虢露葭，李 萍，侯曉榮，鄧紅軍，茅林春

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310058)

水果和蔬菜在采前和采后都會受到不同程度的機械損傷。采前機械損傷少有規(guī)律可尋，難以控制，相關(guān)研究并不多，一般集中在對果蔬的套袋研究，而較為嚴重的機械損傷一般發(fā)生在采收以后［1］。采后機械損傷是指果蔬在采收、分級、包裝、裝卸、運輸、加工、貯藏和銷售的各個環(huán)節(jié)中因受到跌落、碰撞、振動、擠壓、摩擦、刺傷和鮮切等作用而引起果實變形，果皮、果肉破損等傷害。Van等［2］提出機械損傷是由于果蔬物理損傷而導(dǎo)致細胞壁相關(guān)蛋白質(zhì)的作用，引起細胞壁成分分解所致。

果蔬采收后仍是有生命的個體，仍然進行著正常的新陳代謝，其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和水分等物質(zhì)在采后都在不斷地發(fā)生變化。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國每年生產(chǎn)的水果、蔬菜從田間到餐桌，損失率高達25%～30%［3］。機械損傷是引起果蔬采后損耗的主要因素。機械損傷不僅會造成果蔬感官變化，引起果實內(nèi)部水分和汁液的流失，導(dǎo)致果實組織的結(jié)構(gòu)破壞、外觀質(zhì)量降低及營養(yǎng)成分的損失，而且增加了微生物侵染的危險性，使果實衰老加快，腐爛增加，導(dǎo)致果蔬貨架期縮短，情形更甚者則會引起整個果蔬的腐爛，嚴重影響果蔬品質(zhì)及其經(jīng)濟效益。因此，通過研究機械損傷的類型及其特性，采用科學(xué)有效控制損傷的措施，對于減少采后果蔬損耗和維持產(chǎn)品品質(zhì)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 不同類型機械損傷特性

1.1 靜壓損傷

靜壓損傷多發(fā)生在貯存過程中，成堆的果蔬處于自然靜止狀態(tài)，某層的果蔬受到其上各層果蔬重量的作用，隨著時間延長而發(fā)生靜止破壞，其損傷部位多發(fā)生在接觸區(qū)域［4］。果蔬的靜壓損傷多表現(xiàn)為果蔬受到擠壓而產(chǎn)生的形變。靜壓損傷的研究一般采用外表層的粘彈性靜載實驗，研究外載力大小與貯存時間對靜壓損傷的影響程度，用接觸面積或直徑的變化來表述其損傷規(guī)律，從而可用靜載作用時間來描述其損傷程度。果蔬蠕變現(xiàn)象作為果蔬受力變形的一種基本形式，對水果靜載損傷與力學(xué)特性的研究至關(guān)重要。Burgers的四單元模型在表征果蔬蠕變現(xiàn)象中應(yīng)用最廣［5］。楊曉清和王春光［6］利用虛擬樣機技術(shù)建立蠕變仿真模型、獲得蠕變特性參數(shù)及本構(gòu)方程并對影響河套蜜瓜靜載蠕變損傷因素進行了分析研究，得出為減少永久變形對果實造成的蠕變損傷，針對成熟度較高的果實應(yīng)采取低溫減輕重壓的儲運方式。Bernadeth等［7］研究了作用于胡蘿卜組織的應(yīng)力與其果實內(nèi)酚類物質(zhì)產(chǎn)生的關(guān)系，得出了隨著應(yīng)力強度的增加，果實內(nèi)產(chǎn)生的酚類物質(zhì)會明顯增加。陳燕等人［8］為減小荔枝在收獲、儲運過程中的機械損傷，對幾種荔枝鮮果進行了不同加載條件的擠壓實驗，并對其果殼進行了拉伸實驗，得出了不同加載速度和壓縮方向上的破裂力，證明了荔枝果實的抗擠壓能力的各向異性。

