度（L/l）、宽度（W/w）和厚度（T/t），如图1所示。长度为种子或颖果上下两端的轴向间距，宽度和厚度分别为最大横切面直径和该横切面对应的最小直径。

图1 完整种子（A）及颖果（B）的基本尺寸测量Fig.1 Dimesions of intact seed(A)and caryopsis(B)in eastern gamagrass

从P1种子批中随机抽取1 000粒种子，利用圆孔筛和长孔筛分别按宽度和厚度进行筛选，然后分别对各类种子进行计数并计算其占样品种子数的百分比，以获得该种子批在宽度和厚度尺寸上的分布规律。

通过粒径衡量种子的整体尺寸，以3个基本尺寸的几何平均值计算种子的粒径（Dg）[14]：

为确定鸭茅状摩擦禾种子的形状，基于基本尺寸计算种子的球度、长宽比（L/W）、长厚比（L/T）和宽厚比（W/T）。其中，种子的球度（φ）按照以下公式计算[14]：

种子表面积（S）和体积（V）的计算公式如下[15]：

1.3 种子质量

1.3.1 千粒重

采用百粒法测定鸭茅状摩擦禾种子的千粒重。基于国际种子检测规程[16]，从种子和颖果试验样品中分别随机数取8个重复，每个重复100粒种子，用精度为0.000 1 g的数字电子天平进行称量，保留到小数点后3位。100粒种子的平均质量乘以10即为千粒重。种壳的质量等于完整种子质量减去颖果的质量。

1.3.2 种子质量分布

从P1种子批中随机抽取300粒完整种子，每粒种子称量后将种壳去除，再称量颖果的质量，从而获得种子和颖果质量的分布规律，以及颖果质量和完整种子质量之间的关系。

1.3.3 种子质量对发芽率的影响

根据P1种子批颖果的质量（m,mg）分布规律，从m＜10、10≤m＜20、20≤m＜30和m≥30共4个质量范围中各随机抽取4个重复，每个重复包括25粒颖果。将颖果均匀地分布在塑料发芽盒（90 mm×90 mm×35 mm）内铺有2层用20 mL蒸馏水浸湿的发芽纸上，在20℃/30℃（16 h/8 h）交变温度发芽箱中进行为期2周的发芽试验。在20℃低温条件下无光照16 h，在30℃高温条件下光照8 h[8]。

1.4 水分活度

利用AquaLab 4TE水分活度测定仪在25℃条件下测定鸭茅状摩擦禾完整种子、颖果及种壳的水分活度（aw）。采用Braun KSM2小型粉碎机获取试验所需粉碎样品。为避免长时间粉碎造成水分散失[17]，完整种子和种壳的粉碎时间为30 s，颖果的粉碎时间为20 s。随机称取2 g未粉碎及粉碎的完整种子、颖果及种壳样品（图2），分别测定并计算其水分活度。本试验重复测定3次。

1.5 含水率

采用高恒温烘干法测定鸭茅状摩擦禾完整种子、颖果及种壳的含水率[16]。随机称取2 g粉碎样品，在130℃烘箱内烘干4 h，随后取出样品盒并放入干燥器内冷却至室温，称量。本试验重复测定2次，计算样品的实际含水率（CM）：

式中：m1为样品烘干前的质量，g；m2为样品烘干后的质量，g。

图2 未粉碎样品（A）和对应的粉碎样品（B）Fig.2 Unground samples(A)and corresponding ground samples(B)

1.6 破裂力

利用TAXT.2型质构仪测量P1和M2种子批的完整种子和颖果的破裂力。随机抽取60粒种子，以速度1 mm/s进行轴向和侧向压缩直至种子破裂。通过数据采集软件实时记录压缩过程中的压缩力，种子的破裂力可直接从压缩曲线上读取。

1.7 数据分析

利用Excel 2013录入、整理数据，计算所有物理力学特性参数的平均值和标准误。利用JMP 10.0软件对鸭茅状摩擦禾种子的基本尺寸和质量进行相关性检验，显著性水平取0.05；基于Tukey检验，进行试验数据的均值比较分析。

2 结果与讨论

2.1 种子的基本尺寸及分布

表1显示了3个种子批的完整种子、颖果和种壳的尺寸特性参数值。在所测样品中，P1、P2和M2完整种子的长度范围分别为6.8～11.8、7.1～12.7和7.9～12.5 mm；宽度范围分别为3.6～6.5、3.8～6.3和4.3～6.6 mm；厚度范围分别为2.8～4.8、2.6～5.0和3.3～5.0 mm。P1、P2和M2颖果的长度范围分别为3.3～6.2、3.7～6.2和3.4～7.2 mm；宽度范围分别为1.8～4.1、2.6～4.2和1.7～5.0 mm；厚度范围分别为0.9～3.5、1.8～3.5和1.2～3.6 mm。虽然3个种子批基本尺寸的范围大小相差不大，但在完全相同的生产条件下，M2种子批的完整种子和颖果的平均尺寸均显著地大于P1和P2种子批（表1）。从完整种子和颖果在宽度和厚度上的差异可以看出，与二倍体种子批P2相比，四倍体种子批M2具有较大的种壳厚度。相同品种的2个种子批P1和P2在种子尺寸上差别不大，仅在完整种子的宽度和颖果的厚度上有显著性差异。这些差异主要是由开花和颖果形成过程中不同的自然环境条件造成的[18]。3个种子批的完整种子长度均约为颖果长度的2倍，而完整种子的粒径均比颖果的粒径大约2 mm。

