馮 哲 吳 杰（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.教育部綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化工程研究中心，新疆 石河子 832003）

近年來，中國(guó)蘋果產(chǎn)量逐年遞增［1］，據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)［2］，2012年中國(guó)蘋果產(chǎn)量達(dá)3 800萬t，居世界首位，占世界總產(chǎn)量的63.3%。然而，蘋果成熟后在采摘、包裝、分級(jí)等自動(dòng)化和機(jī)械化作業(yè)環(huán)節(jié)中不可避免受到靜載作用而發(fā)生機(jī)械損傷，造成果品損耗率達(dá)到30%以上［3，4］。因此，有必要開展蘋果靜壓接觸損傷規(guī)律研究，為各作業(yè)機(jī)具減損設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)。

研究表明，損傷面積是評(píng)估果實(shí)損傷程度和外觀品質(zhì)分級(jí)的重要依據(jù)［5，6］，而損傷面積又與果實(shí)受載時(shí)的接觸應(yīng)力分布有直接關(guān)系［7］。早期，果品受載時(shí)的接觸應(yīng)力分布采用Hertz彈性接觸公式進(jìn)行計(jì)算，但是果實(shí)的各向異性和粘彈特性使得測(cè)量結(jié)果誤差較大［8］。隨后，有學(xué)者分別采用柔性薄膜網(wǎng) 格 壓 力 傳 感 器［9］、I－Scan50測(cè) 試 系 統(tǒng)［10］和 超 聲 波 技術(shù)［11］對(duì)果品受載時(shí)的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量，但柔性薄膜網(wǎng)格壓力傳感器準(zhǔn)確標(biāo)定較困難；I－Scan50測(cè)試系統(tǒng)和超聲波技術(shù)所獲得的接觸應(yīng)力存在一定的偏差，不能真正反映接觸應(yīng)力的實(shí)際大小。近年來，隨著微膠囊顆粒緩釋控制技術(shù)的快速發(fā)展，感壓膠片測(cè)量技術(shù)以非破壞式的力學(xué)測(cè)量方法，可同時(shí)滿足靜載和動(dòng)載下各種接觸面間應(yīng)力分布的測(cè)量，并以可讀性很強(qiáng)的二維/三維彩色圖像顯示應(yīng)力分布的特征輪廓。這一測(cè)試方法很快在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［12，13］。最近，開始出現(xiàn)感壓膠片測(cè)量分析果實(shí)受載時(shí)接觸應(yīng)力分布的報(bào)道［14，15］，但是接觸應(yīng)力分布的面積與果肉損傷面積的關(guān)系，哪部分造成果肉組織破壞的失效應(yīng)力的分布面積更接近損傷面積，以及接觸應(yīng)力的均值或峰值是否是造成果肉損傷的主要原因仍需要進(jìn)一步探究，這也是實(shí)現(xiàn)果實(shí)損傷面積估測(cè)的重點(diǎn)。

本研究擬采用圖像處理技術(shù)對(duì)蘋果靜壓接觸損傷面積進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)采用感壓膠片測(cè)量分析蘋果靜壓接觸應(yīng)力分布特性，以明確應(yīng)力面積與損傷面積的關(guān)系，確定最接近損傷面積的應(yīng)力范圍，實(shí)現(xiàn)蘋果靜壓接觸損傷面積的準(zhǔn)確估測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

紅富士蘋果：采自新疆阿克蘇紅旗坡農(nóng)場(chǎng)同一果園，采樣期在2013年10月15日（蘋果成熟期），人工采摘，剔除有病蟲害、雹傷的蘋果及畸形果，其基本物性參數(shù)見表1。采后迅速冷藏，冷藏溫度為（2±1）℃，相對(duì)濕度（90±5）%。試驗(yàn)前將蘋果試樣取出，在室溫環(huán)境下放置24h。