果蔬在貯運過程中，由于堆疊而使得底層的果蔬受到其上各層果蔬的壓縮載荷作用，因而對堆疊高度加以限制而不至于使單個果蔬所受載荷高于其失效載荷。相關(guān)方面的研究主要集中在對堆疊果蔬中壓力分布情況的研究［9］。因果蔬損傷是由于一系列的細胞壁破壞、細胞間結(jié)合力的喪失以及細胞液的流失而導(dǎo)致的細胞縮水所致。因此，相關(guān)的研究涉及果蔬細胞水平的分析、模擬果蔬細胞對于外加載荷的響應(yīng)機制。大多數(shù)研究損傷機理的實驗采用準靜態(tài)壓縮法進行。如有研究利用封閉式的球形細胞和更復(fù)雜的多面體細胞模型，并應(yīng)用薄膜理論得到了細胞變形與外力之間的關(guān)系［10］。楊曉清等人［11］研究了蘋果梨的靜載機械特性，通過準靜態(tài)壓縮實驗得出不同因素影響下的力與變形曲線，分析并得出果實受壓時的生物屈服極限和破壞極限隨壓縮速率增大而相應(yīng)增大，體積及成熟度較大的果實受壓時均較早進入屈服狀態(tài)并易發(fā)生破裂。果蔬靜壓損傷的研究為制定質(zhì)量檢驗標準，以及貯藏包裝或容器的設(shè)計提供合理依據(jù)，使靜壓損傷控制在最小范圍內(nèi)。

1.2 振動損傷特性

果蔬在運輸過程中的機械損傷主要是動載作用引起的碰撞損傷和振動低應(yīng)力疲勞損傷。振動帶來的低應(yīng)力循環(huán)主要造成疲勞損傷。多年來，國內(nèi)外對果蔬振動損傷特性的研究主要基于穩(wěn)態(tài)振動和隨機振動兩種類型的實驗方法。穩(wěn)態(tài)振動實驗主要用于分析果蔬振動損傷特性。果蔬實際運輸經(jīng)歷的是隨機振動，為此模擬實際運輸工況的研究更具工程實用價值。

運輸振動所造成的機械損傷已經(jīng)在多種果蔬中展開了研究。劉迎雪和盧立新［12］研究了振動過程中振動工況對小番茄呼吸速率的影響及振動后各項生理指標變化，發(fā)現(xiàn)在同一振動頻率，振動強度越大，圣女果小番茄的呼吸速率則越大。振動后，小番茄的呼吸速率、失重率和酸度明顯高于對照水平;而果肉硬度則遠低于對照水平。由于隨機振動而產(chǎn)生的果蔬機械損傷與運輸途中(田間或路途中)的加速度之間有緊密的相關(guān)性，因而振動強度一般用振動頻率與其加速度功率譜密度(PSD)之間的關(guān)系圖表示。Jarimopas［13］研究了實際運輸工況振動條件下，塑料筐中柑橘的損傷特性。Berardinelli等［14］用電動振動機來模擬運輸途中三種梨受振損傷情況，發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)不同位置的果實在損傷程度上有明顯差別，并且不同品種梨最大損傷程度發(fā)生的位置也不同。張蕾等人［15］研究了三種不同緩沖包裝結(jié)構(gòu)在各自的共振頻率下定頻振15min對油桃采后生理品質(zhì)的影響，得出由五層瓦楞紙板做成彈簧型結(jié)構(gòu)的水果托緩沖包裝，在運輸中可以吸收大量的振動能量，從而保證90%的油桃在運輸中不受振動損傷。Shahbazi等［16］研究實驗室模擬運輸過程中振動對西瓜的損傷，評估了振動參數(shù)(如頻率、加速度、持續(xù)時間)和西瓜在箱中的位置對其損傷的不同影響。Van等［17］運用離散元素法(DEM)模擬箱裝蘋果在不同層次的損傷情況，發(fā)現(xiàn)最底層水果損傷程度最嚴重。有關(guān)果蔬在運輸過程中達到共振頻率是否更能引起損傷的研究數(shù)據(jù)并不充足。周然等［18］分析了水果實際運輸過程中振動狀況及損傷，檢測了不同路況下鋼片彈簧懸架系統(tǒng)的卡車運輸黃花梨過程中車廂前后垂直振動，并比較了卡車車廂內(nèi)不同裝載位置梨的損傷情況。盧立新等人［19］通過模擬實際公路運輸工況，對不同包裝方式(瓦楞紙板襯墊、隔檔及網(wǎng)罩)包裝的梨果實的受損情況進行測試，從而優(yōu)化包裝材料。

