楊欲曉 ，于世輝 ，李小龍 ，張 宏 ，肖愛玲 ，劉 揚(yáng) ，蘇廣東

（1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆阿拉爾 843300）

0 引言

庫爾勒香梨是新疆特色水果，以皮薄、肉脆、汁多、味甜、酥香、爽口、耐貯藏，以及營養(yǎng)豐富等特點馳名中外［1-3］。但在采摘、運輸、貯藏、加工過程中，易遭受機(jī)械損傷［4］。果實受損后，遭受病原體感染，在極短時間內(nèi)腐爛變質(zhì)，并迅速感染周圍正常果實［5］，直接影響品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，每年因機(jī)械損傷造成的果實腐爛率高達(dá)15%，直接經(jīng)濟(jì)損失6 000萬元以上［6］。因此減小庫爾勒香梨采摘期內(nèi)機(jī)械損傷的影響，可為庫爾勒香梨的采收、運輸、貯藏、加工等環(huán)節(jié)提供理論指導(dǎo)，對減少腐爛損失，延長新鮮庫爾勒香梨供應(yīng)期具有重要研究意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對農(nóng)產(chǎn)品機(jī)械損傷問題進(jìn)行了大量研究。伊尹君［7］針對寬皮柑橘質(zhì)量降低與果實硬度變化，建立了評估柑橘機(jī)械損傷的方法，量化了柑橘機(jī)械損傷程度，建立了柑橘機(jī)械損傷的二分類模型，對柑橘在受擠壓和跌落作用下的損傷情況進(jìn)行了預(yù)測。吳杰等［8］揭示了庫爾勒香梨與不同材料碰撞的接觸應(yīng)力分布面積與損傷面積的關(guān)系，建立庫爾勒香梨的損傷面積預(yù)測模型。陳燕等［9］通過建立柑橘的有限元模型來模擬機(jī)器人不同指面夾持柑橘的過程，結(jié)果表明果皮的損傷在果肉之后，同一夾持力下，平指對柑橘果皮和果肉的作用力要大于弧指，果肉所能承受平指最大夾持力為23 N，能承受弧指最大夾持力為45 N。OPARA等［10］探究了兩種不同款式透風(fēng)瓦楞紙箱對蘋果靜壓損傷的靈敏性，結(jié)果表明紙箱厚度、尺寸和紙板組合形式嚴(yán)重影響紙箱外部壓縮載荷的抵抗力，紙箱外部壓縮載荷超過所能承受極限就會導(dǎo)致蘋果表面損傷，從而導(dǎo)致果實表面引發(fā)局部褐變，進(jìn)而降低果實的口感。FU等［11］探究了在不同的聚氨酯泡沫緩沖材料保護(hù)下的蘋果受沖擊載荷損傷的影響，結(jié)果表明，蘋果果梗區(qū)域比果徑區(qū)域?qū)p傷等影響更敏感，當(dāng)緩沖材料的硬度大于4.8 kPa時，蘋果受損傷的概率大大降低，為蘋果提供了良好的緩沖保護(hù)。國內(nèi)外學(xué)者均針對農(nóng)產(chǎn)品的機(jī)械損傷進(jìn)行了大量研究，但研究對象主要針對同一采摘期的農(nóng)產(chǎn)品，關(guān)于不同采摘期對庫爾勒香梨靜壓損傷影響規(guī)律方面的研究鮮有報道。

本文利用電子萬能材料試驗機(jī)對不同采摘期下庫爾勒香梨進(jìn)行靜壓損傷試驗，研究不同成熟度庫爾勒香梨機(jī)械特性參數(shù)，建立不同成熟度庫爾勒香梨變形量與靜壓損傷面積關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，研究采摘期內(nèi)硬度變化規(guī)律，為指導(dǎo)庫爾勒香梨的采摘、貯運、加工過程提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試樣采自南疆優(yōu)質(zhì)庫爾勒香梨生產(chǎn)區(qū)阿拉爾市11團(tuán)10連的常規(guī)管理梨園。采樣期從2019年9月1號至9月29號，此時間段為庫爾勒香梨采摘期［12］，每隔4天選取形狀規(guī)則相似、無病蟲害、無損傷、無粗皮［13］、平均重量為（117.5±2.5）g的70個庫爾勒香梨為試驗樣本，共計采樣8次。根據(jù)蘭海鵬［14］的庫爾勒香梨成熟度評價方法，定義硬度為評價指標(biāo)，可得采摘8次的庫爾勒香梨成熟度分別為15%、16%、18%、35%、65%、85%、92%、97%。