表1 蘋果試樣的基本物性參數(shù)Table 1 Physical properties of apple sample

1.1.2 主要儀器設(shè)備

壓力圖像數(shù)字化分析系統(tǒng)：FPD－8010E型，日本Fuji公司；

CCD專用掃描儀：PerfectionTMV300Photo型，日本Epson公司；

數(shù)顯果實(shí)硬度計(jì)：FT－327型，意大利BREUZZI公司；

糖度計(jì)：PR－101型，日本ATAGO公司；

數(shù)顯曲率半徑儀：RG512C5型，桂林市晶瑞電子有限責(zé)任公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：GZX－9140MBE型，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 方法

1.2.1 蘋果靜壓試驗(yàn) 試驗(yàn)時(shí)，將蘋果試樣放置在兩平行鋼板間進(jìn)行靜載壓縮，平板與蘋果赤道部接觸。根據(jù)文獻(xiàn)［10］，紅富士蘋果果肉屈服應(yīng)力臨界值在40～100N，本研究預(yù)備試驗(yàn)中蘋果在50～60N時(shí)開始損傷，因此本研究選取壓力水平為50，52，54，56，58，60，70，80，90，100N。為了避免接觸位置曲率半徑對(duì)蘋果受載損傷面積的影響［16，17］，本研究保持蘋果受壓時(shí)接觸位置曲率半徑為（35.00±1.34）mm。每個(gè)水平試驗(yàn)重復(fù)10次。

1.2.2 蘋果靜壓接觸應(yīng)力分布的測(cè)量方法 感壓膠片的測(cè)量原理見參考文獻(xiàn)［7］。壓縮時(shí)，將感壓膠片固定于平板與蘋果的接觸表面，保壓時(shí)間300s。測(cè)量時(shí)環(huán)境溫度保持20～35℃，相對(duì)濕度35%～80%。如圖1所示，靜壓試驗(yàn)后，采用掃描儀和顏色校正板對(duì)感壓膠片進(jìn)行掃描處理，讀取接觸應(yīng)力分布特征圖，圖像分辨率為0.125（200dpi）。然后采用FPD－8010E壓力圖像數(shù)字化分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值解析，將結(jié)果導(dǎo)入繪圖軟件Surfer 9進(jìn)行平滑處理，獲得接觸應(yīng)力值以及應(yīng)力分布范圍。

圖1 蘋果靜壓接觸應(yīng)力分布圖的處理Figure 1 Mapping of contact pressure distribution for apple under compression

1.2.3 果實(shí)損傷部位褐變處理及損傷面積測(cè)量方法 正常狀態(tài)下，細(xì)胞內(nèi)多酚氧化酶（PPO）與細(xì)胞器內(nèi)膜結(jié)合，受細(xì)胞膜保護(hù)和控制。當(dāng)果蔬受到機(jī)械損傷時(shí)，受損部位細(xì)胞膜發(fā)生破壞，氧氣侵入，質(zhì)體內(nèi)多酚類物質(zhì)在大量被激活的PPO的催化作用下促使醌的形成和積累，醌進(jìn)一步氧化聚合形成褐色素而引起組織褐變，即酶促褐變。酶促褐變進(jìn)程受空氣和反應(yīng)環(huán)境的pH值影響，研究［18］發(fā)現(xiàn)大多PPO活性最適宜pH范圍為6.0～7.4。因此，調(diào)節(jié)pH值可加快受損部位酶促褐變反應(yīng)，以獲得果實(shí)損傷部位明顯的褐變區(qū)域。

如圖2所示，根據(jù)上述果實(shí)褐變機(jī)理，將蘋果試樣受壓部位去皮，然后完全浸泡于10%pH 7.1的NaHCO3溶液4h，使損傷部位充分褐變并形成明顯邊界，然后取出后用吸水紙去除表面多余的溶液。隨后采集損傷區(qū)域的圖像，將其導(dǎo)入MATLAB R2008a進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換和形態(tài)學(xué)運(yùn)算，提取損傷輪廓區(qū)域，最后采用bwarea算法計(jì)算輪廓面積，得到蘋果靜壓損傷面積。

圖2 蘋果靜壓損傷區(qū)域的褐變處理及輪廓提取過程Figure 2 Process of apple enzymatic browning treatment and bruise contour extraction

