我国菠萝机械化栽植装备研发应用现状及展望

菠萝是我国热区特色经济作物,对区域经济发展起着重要作用。菠萝栽培以人工为主,标准化程度低、作业成本高,制约了菠萝产业健康发展。研究菠萝机械化栽植技术装备意义重大。本文总结了国内2种典型的菠萝栽培农艺及配套移栽装备研究应用现状,分析了菠萝机械化栽培领域存在的突出问题,提出了相应的对策与建议,为菠萝机械化栽植技术装备的研究应用提供了参考。

考虑动态能耗的无人机采收菠萝田间收集点优化配置研究

为了深化无人机在田间菠萝采收和运输过程中的应用,探索无人机悬停放置菠萝到收集箱中的技术方案。无人机的续航能力限制菠萝采收工作的完成,而对续航能力影响最大的因素是无人机的载重,提出在田间设立菠萝收集点,并确定收集点的最优设立数量及位置,以确保菠萝采收工作的有效完成。在研究方法上,基于K-means算法寻找最佳收集点位置及分组方式,建立无人机采收菠萝的能耗及成本模型,通过编写程序对模型进行求解,并以无人机续航能力为约束条件,确定了无人机采收菠萝的最大覆盖范围和菠萝采摘数量。通过比较不同设立数量和位置的收集点方案,得出综合最优的结果。在不更换无人机电池的情况下,1台农业无人机采收菠萝约480个,采收面积约44m^(2)。随着收集点设立数量增加,无人机总路程和总能耗呈稳步下降状态,总成本呈稳步上升状态,分析发现667 m^(2)菠萝地设立15个固定位置的收集点时总能耗、总路程和总成本达到均衡最优。无人机采收菠萝的收集点配置优化方案,可为应用无人机进行田间作物采收及运输时收集点的数量和选址提供建设性意见。

不同醋酸菌对菠萝糯米果粮醋风味的影响

为探究不同醋酸菌对菠萝糯米果粮醋醋酸发酵过程和风味的影响,该研究分析了醋酸发酵过程中菌落总数、温度、总酸、不挥发酸的变化和醋液有机酸含量与挥发性成分。结果表明,与沪酿1.01相比,醋酸菌DHC23能更快适应高乙醇环境,同时能耐受更高的温度;上醅醋酸菌DHC23菌落总数峰值为1.52×10^(8)CFU/g,而沪酿1.01仅为1.95×10^(7)CFU/g;由于翻醅,醅温呈现周期性升降变化,前者峰值为42.1℃,后者仅为40.2℃。两组醋醅总酸含量均逐渐增加,不挥发酸含量均先上升后缓慢下降,而醋酸菌DHC23更有利于总酸和不挥发酸含量的提升,且使发酵时间缩短1 d。DHC23组醋液中乙酸、乳酸、柠檬酸、琥珀酸、酒石酸和焦谷氨酸含量均比沪酿1.01组含量高,且差异显著。两组醋液挥发性成分种类差异不显著,但醋酸菌DHC23有利于醛类、酸类、酯类和吡嗪类物质的生成。