1.2 試驗方法

1.2.1 機(jī)械特性測量試驗

如圖1所示，在通風(fēng)良好的室溫環(huán)境下，選用電子萬能材料試驗機(jī)對庫爾勒香梨進(jìn)行壓縮速率為20 mm/min的橫向壓縮試驗，直到肉眼可見庫爾勒香梨表皮被平板壓頭壓破裂，然后立即抬升電子萬能材料試驗機(jī)的平板壓頭，每一成熟度機(jī)械特性參數(shù)測量試驗重復(fù)10次，分析庫爾勒香梨受力-變形曲線。如果多次試驗數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，則取其算術(shù)平均值作為該組等精度試驗數(shù)據(jù)中的最佳數(shù)據(jù)，記錄庫爾勒香梨各機(jī)械特性參數(shù)。

圖1 庫爾勒香梨受壓簡圖Fig.1 Schematic diagram of compression of Korla fragrant pear

1.2.2 受損面積測量試驗

選用電子萬能材料試驗機(jī)對50個試驗樣本進(jìn)行壓縮速率為20 mm/min的橫向壓縮試驗，變形量選取 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm。當(dāng)庫爾勒香梨變形量達(dá)到所設(shè)定數(shù)值后，立即升起平板壓頭，把做完靜壓試驗后的庫爾勒香梨放置于25 ℃恒溫箱中靜置24小時后取出，立即測量庫爾勒香梨損傷面積，每一變形量測量庫爾勒香梨損傷面積試驗重復(fù)5次，記錄數(shù)據(jù)并計算其平均值［15］。

如圖2所示，損傷面積公式為：

圖2 損傷面積測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of damage area measurement

式中 S——靜壓損傷面積，mm2；

a——長半軸的長，mm；

b——短半軸的長，mm。

1.2.3 采摘期內(nèi)庫爾勒香梨硬度測量試驗

選取型號GY-1果實硬度計進(jìn)行硬度測量試驗，將庫爾勒香梨削去薄薄的一層果皮后測量，握住硬度計使其垂直于被測水果表面，用力均勻地將壓頭壓入被削皮的果實表面。此時指針發(fā)生轉(zhuǎn)動，當(dāng)觀察到壓頭壓到刻度線時停止，此時讀取數(shù)值，每一硬度測量試驗重復(fù)10次，記錄試驗數(shù)據(jù)，并計算其平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Spss軟件與SigmaPlot軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果分析

2.1 采摘期內(nèi)庫爾勒香梨生物屈服極限

如圖3所示，通過靜壓試驗，可得到采摘期內(nèi)庫爾勒香梨的受力-變形量曲線，S點為庫爾勒香梨生物屈服點，B點為庫爾勒香梨生物破裂點。觀察圖3可發(fā)現(xiàn)各曲線在變形量未達(dá)到S點之前，均呈線性變化，此時庫爾勒香梨受壓過程為彈性形變，庫爾勒香梨內(nèi)部細(xì)胞組織尚未發(fā)生破裂［16］。S點之后壓縮力開始下降，庫爾勒香梨內(nèi)部細(xì)胞組織發(fā)生破裂。此時庫爾勒香梨屈服最小變形能為S點處橫坐標(biāo)與曲線圍成的面積。S之點后變形量隨著壓縮力增大而增加，到達(dá)B點之前，庫爾勒香梨雖產(chǎn)生不可逆形變，但果實表皮未破裂；B點之后變形量隨著壓縮力增加而急劇下降，果實表皮破裂，此時庫爾勒香梨的最小破裂能為B點處橫坐標(biāo)與曲線圍成的面積。各采摘期庫爾勒香梨的機(jī)械特性參數(shù)見表1。

圖3 采摘期內(nèi)庫爾勒香梨的受力-變形量曲線Fig.3 Force-deformation curve of Korla fragrant pear during harvest period

表1 庫爾勒香梨采摘期內(nèi)機(jī)械特性參數(shù)Tab.1 Mechanical characteristic parameters of Korla fragrant pear during harvest period

由表1可知，在采摘期內(nèi)果實各機(jī)械特性參數(shù)均隨著采摘期的后延而減小。采摘期內(nèi)果實屈服極限力范圍為53.80～148.37 N，屈服極限變形量范圍為1.79～4.81 mm，變形能范圍為51.12～322.52 N·mm，破裂極限力范圍為78.28～209.91 N，破裂極限變形量為2.49～6.89 mm，破裂能范圍為96.91～693.12 N·mm。采摘期9月1～9日、9月21～29日果實的機(jī)械特性參數(shù)變化較小，采摘期9月9～21日果實的機(jī)械特性參數(shù)變化較大。