表1 鸭茅状摩擦禾种子的尺寸特性Table 1 Size properties of eastern gamagrass seed

根据种子清选和分级加工中对种子粒径的分级[19]，鸭茅状摩擦禾完整种子属于大粒种子（Dg≥5 mm），而颖果属于中粒种子（3 mm≤Dg＜5 mm）。P1和P2完整种子和颖果的球度均大于M2种子批，3个种子批中颖果的球度（0.68～0.75）均显著大于完整种子的球度（0.60～0.63）。根据种子球度和3个基本尺寸的比例关系，可确定鸭茅状摩擦禾种子属于长球体（φ≈0.60～0.85，且L/W≈L/T），在种子加工过程中可采用窝眼筒进行分选[19]。

3个种子批完整种子及颖果的基本尺寸相关性检验结果如表2所示。结果表明，颖果的宽度和厚度（w/t）是相关性最高且尺寸值相差最小的2个尺寸。而尺寸相差最大的为完整种子的长度和厚度（L/T）。在P1种子批中，完整种子的长度和厚度（L/W）的相关性不显著。在P2种子批中，完整种子的长度和宽度（L/W）及宽度和厚度（W/T）不具有显著相关性，而颖果的尺寸相关性正好相反。在M2种子批中，仅完整种子的长度和厚度（L/T）不具有显著相关性。唯一的显著性负相关存在于M2完整种子的长度和宽度（L/W）之间，而其他参数均为正相关。

2.2 种子质量

由图3可知，在相同的自然环境条件下，四倍体种子批M2完整种子、颖果和种壳的质量均显著大于二倍体种子批P2。HENSON[20]研究显示，四倍体鸭茅状摩擦禾品种Nacogdoches完整种子质量同样大于二倍体品种Pete和Iuka IV，而Nacogdoches完整种子千粒重为101 g，小于本研究中M2的千粒重（117 g）。同为二倍体的P1和P2完整种子和种壳的质量无显著差异，但P1颖果质量显著大于P2，这与2个种子批开花和形态建成过程中的环境条件差异有关[21]。P1和P2的颖果质量均为完整种子质量的1/3，而M2的颖果质量仅占完整种子的1/4。SPRINGER等[6]对二倍体鸭茅状摩擦禾品种Iuka和Pete的研究表明，2个品种的种壳占比为68%，本研究与其相似。另一项研究[22]显示，在检测的42个二倍体、三倍体和四倍体鸭茅状摩擦禾种子批中，种壳所占比重为62%～87%。由于种子质量不仅与环境条件和品种有关，还与种子在花序中的位置有关，鸭茅状摩擦禾种子从花序顶部自上而下逐渐成熟，因此种子质量从花序根部到顶部有逐渐增大的趋势[21,23]。

表2 鸭茅状摩擦禾种子基本尺寸的相关性检验Table2 Correlation test of seed dimensionsin eastern gamagrass

图3 3个鸭茅状摩擦禾种子批（P1、P2、M 2）的千粒重Fig.3 Thousand-seed weight of three eastern gamagrass seed lots(P1,P2,M 2)

图4 显示P1种子批完整种子和颖果的质量均呈现出良好的正态分布规律。在所测样本中，完整种子质量集中在40～90 mg（范围18.5～117.8 mg，平均67.5 mg），颖果质量集中在20～30 mg（范围0～44.2 mg，平均22.6 mg）。质量较小（或为0）的颖果均来自未成熟的空瘪种子。53%的颖果质量集中在20～30 mg之间，而在SPRINGER等[6]的研究中，这个比例为41%。JACKSON等[24]也研究了某二倍体鸭茅状摩擦禾品种颖果的质量分布，发现大部分颖果质量集中在20～35 mg，平均质量为27.7 mg，大于本研究使用的二倍体品种Pete。

图4 鸭茅状摩擦禾P1种子批完整种子及颖果的质量分布图Fig.4 Mass distribution of intact seed and caryopsis in P1 eastern gamagrassseed lot

相关性检验结果表明，P1种子批的颖果质量和完整种子质量之间呈显著正相关，相关系数为0.93。拟合结果（图5）显示，颖果质量与完整种子质量具有显著的线性关系（R2=0.89）。质量m＜10 mg、10≤m≤20 mg、20＜m≤30 mg和m＞30 mg的颖果发芽率分别为0%、64%、76%和82%。颖果质量对发芽率有显著影响：质量小于10 mg的颖果因胚等组织尚未成熟，故不能正常发芽；质量为10～20 mg的颖果发芽率显著低于质量更大的2组颖果的发芽率；20～30 mg和＞30 mg这2组颖果的发芽率差别不显著。研究表明，质量大的鸭茅状摩擦禾颖果不仅发芽率高，而且发芽速度快，幼苗更强壮，不易受微生物的攻击[6,24-25]。因此，为了提升Pete品种鸭茅状摩擦禾种子质量，应在种子清选中调节好气流速度，并将质量低于40 mg的完整种子或质量小于10 mg的颖果剔除掉。

