黄芪种子丸粒化包衣工艺参数优化及排种性能试验

《Agriculture》：Optimization of Coating Process Parameters for Pelleted Coating of Astragalus Seeds and Sowing Performance Tests

　　

黄芪种子具有形状不规则、表面粗糙及流动性差等特征，在常规播种方式下易导致漏播和重播，制约了黄芪生产的机械化与精准化水平。针对该问题，本研究提出采用丸粒化包衣技术改善黄芪种子的外部特征，并系统优化包衣工艺参数。基于三维建模和EDEM离散元仿真软件构建黄芪种子仿真模型。以转盘转速、单次供粉量（single powder-feeding amount）、单次供液时间（single liquid-feeding time）和丸粒化时间（pelletizing time）为试验因素，以离散系数（coefficient of dispersion）和丸粒化合格率（pelletizing qualification rate）为评价指标，开展单因素试验，明确各因素对丸粒化质量的影响规律。在此基础上，采用Box–Behnken响应面法（Box–Behnken response surface method）建立丸粒化合格率与工艺参数之间的二次回归模型，并进行方差分析和多因素综合优化。结果表明，转盘转速、单次供粉量和单次供液时间对丸粒化合格率具有极显著影响，丸粒化时间具有显著影响。确定最优工艺参数组合为转盘转速558 r/min、单次供粉量8.99 g、单次供液时间7.38 s、丸粒化时间6.19 min，在此条件下丸粒化合格率达到97.51%。采用丸粒化种子进行气吸式精量排种器（air-suction precision seed-metering device）台架试验，结果显示平均合格指数超过85%，漏播率低于5%，重播率低于8%，表明丸粒化种子在试验条件下满足精量播种要求。研究结果为黄芪种子丸粒化包衣工艺参数的确定及精量播种装备开发提供了理论依据和技术支撑。

研究背景：黄芪（Astragalus membranaceus）为大宗中药材，具有补气、固表、利尿消肿等作用，临床中药和功能食品开发需求持续增长，种植面积逐年扩大。但黄芪种子形状不规则、表面粗糙、尺寸变异明显、千粒重低且流动性差；常规条播或人工播种易出现播种不均、漏播断行和重播成簇，制约黄芪生产机械化与精准化水平，成为限制规模化种植效率和出苗质量的主要瓶颈。丸粒化包衣技术通过填充剂和黏结剂等功能材料均匀包覆种子，可改善种子形状一致性、球形度和表面流动特性，使不规则种子形成近球形外部形态，提高其在精量排种器中的适应性和排种稳定性。已有该技术在烟草、饲草、部分蔬菜和中药材种子加工中应用，但黄芪种子丸粒化包衣工艺的系统研究仍有限，尤其关键工艺参数影响丸粒化质量的定量化、精细化分析与优化不足，制约丸粒化设备与工艺在黄芪生产中的推广应用。离散元法（discrete element method, DEM）可用于研究颗粒材料运动与相互作用，结合响应面优化有助于更系统、高效确定丸粒化包衣最优参数组合。基于此，研究人员以黄芪种子为对象，构建EDEM 2022仿真模型，以离散系数和丸粒化合格率（J）为评价指标开展单因素试验，采用Box–Behnken响应面法建立二次回归模型并开展多因素综合优化，最后用气吸式精量排种器台架试验验证丸粒化种子播种性能。研究确定最优工艺参数组合，丸粒化合格率达97.51%，台架试验表明丸粒化种子满足试验条件下精量播种要求，为黄芪种子丸粒化包衣工艺参数确定和精量播种装备开发提供理论依据与技术支撑，对推进黄芪生产全程机械化具有重要意义。

关键技术方法：采用CATIA V5按实测外形建立黄芪种子几何模型并导入EDEM 2022，以单球形颗粒填充构建种子仿真模型，粉末简化为半径0.5 mm单球模型，并通过堆积角标定验证（实测32.09°，仿真32.27°，相对误差0.56%）。以转盘转速、单次供粉量、单次供液时间、丸粒化时间为因素开展四因素五水平单因素试验，用网格统计法计算离散系数并统计丸粒化合格率；采用Box–Behnken响应面法建立二次回归模型、方差分析和多因素综合优化；按GB/T 6973—2005用自建气吸式精量排种试验平台开展排种台架试验，评价合格指数（A₃）、漏播指数（M₁）和重播指数（D₃）。包衣材料沿用前期研究的商用丸粒化粉配方，未设未处理种子播种对照。

研究结果：
转盘转速对黄芪种子丸粒化质量的影响：通过EDEM仿真与物理试验，在供粉和供液量固定条件下考察400、450、500、550、650 r/min；转速由400 r/min增至500 r/min时，离散系数由13.4%降至8.3%，丸粒化合格率由79%升至94%；超过500 r/min后离散系数回升、合格率下降，可能与过大离心力造成粉料分布不均、种子与粉料接触时间减少有关；500 r/min时种子-粉料混合均匀性较好、离散程度较低、合格率较高，且仿真离散系数趋势与实际合格率趋势一致，说明所建EDEM模型可靠性较好，可为后续优化提供依据。

单次供粉量对黄芪种子丸粒化质量的影响：通过EDEM仿真与物理试验，在其余因素不变时设置8、9、10、12、15 g；单次供粉量由8 g增至10 g时，离散系数持续下降，丸粒化合格率由84.1%升至92.4%；增至15 g时离散系数反弹、丸粒化合格率下降，可能因粉料过量导致局部分布不均并降低种子与粉料有效接触。

