Miracle Börülcesinin (Vigna unguiculata L.) Fiziko-Mekanik Karakterizasyonu: Bıçak Tipi ve Nem Seviyesinin Hasat Edilebilirlik Üzerindeki Etkileri

Abstract

Bu çalışmanın amacı, Miracle börülcesinin (Vigna unguiculata L.) fiziko-mekanik özelliklerini karakterize ederek, farklı nem seviyeleri ve bıçak konfigürasyonları altında mekanik hasada uygunluğunu değerlendirmektir. Kurutulmuş börülce bitkileri, sapların kesilmesi için gereken kesme kuvveti, enerji ve deformasyon gibi parametreleri belirlemek amacıyla iki farklı nem seviyesinde ve üç farklı bıçak tipi (düz, ince dişli ve kalın dişli) kullanılarak test edilmiştir. Sap kesme performansına ek olarak, bitkiden ayrılma için gerekli bakla koparma kuvveti de ölçülerek ayrılma için gereken çaba değerlendirilmiştir. Bakla kırılma direnci, farklı yükleme yönlerini simüle etmek için yatay ve dikey basınç altında analiz edilmiştir. Börülce tohumlarının hasat sırasında maruz kalabilecekleri mekanik hassasiyeti anlamak amacıyla, tohumların hasar direnci enine ve boyuna sıkıştırma altında değerlendirilmiştir. Ayrıca, bakla-gövde oranı, bakla ve tohum ağırlıkları, toplam bitki boyu ve ilk baklanın yerden yüksekliği gibi temel morfolojik ve verimle ilgili parametreler kaydedilmiştir. Farklı nem koşullarında kurutulmuş baklaların görsel kalite değişimlerini değerlendirmek amacıyla renk ölçümleri (L*, a*, b*) de yapılmıştır. Sonuçlar, bıçak tipi ve nem seviyesinin bitkinin mekanik tepkisi üzerinde önemli etkileri olduğunu göstermiştir. Düşük nem koşullarında (8,34% w.b.) ince dişli bıçakla kesme kuvveti 77,74 N’ye kadar çıkarken, yüksek nem koşullarında (19,60% w.b.) düz bıçakla kesme kuvveti 37,49 N’ye kadar düşmüştür. Bakla koparma kuvveti, kuru örneklerde 19,20 N iken, yüksek nem koşullarında 4,02 N’ye düşmüştür. Tohum kırılma kuvveti ise dikey sıkıştırmada (72,34 N), yatay yüklemeden (58,22 N) daha yüksek bulunmuştur. Bu bulgular, börülce gibi baklagil ürünlerinde hasat tekniklerinin optimize edilmesi ve uygun ekipman geliştirilmesine yönelik değerli bilgiler sunmaktadır

Keywords

• Miracle börülcesi
• Fiziko-mekanik özellikler
• Mekanik hasat
• Bakla koparma
• Kesme kuvveti
• Türkiye

Physico-Mechanical Characterization of Miracle Cowpea (Vigna unguiculata L.): Effects of Blade Type and Moisture Level on Harvestability

Abstract

This study aimed to characterize the physico-mechanical properties of the Miracle cowpea (Vigna unguiculata L.) to evaluate its suitability for mechanized harvesting under varying moisture conditions and blade configurations. Dried cowpea plants were tested at two distinct moisture levels using three blade types (smooth, fine-toothed and coarse-toothed) to determine parameters such as the cutting force, energy and deformation required to cut the stems. In addition to evaluating the performance of the stem cut, the force required for pod detachment was measured in order to assess the effort required for separation from the plant. Pod rupture resistance was analyzed under horizontal and vertical compression to simulate different loading directions. The damage resistance of cowpea seeds was assessed under transverse and longitudinal compression to provide critical insights into their mechanical vulnerability during harvesting operations. Furthermore, key morphological and yield-related parameters were recorded, including the pod-to-stem ratio, pod and seed weights, total plant height, and the height of the first pod from the ground. Colorimetric measurements (L*, a*, b*) of dried pods were also taken under different moisture conditions to evaluate changes in visual quality. The results showed that the type of blade and the level of moisture significantly affected the plant's mechanical response. Under low moisture conditions (8.34% w.b., wet basis) the cutting force was as high as 77.74 N with fine-toothed blades. Under high moisture conditions (19.60% w.b.), however, the cutting force was as low as 37.49 N with smooth blades. Pod detachment force decreased from 19.20 N for dry samples to 4.02 N under high-moisture conditions. Seed rupture force was highest under vertical compression (72.34 N) than under horizontal loading (58.22 N). These findings offer valuable insights for optimizing harvesting techniques and guiding the development of equipment tailored to legume crops such as cowpeas

Keywords

• Miracle cowpea;
• Physico-mechanical;
• Mechanized harvesting;
• Pod detachment;
• ; Cutting force;
• Türkiye