1.3 沖擊損傷特性

果蔬的沖擊損傷主要表現(xiàn)在果蔬所受到的碰撞和跌落沖擊，沖擊對果蔬造成的損傷是由于作用在果蔬上的沖擊力超過了果蔬自身的強度。一般是由從高處跌落或果蔬間相互碰撞、受外界敲擊作用等產(chǎn)生的沖擊。碰撞和跌落損傷程度依果蔬跌落高度、碰撞能量、碰撞次數(shù)、碰撞或跌落時其表面特性和果蔬的成熟度及大小的不同而異［20］。一般在研究果蔬的碰撞和跌落損傷時，是通過振動實驗或是跌落實驗，分析碰撞過程中損傷體積與吸收能量、最大加速度、襯墊厚度、碰撞時間等因素的關(guān)系，建立相關(guān)模型并分析模型中各參數(shù)與損傷特性的關(guān)系。

澳大利亞學(xué)者Schoorl等［21］對蘋果碰撞進行了長期的研究，提出了著名的蘋果損傷能量原理。他們認為蘋果的損傷體積與其所吸收的能量成正比，吸收的能量造成了機械損傷。這樣便可通過損傷體積與碰撞能量(或吸收能量)的比率來確定果蔬的損傷程度。李小昱［22］對蘋果碰撞損傷進行了研究，發(fā)現(xiàn)蘋果碰撞后，兩個蘋果的總損傷體積與吸收能量線性相關(guān)，而單個蘋果的損傷體積與碰撞中的吸收能量不存在相關(guān)性。桑永英等人［23］對馬鈴薯碰撞損傷實驗研究，通過拉伸實驗確定馬鈴薯果肉和果皮的力學(xué)參數(shù)，結(jié)合數(shù)值模擬方法應(yīng)用有限元分析得到的碰撞損傷結(jié)果與機械碰撞實驗結(jié)果基本一致。研究一種或多種果蔬在不同跌落高度下的損傷情況，其損傷的敏感性因品種而異。張連文等［24］通過對裝有櫻桃番茄運輸包裝件進行面跌落、棱跌落和角跌落試來評定運輸包裝件在受到垂直方向沖擊時的耐沖擊強度及包裝件對櫻桃番茄的保護能力，確定其最大允許跌落高度為580mm。Pasini等［25］認為富士蘋果比嘎啦果更易受機械沖擊的影響。盧立新等人［26］跌落沖擊實驗機分別對單個與多層蘋果進行跌落實驗時，除發(fā)現(xiàn)四層蘋果跌落時，蘋果總損傷體積與其吸收能量之間仍成線性關(guān)系之外，還測定出單層蘋果與其吸收的能量間不存在線性關(guān)系。吳杰等人［27］為了揭示梨果實的碰撞損傷機理，采用Prescale感壓膠片對香梨果實在不同跌落高度與4種材料觸件碰撞時的接觸應(yīng)力進行測量，并分析了其分布規(guī)律，確定接觸應(yīng)力分布與香梨果實損傷之間的關(guān)系。

2 機械損傷的其他影響因素

溫度、成熟度、水分含量及貯藏時間等因素對果蔬機械損傷也有不同程度的影響。但不同的研究人員在對這些因素進行研究時往往會出現(xiàn)差異性。在早期研究中，Klein［28］認為隨貯藏時間的延長，果蔬發(fā)生機械損傷的程度減小，而 Brusewitz和 Bartsch［29］則認為單位損傷體積所造成的碰撞能量的改變隨貯藏時間的延長而增大。Shahbazi等［30］利用碰撞損傷評估儀分析了萊豆機械損傷相關(guān)特性，結(jié)果表明沖擊速率、種子的水分含量和種子沖擊取向會影響萊豆1%的機械損傷程度，并得出它們之間的數(shù)學(xué)表達式。Su等［31］指出蘋果組織成熟度與其受機械損傷后的愈傷能力也有密切的聯(lián)系，隨著蘋果成熟度增加，其機械損傷后誘導(dǎo)產(chǎn)生愈傷組織的能力增加;而Anuar等［32］認為隨著番木瓜果實的成熟度提高，其因機械損傷后的愈傷能力反而下降。Van［33］認為蘋果的硬度與其機械損傷正相關(guān)，而曲率半徑對其損傷程度的影響視碰撞強度而定。Pasini［25］認為施肥方法影響著富士蘋果和嘎啦果的損傷敏感性Domingo［34］通過測定相關(guān)指標(CO2產(chǎn)生量、失重程度、硬度及顏色)的有關(guān)變化，認為采后強制通風(fēng)處理能保持杏品質(zhì)，并在一定程度上能減輕其機械損傷程度。Ferreira［35］研究了受不同外力作用的草莓機械損傷程度與其在收獲時期冷卻手段及果實溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨果實溫度的降低(果實溫度在1～24℃之間)，比起靜重載荷作用，草莓更易受到?jīng)_擊載荷作用而產(chǎn)生損傷。