利用酵母双杂交筛选菠萝AcSWEET11的互作蛋白

SWEET(sugars will eventually be exported transporter)基因在植物开花过程中具有重要的作用,但AcSWEET11在菠萝成花中的作用机制尚不清楚。通过鉴定成花过程中与AcSWEET11的互作蛋白,为菠萝成花机制的解析奠定基础。本研究利用共转化的方法在菠萝成花过程的cDNA膜文库中筛选AcSWEET11的互作蛋白,分析候选蛋白的表达量。结果表明,pBT3-STE-AcSWEET11+pPR3-N对NMY51酵母细胞无毒性,但有自激活活性。进一步研究结果显示,在TDO/3?AT培养基和QDO培养基上自激活受到抑制。利用该系统筛选到了81个阳性克隆,经测序鉴定出48个与AcSWEET11互作的候选蛋白,包括E3 ubiquitin-protein ligase RING1-like、Trehalose-phosphate synthase 7、Cytochrome P450、TranscriptionfactorLUX等。GO和KEGG分析结果显示,48个蛋白主要分布在细胞进程、代谢过程、刺激反应和催化活性等生物过程,参与脂类代谢、氨基酸代谢和碳水化合物代谢、信号转导和运输与分解代谢等新陈代谢途径。Trehalose-phosphate synthase 7(XP_020105459.1)、Protein TIFY 3-like(XP_020082835.1)、40S ribosomal protein S27(XP_020092770.1)、Heterogeneous nuclear ribonucleoprotein 1-like(XP_020112516.1)等4个基因与AcSWEET11表达趋势一致,在菠萝成花过程中下调表达;Dihydrolipoyl dehydrogenase 2(XP_020113798.1)、Putative lipid-transfer protein DIR1(XP_020086640.1)、clathrin assembly protein At4g32285(XP_020108161.1)等3个基因在菠萝成花过程中上调表达。这些结果表明,AcSWEET11可能通过与Trehalose-phosphatesynthase7等蛋白发生互作,参与菠萝成花过程。本研究进一步丰富了AcSWEET11的蛋白互作网络,为AcSWEET11在菠萝成花中的调控机制的解析奠定基础。

基于三维重建的菠萝螺旋去刺方法与实验

为实现菠萝自动化刺眼去除作业,提出一种菠萝螺旋去刺轨迹搜寻算法。首先通过三维重建技术获取菠萝表面的点云数据;再利用Otsu方法确定最佳图像二值化阈值,提取菠萝刺眼点云,并通过DBSCAN聚类算法,将菠萝刺眼点云分成不同组别,提取菠萝刺眼信息;然后提出轨迹搜寻算法,通过计算匹配代价方式解决轨迹搜寻中刺眼缺失及偏移问题;最后根据所寻轨迹规划去刺终端路径,实现菠萝螺旋去刺。实验结果表明:每个螺旋条上平均刺眼数量为11.1,平均遗漏刺眼数为0.53,去刺轨迹搜寻质量较高;刺眼完全去除率为98%,不完全去除率为1.39%,平均耗时41.7 s,去眼效率高、效果良好;刺眼偏心距均值的平均值为0.57 mm,刺眼过切深度均值的平均值为2.63 mm,整体误差较小。刺眼去除精度能满足自动化去眼作业要求,可为菠萝自动去除刺眼提供技术支持。

菠萝抗寒研究进展

低温是限制菠萝产量和品质的重要因素之一。我国菠萝种植适宜区冬季周期性地受到低温等自然灾害影响,且近年来频繁遭遇严峻气候环境挑战,造成减产或失收,严重影响菠萝产业可持续发展。目前,关于菠萝抗寒性研究主要集中于抗寒种质资源鉴定与评价、抗寒性评价方法、生理生化测定、抗寒基因挖掘和抗寒防治措施等方面,而在菠萝抗寒性分子机制方面的研究进展较缓慢,本文针对这些方面进行概述,以期为菠萝抗寒性状的遗传改良及生产上防寒防冻提供参考。