图5 鸭茅状摩擦禾完整种子质量和颖果质量的关系Fig.5 Correlation between intact seed mass and caryopsis mass in eastern gamagrass

2.3 种子水分

表3中的结果显示，完整种子、颖果和种壳的水分活度（aw）大小变化规律与含水率（CM）相吻合，高水分活度对应高含水率。从水分活度和含水率大小可以看出，研究所用的3个种子批均处于安全储藏水分范围（aw＜0.5，CM＜9%）[26]。收获地点、时间及加工处理方式均完全一致的二倍体P2和四倍体M2种子批中，M2颖果和种壳的含水率均略高于P2，这可能是由于M2的种壳大且厚，在自然晾干时影响了颖果和种壳水分的散失。然而，M2完整种子的含水率却低于P2，导致这一现象的原因是M2种子中低水分种壳所占比重较高。完整种子的含水率介于颖果和种壳的含水率之间，颖果的含水率显著地高于种壳的含水率。

含水率和水分活度是影响种子贮藏稳定性的2个重要参数。水分活度的测量简单、迅速、精度高，可用于包衣和制粒种子的水分测定，还可直接反映种子的寿命，故常用水分活度取代含水率来评价种子的贮藏特性[27]。基于被测种子的吸湿等温线，可通过测量水分活度再直接转化为含水率，相比用烘箱测量含水率的方法既节省了时间和劳力，又提高了结果的准确性[28-29]。

2.4 种子破裂力

由表4可知：在被测的P1和M2种子批中，侧向压缩时，完整种子的破裂力均显著地大于颖果的破裂力，在种壳破裂的同时，颖果也会受到破坏。而在轴向压缩时，完整种子的破裂力显著地减小，仅约为颖果破裂力的1/2（P1）和2/3（M2），种壳的类圆柱外形结构和轴向纤维组织排列方式致使其在轴向压缩时更易破裂。M2完整种子轴向和侧向压缩的破裂力均大于P1，这与M2的种壳更为厚重有关。虽然M2颖果尺寸比P1大（表1），但破裂力并无显著差异（表4）。破裂力试验结果表明，轴向压缩方式可以有效破除种壳，并最大限度地保证颖果无损伤，有助于提高脱壳质量和脱壳效率。

表3 鸭茅状摩擦禾种子水分活度和含水率Table3 Water activitiesand moisturecontentsof eastern gamagrassseed

表4 鸭茅状摩擦禾完整种子和颖果的破裂力Table4 Ruptureforceof intact seed and caryopsisin eastern gamagrass N

本研究中的完整种子及颖果的轴向、侧向破裂力大小关系与南瓜子及南瓜子仁、葵花籽及葵花籽仁的情况相反[30-31]，这主要是由种子的形状和结构差异导致的。南瓜子和葵花籽均为双子叶结构，侧向压缩时在籽壳侧棱缝合线上易出现应力集中，进而使籽壳破裂。而南瓜子仁和葵花籽仁在轴向压缩时破裂力更小。此外，种子的破裂力大小和含水率高低密切相关。一般情况下，随着种子含水率的增大，种壳纤维素的纤维软化，弹性模量增大，虽然种壳破裂力减小，但达到种子破裂所需变形量增大，进而导致压缩能耗的增大[32]。颖果或果仁的情况有所不同，有些种子（如花生仁和南瓜子仁）的破裂力随含水率的增大而减小，有些种子（如瓜子仁）的破裂力则随含水率的增大先增大后减小[15,30-31]。因此，为了获得最佳的脱壳效果，有必要对种子的水分进行调控。对种子物理特性的研究和对破裂力测量试验的结果为探索鸭茅状摩擦禾种子新型脱壳方法提供了理论基础。

3 结论

同一品种、不同种子批的鸭茅状摩擦禾种子在尺寸和千粒重上的差异主要由生长环境决定；而在相同的生长环境条件下，四倍体品种Meadowcrest完整种子和颖果的尺寸和质量均大于二倍体品种Pete，四倍体和二倍体的颖果质量分别占完整种子质量的1/4和1/3。相比Pete，Meadowcrest种壳大且厚，在种子单位中所占比重高，导致其颖果和种壳的含水率均较高，而其完整种子含水率却较低。种子破裂力大小与压缩方向有关，轴向压缩时完整种子的破裂力显著低于颖果破裂力。完整种子长度约为颖果长度的2倍，种壳在轴向压缩时有充分的空间弯曲变形并破裂，而不致损伤颖果。因此，轴向压缩可能是一种有效分离鸭茅状摩擦禾种子种壳并获得无损伤颖果的脱壳方法，值得进一步的试验验证与研究应用。