单次供液时间对黄芪种子丸粒化质量的影响：通过物理试验，在其余工艺参数不变时设置3、4、6、8、9 s；单次供液时间由3 s增至6 s时，丸粒化合格率由83%升至92%，说明适量供液可增强包衣液对种子和粉料表面的润湿作用，促进粉料黏附和均匀铺展，提高丸粒结构致密性与稳定性；延长至8 s和9 s后合格率下降，过量供液易造成局部液体积聚、丸粒表面液含量过高、粉料黏附效率降低，甚至引起颗粒间黏连和结团；6 s时体系离散程度最低、合格率最高，润湿、黏附与成丸过程匹配较佳，故选6 s为单次供液时间较优水平。

丸粒化时间对黄芪种子丸粒化质量的影响：通过EDEM仿真与物理试验，在其余工艺参数不变时设置4、5、6、8、10 min；由4 min增至6 min时，离散系数有所下降，丸粒化合格率由83%显著升至92%，说明延长丸粒化时间可使包衣液施加更充分，改善种子表面润湿性，使粉料与种子表面结合更紧密、丸粒结构更稳定；延长至8 min和10 min后离散系数反弹、合格率下降，可能因丸粒表面液体过度积聚，影响粉料黏附效率并诱发颗粒间黏连和结团；6 min时离散系数较低、合格率较高、丸粒化包衣效果较理想，可为后续参数优化提供依据。

响应面试验结果与分析：采用Box–Behnken设计，以丸粒化合格率J为响应值，以转盘转速（A）、单次供粉量（B）、单次供液时间（C）和丸粒化时间（D）为自变量，建立二次多项式回归模型；方差分析显示回归模型极显著（p < 0.0001），失拟项不显著（p > 0.05），R²、调整R²和预测R²分别为0.9880、0.9759和0.9383，模型拟合精度较好，可描述丸粒化合格率随工艺参数变化；交互项均不显著（p > 0.05），四因素线性和二次项显著，响应面曲率主要反映显著二次效应。

参数优化与验证：基于实际值回归模型，以丸粒化合格率最大为目标对转盘转速、单次供粉量、单次供液时间和丸粒化时间进行多因素综合优化；优化结果为转盘转速558 r/min、单次供粉量8.99 g、单次供液时间7.38 s、丸粒化时间6.19 min，预测丸粒化合格率98.04%；按此参数进行5次丸粒化包衣试验，丸粒化合格率达97.51 ± 0.38%，与预测值相对误差0.54%；最优组合位于设计空间内部，无边界解，模型优化结果稳定性和可操作性较好。讨论指出，转盘转速和丸粒化时间均影响丸粒化性能，混合强度、处理时间与能量需求之间可能存在权衡，后续应评价不同操作条件下单位质量处理种子的能耗，以便同时考虑丸粒化质量与能效；实际应用还需从处理能力、包衣材料消耗、能源需求和放大潜力等方面考虑；已有研究强调种子丸粒化包衣用于改善种子处理和机械播种，材料利用、能耗和工艺可放大性仍是工业应用的重要考量；基于DEM的旋转包衣研究也表明操作条件可显著影响包衣均匀性，工艺优化应兼顾产品质量和设备运行。

排种台架试验结果与分析：在排种盘转速和负压参数稳定条件下，对丸粒化黄芪种子进行连续精量播种试验并分析播种带种子分布；合格指数总体较高，均值超过85%，多数种子可按设定株距单粒均匀排出；漏播率显著降至5%以下，与丸粒化后种子直径和质量分布更集中、负压吸附稳定性提高、排种孔空吸减少有关；重播率控制在8%以内，多粒吸附问题得到有效抑制，与丸粒化改善种子表面形态和颗粒摩擦特性有关；通过透明观察槽观察，丸粒化种子近似直线下落、落点集中、株距一致性较好，表明试验条件下播种均匀性良好；未处理黄芪种子小且不规则，单排种孔易同时吸取多粒，这是开展丸粒化处理的动因；由于研究聚焦丸粒化工艺优化和丸粒化种子播种性能评价，未开展未处理种子播种试验，后续将进行未处理与丸粒化种子的定量比较。

讨论部分总结：讨论主要强调丸粒化工艺优化不能仅看丸粒化质量，还应综合考虑混合强度、处理时间、能量需求、处理能力、包衣材料消耗和放大潜力；后续需评价单位质量种子能耗，并兼顾产品质量与设备运行，为工业应用提供依据。

研究结论翻译：本研究系统研究了黄芪种子丸粒化包衣工艺参数优化及其播种性能。通过EDEM离散元仿真与物理试验相结合，采用单因素试验和响应面法优化关键工艺参数，并用气吸式精量排种器验证播种性能。首先明确转盘转速、单次供粉量、单次供液时间和丸粒化时间对黄芪种子丸粒化质量的影响规律：在一定范围内提高转速和供粉量、延长供液时间和丸粒化时间均可改善种子-粉末混合均匀性和丸粒化合格率，但各因素均有最优范围，超过后丸粒化质量下降。基于Box–Behnken响应面法建立丸粒化合格率与转盘转速、单次供粉量、单次供液时间和丸粒化时间之间的二次回归模型。方差分析表明，转盘转速、单次供粉量和单次供液时间为影响丸粒化合格率的极显著因素，丸粒化时间为显著因素。经多因素综合优化与验证，确定最优工艺参数组合为：转盘转速558 r/min、单次供粉量8.99 g、单次供液时间7.38 s、丸粒化时间6.19 min，此时丸粒化合格率达97.51%。台架播种试验表明，在气力精量播种条件下丸粒化黄芪种子的平均合格指数超过85%，漏播率低于5%，重播率低于8%。结果验证丸粒化黄芪种子对气力精量排种器具有良好适用性，为黄芪机械化精量播种提供技术依据和参数参考。