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果靜壓損傷與應(yīng)力分布的特征分析

圖3 蘋果靜壓損傷與應(yīng)力分布的特征Figure 3 Characterizing bruise and contact pressure for apple under compression

不同壓力下蘋果接觸時(shí)的損傷和接觸應(yīng)力分布的輪廓特征見圖3。蘋果靜壓接觸損傷輪廓接近橢圓形，但邊緣的不規(guī)則也很明顯，因此以往果實(shí)損傷研究中采用橢圓形假設(shè)測(cè)量計(jì)算損傷面積一定存在不同程度的誤差。此外，蘋果損傷區(qū)域局部有點(diǎn)狀或成片的白色分布，這可能是蘋果表面的凹陷引起接觸不充分，使該部位果肉組織僅發(fā)生輕微褐變損傷甚至未發(fā)生損傷。

從不同壓力下蘋果接觸應(yīng)力分布特征圖觀察可以看出，應(yīng)力分布輪廓更趨近于橢圓形，但與其對(duì)應(yīng)壓力下的損傷面積輪廓并不吻合，應(yīng)力分布的區(qū)域明顯要高于損傷區(qū)域，可以觀察到較低應(yīng)力（＜0.10MPa）主要分布在應(yīng)力分布的邊緣且面積很小，這很可能是未造成蘋果損傷的應(yīng)力分布區(qū)域。由于感壓膠片對(duì)材料表面的粗糙程度反應(yīng)敏感，蘋果表面直觀上存在不同程度凹凸使應(yīng)力分布區(qū)域內(nèi)部仍然會(huì)有零星分布的較低應(yīng)力，這也與蘋果受壓所表現(xiàn)出的類似損傷特征相一致。

2.2 蘋果靜壓接觸應(yīng)力分布特性分析

由圖4可知，蘋果靜壓時(shí)的應(yīng)力均值隨壓力變化很小，主要在0.26～0.31MPa波動(dòng)。說明，蘋果的應(yīng)力均值對(duì)損傷面積無影響，換而言之，蘋果的損傷面積與應(yīng)力均值無直接關(guān)系。

圖4 蘋果靜壓接觸應(yīng)力均值隨壓力的變化Figure 4 Change of average pressure of apple with increasing compressive loads

由圖5可知，不同范圍的接觸應(yīng)力分布具有正態(tài)分布的特征。＜0.10MPa的低應(yīng)力和≥0.50MPa的高應(yīng)力的面積都很小，其中，＜0.10MPa的應(yīng)力分布面積均值為16.9mm2，與接觸應(yīng)力面積和損傷面積間的差值非常接近，進(jìn)一步暗示，主要分布在受壓邊緣＜0.10MPa的應(yīng)力面積應(yīng)該反映了蘋果果肉未發(fā)生損傷的區(qū)域；≥0.50MPa的應(yīng)力分布面積僅為1～13mm2，只在受壓區(qū)域零星分布，這應(yīng)該是蘋果表面的凸起所引起局部較大應(yīng)力，并不是造成蘋果損傷的主要原因。相比較而言，0.20～0.40MPa的應(yīng)力面積分布始終最大，占應(yīng)力總面積的72%，構(gòu)成了蘋果褐變損傷的主要區(qū)域。

圖5 蘋果不同壓力時(shí)的接觸應(yīng)力分布Figure 5 Contact pressure distribution of apple under different compressive loads