甘蔗渣和菠萝渣对黑水虻幼虫生长发育和肠道微生物的影响

本研究旨在研究甘蔗渣和菠萝渣饲喂黑水虻Hermetia illucens幼虫对其幼虫的生长性能及其肠道微生物的影响。试验分别以未发酵和自然发酵的甘蔗渣、菠萝渣为基础饲料,辅以不同比例的豆腐渣配制成不同饲料配方喂养黑水虻,测定黑水虻幼虫的生长性能及肠道微生物。结果显示,与以纯豆腐渣为基础饲料的对照(CK)相比,处理Ⅳ(80%发酵菠萝渣+20%豆腐渣)喂养黑水虻幼虫可显著提高预蛹前黑水虻幼虫平均体长、体重、生长性能及饲料利用率,降低料重比,养殖7 d后幼虫平均体长、体重、获得生物量、生长率、饲料利用率分别比CK高11.58%、46.69%、47.12%、46.75%、24.10%,料重比降低了19.18%。分别与以未发酵果渣为基础饲料的处理(Ⅰ、Ⅲ)相比,处理Ⅱ和Ⅳ提高了黑水虻预蛹前幼虫平均体长、体重、幼虫生长率和饲料利用率,降低了料重比。黑水虻幼虫肠道菌群聚类良好,处理Ⅰ~Ⅳ黑水虻幼虫肠道中,拟杆菌门的平均相对丰度显著高于CK,而处理Ⅱ~Ⅳ厚壁菌门的平均相对丰度显著低于CK,处理Ⅰ厚壁菌门的平均相对丰度差异低于CK但不显著。与CK比,处理Ⅰ~Ⅳ黑水虻幼虫肠道中,营发酵单胞菌属相对丰度(40.10%以上)显著增加,肠球菌属相对丰度显著降低,摩根氏菌属、放线菌属相对丰度降低但差异不显著,普罗威登斯菌属相对丰度增加但差异不显著。研究表明,处理Ⅳ黑水虻幼虫生长性能和饲料转化性能优于其他处理,发酵果渣处理优于非发酵处理,且不同饲料配方会引起黑水虻幼虫肠道菌群相对丰度的改变。

菠萝和菠萝蜜复合果醋发酵工艺及挥发性物质分析

为进一步丰富复合果醋的种类,提升果醋的香气,以菠萝和菠萝蜜为原料进行多菌种混合发酵,以果醋总酸和感官评分为指标,采用单因素和正交试验优化发酵工艺条件,以顶空固相微萃取(headspace solid-phase microextraction,HS-SPME)结合气相色谱-质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)技术分析菠萝和菠萝蜜复合果醋的挥发性物质。结果表明,最优工艺条件为菠萝与菠萝蜜体积比6∶4,醋酸发酵阶段,初始pH4.5、乙醇体积分数6%、醋酸菌接种量11%、发酵温度28℃,在该条件下发酵8 d,复合果醋的总酸(以乙酸计)为31.92 g/L。进一步检测其挥发性物质,共分析出乙酸、3-羟基丁酸乙酯、乙酸异戊酯、异戊醇、苯乙醇和苯甲醛等54种主要挥发性物质。该文对菠萝和菠萝蜜复合果醋发酵工艺及挥发性物质进行研究,为复合果醋的开发提供参考。

不同覆盖处理对菠萝园土壤代谢物和细菌群落结构的影响

【目的】探测不同覆盖处理对菠萝园土壤微生态环境的影响。【方法】以未覆盖为对照(CK),比较研究了聚乙烯地膜(PM)、无纺布(NW)和可降解地膜(BF)覆盖下菠萝营养生长期土壤理化性状、酶活性以及细菌群落结构、代谢物的差异。【结果】与CK相比,NW土壤中有效磷以及BF土壤中全氮含量显著提高;3种覆盖下土壤的过氧化氢酶和蔗糖酶活性显著降低,但PM土壤的蛋白酶、BF的酸性磷酸酶活性显著提高。与CK相比,PM土壤的放线菌数量减少;NW的细菌数量增多,放线菌减少;BF土壤的真菌和细菌数量增多,放线菌减少。16S测序表明3种覆盖的细菌菌群多样性均低于CK,其中BF的菌群丰度相对最高。与CK相比,PM、NW、BF土壤共筛选到17种显著差异代谢物,主要包括糖类、有机酸、含氮化合物和醇类代谢物,3种覆盖处理中BF土壤的糖类代谢物积累最高。CCA分析表明,pH影响土壤菌群结构发生分异,土壤养分、酶活性与细菌群落结构存在正相关。【结论】3种覆盖处理中NW有利于维持营养生长期菠萝园土壤相对稳定的微生态环境。

菠萝果形态及力学特性试验研究

为减轻菠萝收获人工劳动强度,设计开发了机械化收获设备,并研究了我国菠萝主产区主栽品种菠萝果的形态及力学特性。确定了主栽品种菠萝果实形态参数,单果重分布在750~2500g,果实纵径分布在14.51~18.33cm;不同品种之间存在极显著差异,果实横径分布在10.22~13.24cm,品种之间差异不大。通过拉伸抗压试验及剪切强度试验,确定菠萝果实果肉抗压强度平均值为0.32MPa,弹性模量平均值为2.62MPa;果肉剪切强度平均值为0.16MPa,果芯抗压强度平均值为0.37MPa,弹性模量平均值为3.04MPa,果芯剪切强度平均值为0.25MPa。