References

1. Adanu, E. O., Iya, S. A., Yakubu, I. T., & Kabri, H. U. (2022). Determination of the physico-mechanical properties of three cultivars of cowpea (Vigna unguiculata) grain. Arid Zone Journal of Engineering, Technology and Environment 18(3): 377–386.
2. Botelho, F. M., Botelho, S. C. C., Menezes-Junior, J. A. N., Souza, I. P., & Araujo, M. J. I. (2021). Physical properties of cowpea grains during drying. International Journal of Development Research 11(7): 48416–48420.
3. Boukar, O., Belko, N., Chamarthi, S., Togola, A., Batieno, J., Owusu, E., Haruna, M., Diallo, S., Umar, M. L., Olufajo, O., & Fatokun, C. (2019). Cowpea (Vigna unguiculata): Genetics, genomics and breeding. Plant Breeding 138(4): 415–424. https://doi.org/10.1111/pbr.12589
4. Chukwu, O., & Sunmonu, M. (2010). Determination of some mechanical properties of cowpea relevant to design of harvesting and processing equipment. Journal of Agricultural Technology 6(1): 1–9.
5. Çetin, N. (2019). The Effects of Drying Conditions on Color Characteristics in Apple and Orange. European Science and Technology Journal 17: 463-470.
6. Çulha, G., & Bozoglu, H. (2016). Farklı kültürel uygulamalarla yetiştirilen Amazon ve Sırma börülce çeşitlerinin verim ve verim özellikleri. Tarla Bitkileri Merkez Araştırma Enstitüsü Dergisi 25(Special Issue 1): 177–183.
7. Dalha, M. G., Shuaibu, R. B., & Yusuf, A. H. (2018). Post-harvest handling and storage of cowpea: A review. International Journal of Scientific & Engineering Research 9(3):305–313.
8. Da Silva, K. J. D., Da Silva, J. B., & Santos, S. A. (2018). Genetic variability in cowpea genotypes under semi-arid conditions. Revista Caatinga 31(2): 311–318.

9. Davies, R. M., & Zibokere, D. S. (2011). Determination of selected physico-mechanical properties of cowpea (Vigna unguiculata) relevant to its processing. International Journal of Agricultural Engineering 3(1): 91–95.
10. Doğan, Y., Toğay, N., & Toğay, Y. (2011). Türkiyede yetiştirilen börülce (Vigna unguiculata L. Walp.) çeşit ve genotiplerin hidratasyon kapasiteleri, hidratasyon indeksleri ve sert tohum kabuğu oranlarının belirlenmesi üzerine bir araştırma. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 16(1): 1–4.
11. Doymaz, İ. (2015). Infrared drying kinetics and quality characteristics of carrot slices. Journal of Food Processing and Preservation 39(6): 2738–2745.
12. Erdoğan, C. (2019). Determination of agricultural characteristics of cowpea varieties in Amik Plain. Turkish Journal of Agriculture - Food Science and Technology 7(7): 1046–1051.
13. Gündüz, B., Şehirali, H., & Öztürk, O. (2015). Türkiye’de bazı börülce genotiplerinin tarımsal ve teknolojik özellikleri. Tarım Bilimleri Dergisi 21(1): 54–63.
14. Khan, A., Bari, A., Khan, S., Hussain, N. S., & Zada, I. (2010). Performance of cowpea genotypes at higher altitude of NWFP. Pakistan Journal of Botany 42(4): 2291–2296.
15. Khodobakhshian, R., Emadi, B., & Abbaspour-Fard, M. H. (2016). Investigation of blade parameters on cutting energy for alfalfa stems. Biosystems Engineering 141: 45–55.
16. Kuş, Z. A., Demir, B., Eski, I., Gurbuz, F., & Ercisli, S. (2017). Estimation of the colour properties of apples varieties using neural network. Erwerbs-Obstbau 59(4): 291-299.
17. Pekşen, E., & Artık, C. (2004). Bazı börülce (Vigna unguiculata L.) genotiplerinin Ordu ekolojik koşullarına adaptasyon yetenekleri. Ondokuz Mayıs Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 19(2): 53–60.
18. Pekitkan, F. G., Eliçin, A. K., & Sessiz, A. (2019). Effects of knives type, cutting angle and loading speed on force and energy requirement of grape cane. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology 6(2): 9552–9556.
19. Sert, H., & Ceyhan, E. (2012). Effect of sowing time and plant density on yield and yield components in cowpea (Vigna unguiculata L.). Selçuk Tarım ve Gıda Bilimleri Dergisi 26(3): 42–48.
20. Singh, A., Hensel, O., & Sturm, B. (2016). Effects of blade parameters on mechanical properties of crops. Agricultural Engineering International: CIGR Journal 18(4): 197–204.
21. Singh, B. B., Chambliss, O. L., & Sharma, B. (1997). Recent advances in cowpea breeding. In: Singh BB, Mohan Raj DR, Dashiell KE, Jackai LEN (Eds.), Advances in Cowpea Research. IITA and JIRCAS, pp. 30–49.
22. Sobukola, O. P., & Abayomi, H. T. (2010). Physical properties and rehydration characteristics of different varieties of maize and cowpea seeds. Journal of Food Processing and Preservation 35(3): 299–307.
23. Yılmaz, D., Akıncı, I., & Turgut, N. (2015). Investigation of mechanical cutting properties of chickpea stems under different moisture contents. Gaziosmanpaşa Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 32(1): 12–20
24. Yılmaz, D., & Gökduman, M. E. (2014). Physical-mechanical properties of Origanum onites at different moisture contents. Journal of Essential Oil Bearing Plants 17(5): 1023–1033. https://doi.org/10.1080/0972060X.2014.890082