2.3 蘋果靜壓損傷面積與應(yīng)力面積的關(guān)系

由圖6可知，當(dāng)壓力≤52N時(shí)，蘋果雖存在一定的接觸應(yīng)力面積但無損傷，這是因?yàn)樘O果表面盡管出現(xiàn)較小的壓陷，只是果肉彈性變形的反映，而其果肉細(xì)胞卻未發(fā)生破裂，因而無法釋放酚類物質(zhì)使受壓部位果肉發(fā)生酶促褐變。但當(dāng)壓力達(dá)到54N時(shí)，蘋果卻在應(yīng)力面積未出現(xiàn)劇增的情況下，受壓部位出現(xiàn)酶促褐變而形成肉眼可辨的較大損傷，表明54N壓力時(shí)蘋果果肉細(xì)胞已發(fā)生破裂。根據(jù)54N壓力及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布面積計(jì)算可知，此時(shí)蘋果果肉的平均應(yīng)力為0.29MPa，該值很可能就是蘋果果肉失效或細(xì)胞破裂的失效應(yīng)力，這也與Chakespari等［19］獲得的蘋果組織靜壓破裂應(yīng)力值較為接近。此外，從蘋果損傷面積與接觸應(yīng)力面積隨壓力變化趨勢(shì)比較可以看出，兩趨勢(shì)線近乎于平行，蘋果應(yīng)力總面積高出其損傷面積9%，其間距所表示的接觸應(yīng)力面積和損傷面積差值約為19.2mm2，與上一節(jié)分析中＜0.10MPa應(yīng)力分布的平均面積完全一致。由表2可知，分別采用≥0.05，≥0.10，≥0.15，≥0.20MPa的應(yīng)力面積來估測(cè)蘋果損傷時(shí)，≥0.10MPa的應(yīng)力面積最接近蘋果損傷面積，平均相對(duì)誤差率僅為1.66%，這與本課題組［7］采用≥0.20MPa的應(yīng)力面積估測(cè)香梨靜壓損傷面積的誤差要低得多，圖7的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也進(jìn)一步表明，蘋果靜壓損傷面積與≥0.10MPa的應(yīng)力面積呈高度線性正相關(guān)（R2＝0.99），應(yīng)力面積（A）與損傷面積（AP≥0.10）的關(guān)系為：A＝ 0.98AP≥0.10＋1.95。

圖6 不同壓力下蘋果損傷面積與應(yīng)力面積Figure 6 Changes of bruise area and contact pressure area of apple with increasing compressive loads

表2 應(yīng)力面積與損傷面積結(jié)果比較Table 2 Comparisons of contact pressure area with bruise area

圖7 接觸應(yīng)力面積與損傷面積的關(guān)系Figure 7 Relationship between contact pressure area of≥0.10MPa and bruise area

綜上所述，蘋果果肉失效的平均應(yīng)力為0.29MPa，但損傷面積已超出了0.29MPa的應(yīng)力分布范圍，達(dá)到了0.10MPa的，可能是果肉在0.29MPa應(yīng)力作用下發(fā)生破裂后，會(huì)導(dǎo)致周圍相鄰組織的潰塌或破裂，而引起褐變的酚類物質(zhì)的釋放則會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)這種擴(kuò)散效應(yīng)，只有＜0.10MPa應(yīng)力范圍的果肉組織可能相對(duì)完整，未受酚類物質(zhì)褐變作用。從這些分析充分說明，蘋果果肉在受壓邊緣＜0.10MPa范圍的應(yīng)力區(qū)域內(nèi)未發(fā)生褐變損傷，只有≥0.10MPa的應(yīng)力面積才是蘋果實(shí)際損傷區(qū)域。

3 結(jié)論

蘋果靜壓時(shí)，當(dāng)壓力達(dá)到54N時(shí)開始出現(xiàn)酶促褐變損傷，果肉失效或細(xì)胞破裂的失效應(yīng)力為0.29MPa。蘋果靜壓接觸時(shí)的應(yīng)力均值與其損傷面積無直接關(guān)系；≥0.50MPa的應(yīng)力分布面積極小，不是造成蘋果損傷的主要原因，0.20～0.40MPa的應(yīng)力分布占72%，是蘋果損傷的主要區(qū)域。蘋果靜壓接觸應(yīng)力總面積比其實(shí)際損傷面積高出9%，≥0.10MPa的應(yīng)力面積最接近蘋果損傷面積，可采用回歸方程A＝0.98AP≥0.10＋1.95對(duì)蘋果靜壓損傷面積精確估測(cè)，平均誤差僅為1.66%，這可為蘋果靜壓損傷面積的有限元準(zhǔn)確模擬預(yù)測(cè)提供重要依據(jù)。

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