菠萝纤维的超声波辅助低共熔溶剂脱胶工艺

采用氯化胆碱-尿素为低共熔溶剂,应用正交试验法优化超声波辅助低共熔溶剂对菠萝纤维的脱胶工艺。以菠萝纤维的残胶率、断裂强度、白度为评价指标,选取含水量、超声功率、超声温度为自变量设计正交试验,得到最佳的脱胶工艺为:氯化胆碱和尿素物质的量比1∶2.0,含水量20%,超声功率80 W,超声温度60℃,超声时间40 min。在此条件下测得纤维残胶率3.54%,断裂强度4.23 cN/dtex,白度85.2。

双排交替齿形筛菠萝输送机构设计与试验

针对拨杆喂入式菠萝采收机所存在采摘后的菠萝果实在输送过程中容易堵塞、堆积,并在接果板与挡板输送链之间的间隙中挤压损坏导致的输送成功率低、输送损伤率较高的问题,该研究设计了一种双排交替齿形筛输送机构作为输送过程中的缓冲过渡机构。阐述了双排交替齿形筛输送机构工作机理,并根据运动特点确定了其结构参数,如杆件长度和角度、齿形筛板排列间距等。建立齿形筛板各齿端的运动方程和菠萝果实与齿形筛板的接触力学模型,求解了菠萝果实临界碰撞损伤及临界输送弹跳时双排交替齿形筛输送机构转轴的工作角速度分别为23.13和10.56 rad/s,并确定了接果板倾角、采摘装置转轴转速和输送机构转轴转速为影响该输送机构输送效果的3个主要参数。将这3个参数作为试验因素,以果实输送成功率和果实滞留数作为试验指标,依据Box-Behnken试验原理开展了三因素三水平台架试验,建立了试验指标与各影响因素之间的回归模型,并利用回归模型求得了最优参数组合。田间试验结果表明,接果板倾角为14°、采摘装置转轴转速为27 r/min、输送装置转轴转速为70 r/min时果实平均输送成功率为94.87%、平均果实滞留数为2个,输送作业过程中均无果实受损,可满足菠萝果实输送工作需求,提高菠萝果实采收效率。

菠萝“一肥二防三减”优质高效种植模式

针对菠萝生产中种植成本高、品质差等问题,在多年菠萝种植技术研究与推广的基础上,集成了菠萝“一肥二防三减”优质高效种植模式。该种植模式已在实际生产中推广应用,能够有效降低菠萝生产成本,提高菠萝果实品质,显著降低黑心病、水菠萝的发生率,对于促进菠萝产业高质量发展具有积极意义。

营养元素缺乏对‘台农16号’菠萝组培幼苗生长的影响

为研究营养元素缺乏对‘台农16号’菠萝组培幼苗生长的影响,设计了缺氮、缺磷、缺钾、缺镁、缺铁、缺钙、缺微量元素和全素共8种处理,对不同缺素处理后的幼苗症状进行观测。结果表明:各缺素处理均对组培幼苗生长产生影响,其中缺素症状表现最为明显的是缺氮及缺钾处理,主要表现为幼苗生长变慢,矮小,叶片短小、失绿变黄,而其它5种处理虽有相应缺素症状出现,但均不明显;与全素处理相比,各缺素处理幼苗的D叶长、D叶宽、叶片SPAD值、地上部分鲜重、地下部分鲜重及总鲜重均降低;缺素处理中,缺氮处理的幼苗长势最弱,其次是缺钾处理,两者的新抽叶片数、株高增量、D叶长、D叶宽、叶片SPAD值、地上部分鲜重、地下部分鲜重及总鲜重均极显著地低于其它5种缺素处理和全素处理。