2.2 采摘期內(nèi)庫爾勒香梨損傷面積

如圖4所示，在同一采摘期下，果實損傷面積均隨變形量的增大而增大；在相同變形量下，果實損傷面積均隨采摘期的后延而增加。9月1～9日相鄰采摘期庫爾勒香梨損傷面積差值范圍為6.81～80.45 mm2，采摘期9月9～21日相鄰采摘期庫爾勒香梨損傷面積差值范圍為79.76～268.22 mm2，采摘期9月21～29日相鄰采摘期庫爾勒香梨損傷面積差值范圍為16.43～62.88 mm2?？砂l(fā)現(xiàn)采摘期9月9～21日相鄰采摘期庫爾勒香梨損傷面積差值明顯高于9月1～9日、9月21～29日相鄰采摘期。

圖4 庫爾勒香梨采摘期內(nèi)變形量與損傷面積的關(guān)系Fig.4 Relationship between the deformation and damage area of Korla fragrant pear during harvest period

其數(shù)學(xué)模型如表2所示，可發(fā)現(xiàn)R2范圍為0.996 6～0.999 7，數(shù)學(xué)模型擬合優(yōu)度良好，表明該模型能很好的表征變形量與損傷面積關(guān)系。

表2 庫爾勒香梨變形量與損傷面積數(shù)學(xué)模型Tab.2 Mathematic model for the relationship between the deformation and damage area of Korla fragrant pear

為了建立采摘期內(nèi)果實變形量與損傷面積的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對其做擬合分析，得到曲線數(shù)學(xué)方程：

式中 S——靜壓損傷面積，mm2；

ΔL——果實變形量，mm；

a、b、c——常數(shù)。

2.3 采摘期內(nèi)庫爾勒香梨的硬度

由圖5所示，采摘期果實整體硬度呈下降趨勢，這是因為在庫爾勒香梨發(fā)育后期，細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)與成分發(fā)生改變。隨著果實成熟度提高，細(xì)胞壁變薄，大量細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)消失，細(xì)胞壁含量緩慢下降，導(dǎo)致庫爾勒香梨硬度逐漸下降［17-18］。按照果實硬度曲線變化規(guī)律可將采摘期9月1～9日、9月9～21日、9月21～29日依次分為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段，第Ⅰ階段硬度下降速率為0.06；第Ⅱ階段硬度下降速率為0.96；第Ⅲ階段硬度下降速率為0.27。第Ⅰ階段與第Ⅲ階段硬度下降速率大致相同并且均小于第Ⅱ階段，這是由于果實生長發(fā)育期間水解酶的活性改變導(dǎo)致。采摘期內(nèi)第Ⅱ階段果實內(nèi)部水解酶活性高于第Ⅰ、Ⅲ階段果實［19］，水解酶活性的提高能促進(jìn)細(xì)胞壁主要成分纖維素、原果膠的分解，使得細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)大量減小，導(dǎo)致采摘期內(nèi)庫爾勒香梨的機(jī)械特性參數(shù)在第Ⅰ、Ⅲ階段差距較小，在第Ⅱ階段差距較大。同樣造成采摘期內(nèi)庫爾勒香梨變形量與損傷面積的曲線在第Ⅰ、Ⅲ階段較為接近，在第Ⅱ階段較為遠(yuǎn)離。果農(nóng)在第Ⅰ、Ⅲ階段采摘庫爾勒香梨時，受靜壓影響波動較小，在第Ⅱ階段時，受靜壓影響波動較大，故此階段適宜盡快采摘，避免造成過多靜壓損傷，減少果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收入。

圖5 不同采摘期下硬度的變化規(guī)律Fig.5 Change rules of hardness during different harvest periods

3 結(jié)論

（1）不同采摘期果實的機(jī)械特性參數(shù)曲線變化規(guī)律大致相同，生物屈服極限、破裂極限、變形能、破裂能均隨著采摘期的后延而增加。

（2）不同采摘期果實的損傷面積均與變形量呈一元二次方程變化，采摘期9月9～21日相鄰采摘期庫爾勒香梨的變形量與損傷面積曲線較為遠(yuǎn)離，采摘期9月1～9日、9月21～29日相鄰采摘期庫爾勒香梨的變形量與損傷面積曲線較為接近。

（3）采摘期內(nèi)果實硬度整體呈下降趨勢，第Ⅰ階段果實硬度（7.85～7.98 kg/cm2）、第Ⅲ階段果實硬度（4.43～4.97 kg/cm2）下降速率均小于第Ⅱ階段（4.97～7.85 kg/cm2），第Ⅰ、Ⅲ階段采摘期內(nèi)庫爾勒香梨變形量與損傷面積的曲線較為接近，第Ⅱ階段較為遠(yuǎn)離。果農(nóng)在第Ⅰ、Ⅲ階段采摘庫爾勒香梨，受靜壓損傷的影響波動較小，在第Ⅱ階段受靜壓損傷的影響波動較大，第Ⅱ階段需趕時采摘，避免造成過多經(jīng)濟(jì)損失。