3 機械損傷的研究展望

研究果蔬的機械損傷尤其是采后機械損傷對于減少果蔬采后損耗意義重大。目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了一定的研究并取得一定的成果與進展，但也存在著許多尚待研究的問題。

a.目前果蔬機械損傷的研究對象種類較少，主要集中在一些抵抗能力較強的產(chǎn)品，其中最多的就是以蘋果作為研究對象。由于不同的果蔬間的差異性，得出的結(jié)論也只適用于所研究的具體果蔬，如果要得到一般性結(jié)論，則要加大果蔬的研究范圍，特別是針對大量易產(chǎn)生機械損傷的漿果類水果的振動特性和減損包裝的研究力度要加大。b.果蔬在運輸過程中的機械損傷情況很復(fù)雜，不僅有靜重載荷的作用，還有不同形式的運動載荷的作用，而目前大多的研究只是針對其中具體一種外力作用形式進行研究，所得結(jié)論與實際真正的情況間存在差異。應(yīng)更加深入研究不同形式作用力間的相互關(guān)系，考察多種載荷形式影響下的果蔬機械損傷情況。c.果蔬的機械損傷是在外載力作用下果蔬內(nèi)部發(fā)生了一系列變化所致。因此，宏觀上的機械損傷情況與其微觀細胞組織間的關(guān)系密切，從損傷信號傳導(dǎo)和響應(yīng)的調(diào)控研究機械損傷的機制更有利于揭示果蔬機械損傷的本質(zhì)因素。d.果蔬的機械損傷檢測方法可以通過建立果蔬的力學(xué)指標(如彈性模量)、共振頻率與其損傷程度間的關(guān)系，設(shè)計靈敏便攜式損傷檢測儀來對不易感官判斷的損傷果蔬進行檢測，而不只是將損傷檢測技術(shù)局限在有關(guān)光譜影像技術(shù)上。e.損傷預(yù)測和評價往往因標準不同而無法在不同果蔬間進行相關(guān)比較，因而很有必要建立一個統(tǒng)一的損失預(yù)測和評價系統(tǒng)。

［1］Van Zeebroeck M，Van linden V，Ramon H，et al.Impact damage of apples during transport and handling［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，45(2):157-167.

［2］Van Linden V，De Baerdemaeker J.The phenomenon of tomato bruising:where biomechanics and biochemistry meet［J］.Acta Horticulture，2005，682:925-932.

［3］錢驍，李丹，田會清，等.京城果蔬商戶降低物流損耗方法分析［J］.中國食物與營養(yǎng)，2012，18(1):49-53.

［4］李曉娟，孫誠，宋海燕.果品機械損傷及運輸包裝的研究［J］.中國包裝，2007，27(5):83-86.

［5］何曼君.高分子物理［M］.上海:上海復(fù)旦大學(xué)出版社，1990.

［6］楊曉清，王春光.河套蜜瓜靜載蠕變特性的實驗研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(3):202-207.

［7］Bernadeth B，Surjadinata，Luis Cisneros-Zevallos.Biosynthesis of phenolic antioxidants in carrot tissue increases with wounding intensity［J］.Food Chemistry，2012，134:615-624.

［8］陳燕，蔡偉亮，鄒湘軍，等 .荔枝鮮果擠壓力學(xué)特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，28(7):134-137.

［9］Studman1 C J，Geyer M.Modelling the load distribution of stacked apples and other spherical objects［J］.Biosystems Engineering，2002，82(1):65-72.

［10］盧立新，王志偉.果品運輸中的機械損傷機理及減損包裝研究進展［J］.包裝工程，2004，25(4):131-134，141.

［11］楊曉清，陳忠軍，朱麗靜.蘋果梨靜載機械特性的研究［J］.食品科學(xué)，2007，28(8):90-93.