干酪乳杆菌LK-1的发酵特性及其在菠萝果汁中的应用

为利用干酪乳杆菌制备发酵菠萝果汁饮品,本研究对干酪乳杆菌LK-1(Lactobacillus casei LK-1,L. casei LK-1)的生长曲线、产酸、耐酸和耐糖等特性进行研究分析,并以活菌数和总酸为指标,通过单因素实验及响应面法考察L. casei LK-1发酵菠萝果汁的最佳条件。结果表明,L. casei LK-1在pH5~7和0%~10%质量分数葡萄糖环境下,具备良好的生长繁殖能力;在酸性(pH3)和高糖(40%质量分数葡萄糖)环境中培养3 h,其存活率分别为76%和71%;在MRS培养基中培养48 h,产酸量为5.35 g/kg,产酸能力良好,适用于果汁的发酵。L. casei LK-1发酵菠萝果汁的最佳条件为:初始pH6.8,发酵温度37℃,接种量1%(v/v),发酵时间30 h,此条件下制备的发酵菠萝果汁饮品活菌数为8.99±0.04 lg CFU/mL,总酸含量为7.16±0.26 g/kg,且色泽鲜亮,酸甜适口,风味较好,为L. casei LK-1在发酵食品中的进一步应用提供了理论和技术依据。

菠萝果脯原料的优化选择

为获得优质的菠萝果脯,对菠萝原料进行选择。本实验以西双版纳不同成熟度的菠萝为原料,根据外观、颜色、香气、果实硬度区分菠萝成熟度之后,进行感官评价,同时测定水分、糖、酸、蛋白质等指标,然后进行菠萝原料与菠萝果脯的相关性分析,根据菠萝原料的关键指标和感官品评评价果脯的品质。结果表明,根据菠萝的口感、颜色、香气、果肉硬度将菠萝成熟度划分为轻熟、中熟、全熟,在菠萝鲜果的感官评价体系中中熟菠萝色泽、口感、香气、果肉硬度四项指标得分均为最高,且综合得分也高于轻熟菠萝和全熟菠萝,因此最终确定中熟的菠萝鲜果最适宜作为果脯原料。在对不同采样期中熟菠萝指标进行分析时发现,不同采样期菠萝含糖量变化波动较大,与气候状况有直接关系;酸含量伴随菠萝成熟过程先升高再降低,最后略微升高;水分则与采样期天气状况密切相关;蛋白质随着采样期延长营养物质积累而升高。由菠萝原料与菠萝果脯的相关性可知,菠萝原料的糖、酸、蛋白质含量会给菠萝果脯的品质带来影响。菠萝原料的糖、酸、水分、蛋白质与菠萝果脯品质具有密切关系,由此可根据菠萝原料的相关指标对菠萝果脯品质进行预测,也能筛选出适合制作菠萝果脯的原料,为制作优质菠萝果脯提供依据,并可进一步改善菠萝果脯的综合品质。

一种基于菠萝机械化田间管理技术的多功能田间管理机设计与试验

【目的】针对当前菠萝田间管理机械难以进入田间自由穿梭作业的问题,课题组设计了一种多功能菠萝田间管理机,以提升田间管理作业效率。【方法】课题组通过剖析菠萝机械化田间管理技术,从菠萝植株特点、种植农艺参数及田间管理需求等方面,分析了菠萝田间管理机应具备的关键功能、田间管理作业应注意事项以及农艺的适应性问题,在此基础上应用模块化设计理念,将田间管理机按功能结构进行模块划分,分别设计了菠萝田间管理机可变轨距高地隙窄型履带式通用底盘和喷杆喷雾组件、固态肥施肥组件、扩展平台运输组件三种作业功能部件,各功能部件与通用底盘集成组合成菠萝多功能田间管理机,并对样机进行田间试验。【结果】1)田间喷药效果:喷杆喷雾作业幅宽900 cm,作业平均速度2.0 km/h,药液喷洒均匀,作业效率可达到25亩/h。2)田间施固态复合肥效果:固态肥施肥组件料箱可装载400 L固态肥,施肥量由操控系统电动控制,可随时调节,方便易用,施肥作业效率可达5亩/h。3)田间运输作业效果:一次可运载600 kg菠萝出田,使用2台运输机配套5人操作,较传统人工采收作业可以减少一半人工,同时采收效率提高一倍。此外,扩展平台运输组件在施肥时可与固态肥施肥组件同时安装在通用行走底盘上,放置肥料,增加整机的载肥量,减少机器出田补肥的作业次数,提高了施肥作业效率,也可单独安装作为运输机。【结论】实现了菠萝田间管理机一机多用功能,可完成菠萝田间液态药肥喷洒、固态肥施播以及果实、物资田间运输等大部分田间管理作业,显著提升了田间管理作业效率,为菠萝田间管理机械化提供了一种创新性装备解决方案。

基于机器视觉的菠萝自动去眼方法与试验

菠萝加工过程中的去眼作业目前主要依赖人工手动操作,劳动成本高且作业效率低。为实现自动化菠萝去眼作业,该研究运用YOLOv5目标检测算法对菠萝眼进行快速识别,将所有角度相差90o的两张图片作为一组进行立体匹配分析以获取菠萝眼的三维位置信息。通过旋转菠萝和轴向移动去眼刀具将专用去眼刀具依次对准每一个菠萝眼并快速去除。试验结果表明:YOLOv5目标检测算法对菠萝眼识别效果良好,验证集的准确率、召回率和平均精度均值均高于96%;菠萝眼实际中心与探针刺入位置的平均误差为1.01 mm,最大误差为2.17 mm,均方根误差为1.09 mm;菠萝眼的完全去除率为89.5%、不完全去除率为6.2%,漏检率为4.3%,单个菠萝去眼时间为110.9 s,基本满足自动化去眼作业需要。研究结果可为菠萝自动去眼机研发提供技术参考。

菠萝果渣中不溶性膳食纤维提取工艺优化及其功能特性研究

以菠萝果渣为原料,采用碱处理法提取菠萝不溶性膳食纤维(PIDF)。以PIDF得率为指标,在单因素试验基础上通过响应面法优化提取工艺,并探究PIDF的结构和功能特性。结果表明:最优工艺参数为液料比26∶1(mL/g)、NaOH体积分数6%、提取温度40℃、提取时间75 min,在此条件下PIDF得率为48.81%;PIDF具有疏松的孔洞结构,其持水性、持油性和膨胀性分别为(5.16±0.21)g/g、(3.86±0.11)g/g和(5.49±0.09)mL/g,表明PIDF具有较好的结构及功能特性。

改性菠萝皮对水中亚甲基蓝的吸附性能研究

以农业废弃物菠萝皮为原料,使用柠檬酸对菠萝皮粉末分别进行超声波改性和热改性,探究了改性菠萝皮对亚甲基蓝的去除效果。通过扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对改性前后菠萝皮孔隙和表面结构进行表征,同时考察了改性前后菠萝皮的投加量、pH值、反应时间和染料质量浓度对吸附亚甲基蓝的影响。结果表明:经过柠檬酸改性后的菠萝皮表面引入了羧基官能团,对亚甲基蓝的吸附效果显著增加。在吸附剂用量为1.2 g·L^(-1)、起始p H为6.52、改性时间90 min、起始质量浓度为100 mg·L^(-1)的条件下,柠檬酸超声波改性菠萝皮(PA-US)和柠檬酸热改性菠萝皮(PA-TM)对亚甲基蓝的去除率分别可以达到65%、98%。吸附等温线的研究表明,PA-US和PA-TM吸附过程均符合Langmuir等温模型,说明该吸附过程为单分子层吸附,且对亚甲基蓝的最大吸附量分别为56.05 mg·g^(-1)和333.33 mg·g^(-1),与未改性菠萝皮(PA)的最大吸附量相比,分别提高了1.39、8.08倍。吸附动力学研究表明,PA-US和PA-TM对亚甲基蓝的吸附均符合准二级动力学方程模型。由吸附等温线和动力学模型结果可以推断该吸附过程属于化学吸附。