［12］劉迎雪，盧立新.振動對小番茄生理特性的影響［J］.包裝工程，2007，28(6):20-21，46.

［13］Jarimopas B，Singh S P，Saengnil W.Measurement and analysis of truck transport vibration levels and damage to packaged tangerines during transit［J］.Package Technology and Science，2005，18(4):179-188.

［14］Berardinelli A，Donati V.Damage to pears caused by simulated transport［J］.Journal of Food Engineering，2005，66(2):219-226.

［15］張蕾，張琳.三種不同緩沖包裝結(jié)構(gòu)對油桃品質(zhì)的影響［J］.包裝工程，2005，26(6):25-27.

［16］Shahbazi F，Rajabipour A，Mohtasebi S，et al.Simulated intransit vibration damage to watermelons［J］.Agricultural Science and Technology，2010，12(1):23-24.

［17］Van Zeebroeck M，Tijskens E，Dintwa E，et al.The discrete element method(DEM)to simulate fruit impact damage during transport and handling:case study of vibration damage during apple bulk transport［J］.Postharvest Biology and Technology，2006，41(1):92-100.

［18］周然，蘇樹強，李云飛.果蔬運輸振動頻譜檢測分析及對水果損傷的研究［J］.包裝工程，2007，28(10):76-79.

［19］盧立新，黃祥飛，華巖.基于模擬運輸條件的梨果實包裝振動損傷研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(6):110-114.

［20］Blahovec J，Paprstein F.Susceptibility of pear varieties to bruising［J］.Postharvest Biology and Technology，2005，38(3):231-238.

［21］Walker R J，Schoorl D，Holt J E.The vibration bruising of apples［C］.Conference of Agriculture Engineering，1978，8:25-34.

［22］李小昱，王為.蘋果之間碰撞損傷的研究［J］.西北農(nóng)林大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1995，23(3):83-87.

［23］桑永英，張東興，張梅梅.馬鈴薯碰撞損傷實驗研究及有限元分析［J］.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，13(1):81-84.

［24］張連文，楊傳民，王勇，等.櫻桃番茄運輸包裝件振動沖擊性能實驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(3):125-130，155.

［25］Pasini L，Ragni L，Rombola A D，et al.Influence of the fertilization system on the mechanical damage of apples［J］.Biosystems Engineering，2004，88(4):441-452.

［26］盧立新，李春飛.單層與多層蘋果跌落沖擊損傷研究［J］.包裝工程，2006，27(6):1-3.

［27］吳杰，郭康權(quán)，葛云，等.香梨果實跌落碰撞時的接觸應(yīng)力分布特征［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(1):25-29.

［28］Klein J D.Relationship of harvest date，storage conditions and fruit characteristics to bruise susceptibility［J］.Hortscience，1987，112(1):113-118.

［29］Brusewitz G H，Bartsch J A.Impact parameters related to post harvest bruising of apples［J］.Trans ASAE，1989，32(3):953-957.

［30］ Shahbazi Feizollah，Analooei Mohamad，Saffar Ali.Mechanical damage to pinto bean seeds as affected by moisture content，impact velocity and seed orientation［J］.International Journal of Food Engineering，2011，7(6):111-117.

［31］Jing Su，Kang Tu，Lei Cheng，et al.Wound-induced H2O2and resistance to Botrytis cinerea decline with the ripening of apple fruit［J］.Postharvest Biology and Technology，2011，62:64-70.

［32］Anuar N S，Zahari S S，Taib I A，et al.Effect of green and ripe carica papaya epicarp extracts on wound healing and during pregnancy［J］.Food and Chemical Toxicology，2008，46(7):2384-2389.

［33］Van Zeebroeck M，Van Linden V，Darius P，et al.The effect of fruit factors on the bruise susceptibility of apples［J］.Postharvest Biology and Technology，2007，46(1):10-19.

［34］Martinez-Romero D，Castillo S，Valero D.Forced-air cooling applied before fruit handling to prevent mechanical damage of plums［J］.Postharvest Biology and Technology，2003，28:135-142.

［35］Ferreira M D，Sargent S A.Strawberry Bruising Sensitivity Depends on the type of force applied，cooling method，and pulp temperature［J］.Hortscience，2009，44:1953-1956.