陳 紅，尹伊君，潘海兵，鮑秀蘭，李善軍，徐勤超，徐翔宙

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

0 引 言

在采收、貯運和采后處理中，無論是手工或是機械，均會對柑橘果實造成一定程度的機械損傷，而成熟的寬皮柑橘果皮柔軟易裂，表皮油胞易擦傷，一旦受到傷害，容易誘使各種病原體入侵，使采后腐爛損壞率大大上升[1-4]。

果實在采收和采后處理中，常見的機械損傷形式主要分為擠壓損傷、跌落損傷和振動損傷等。近年來，對于果實擠壓損傷，側(cè)重在機械采摘方向進行研究[5-7]，如李智國等探究了在不同指面類型、指面材料、夾持位置、壓縮率和加載速度等試驗條件下的不同結(jié)構(gòu)番茄的力學(xué)特性和機械損傷變化，通過加卸載試驗建立了番茄的Logistic抓取損傷概率模型[8-10]；對于跌落損傷，常側(cè)重于跌落后損傷情況及預(yù)測進行研究[11-15]，如吳杰等探究了梨的跌落碰撞損傷機理，基于接觸應(yīng)力分布面積和應(yīng)力均值建立了香梨損傷面積預(yù)測模型，可對香梨碰撞損傷精確評估[16-18]；對于振動損傷，常側(cè)重于運輸條件進行研究[19-21]，如Fadiji、李春飛等對箱裝蘋果進行了模擬運輸振動試驗，探究了振動加速度、緩沖包裝結(jié)構(gòu)、箱內(nèi)果品放置層數(shù)等因素對果實機械損傷的影響[22-24]。

對于柑橘機械損傷的研究大多側(cè)重于不同儲藏條件對柑橘的貯藏品質(zhì)和力學(xué)特性的影響[25-28]，不同于蘋果、梨等可以采用損傷面積和損傷體積定量確定果實損傷程度[13,29-31]，目前尚無一種較好的方法定量地確定柑橘果實損傷程度以及定性地評判柑橘果實是否損壞。

本文基于果實質(zhì)量損失和細胞膜滲透變化的規(guī)律，旨在研究寬皮柑橘在采收和采后處理中的機械損傷特性；建立寬皮柑橘機械損傷評價方法；探討不同材料在擠壓、跌落和振動等受載情況下的減損效果。以期為寬皮柑橘采收和采后處理中的有關(guān)裝備設(shè)計和減損防護提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗所用的寬皮柑橘為2016年12月采自武漢市江夏區(qū)寧港柑橘總場的中熟溫州蜜柑（成熟期為11月中下旬）。柑橘橫徑55～70 mm，高度45～55 mm，果實完全成熟，表面完全呈橙黃色，成熟度一致，無破損，無病蟲害。

在果蔬采收和采后處理中，常用的緩沖材料有膠合板、瓦楞紙、EPS和HDPE[17,20-21,32-34]，其在厚度方向上的材料特性參數(shù)經(jīng)實測，如表 1所示。根據(jù)不同受載場合，結(jié)合實際情況，比較了不同緩沖材料對柑橘果實的減損效果。其中，擠壓試驗和跌落試驗，采用膠合板、瓦楞紙和EPS進行減損比較測試；而振動試驗，采用膠合板、瓦楞紙、EPS和HDPE進行測試。

表1 減損材料特性Table 1 Properties of cushioning material

試驗設(shè)備有 TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀（美國 FTC公司）、DDSJ-308A電導(dǎo)率測定儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）、CX-I2000電子秤（東莞市南城長協(xié)電子制品廠）、JB-3恒溫定時攪拌器（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）、DK-98-II電子萬用爐（天津市泰斯特儀器有限公司）、柑橘跌落試驗平臺（自制）等。

1.2 試驗方法

1.2.1 寬皮柑橘機械損傷評價指標

損傷后的果蔬，細胞發(fā)生破裂，蒸騰作用和呼吸作用急劇上升，造成果蔬內(nèi)部水分大量流失，失重率增加。通過測定質(zhì)量損失率，可以衡量果蔬整體受損情況。采用稱量法，比較貯藏期前后的質(zhì)量變化可以測定這一指標，計算公式見式（1）：

式中ωM為質(zhì)量損失率，%；M0為果實初始質(zhì)量，g；Mt為果實現(xiàn)質(zhì)量，g。

果蔬細胞膜通透性的變化反映果蔬抗逆性強弱或受到傷害的程度[35-37]。通過測定果蔬組織浸提液或外滲液的電導(dǎo)率，可以衡量受損組織的局部受損情況。一般利用相對電導(dǎo)率表示細胞膜滲透率以及細胞膜受到傷害的程度。參考曹建康等的方法[38]，取厚薄均勻大小一致的組織圓片（15 mm）10片，放入盛有25 mL的純水錐形瓶中，攪拌1 min后將水倒去，在用純水按上述方法清洗3次，并用濾紙片吸干組織圓片上的水分，把組織圓片放入錐形瓶中準確加入純水至 25 mL，在攪拌器中攪拌30 min，在20～25 ℃恒溫條件下，用DDSJ-308A電導(dǎo)率測定儀測定活組織提取溶液的電導(dǎo)率（L1，ms/cm）。再將含有組織圓片的錐形瓶煮沸15 min，加熱殺死組織圓片，冷卻至室溫（20±5 ℃），準確加入純水至25 mL，再測定經(jīng)煮沸被殺死組織提取溶液的電導(dǎo)率（L0，ms/cm），重復(fù)3次。果皮組織浸提液電導(dǎo)率的計算見式（2）：

由預(yù)試驗可知，在室溫常壓（20±5 ℃，1.013×103MPa）下，受損的柑橘貯藏一段時間后（7 d以上），其質(zhì)量損失率及細胞膜相對滲透率與正常無損的果實相比存在差異，故將其列為衡量寬皮柑橘機械損傷的評價指標。

室溫常壓貯藏7或14 d后，表面正常無損柑橘能繼續(xù)貯藏，參與鮮銷或采后深加工等商品化環(huán)節(jié)，故視其為“未損壞”的一類，測算其質(zhì)量損失率及細胞膜相對滲透率，試驗重復(fù)10個，作為正向空白對照；損傷裂痕及瘀傷明顯的柑橘，不能繼續(xù)貯藏以及參與后續(xù)商品化處理環(huán)節(jié)，故視其“已損壞”的一類，測算其質(zhì)量損失率及細胞膜相對滲透率，試驗重復(fù)10個，作為負向空白對照；寬皮柑橘機械損傷試驗中，針對擠壓、跌落和振動等受載情況進行研究，以受機械損傷后的柑橘為研究對象，測算其質(zhì)量損失率及細胞膜相對滲透率，每組試驗重復(fù)10個（次），利用其與對照組之間的差異性，評估寬皮柑橘機械損傷程度、損壞情況和不同材料的減損效果。

1.2.2 寬皮柑橘機械損傷試驗

探究擠壓、跌落、振動等不同情況下寬皮柑橘機械損傷規(guī)律。

1）擠壓試驗

如圖1a所示，基于TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀的定載壓縮試驗探究擠壓對柑橘機械損傷的影響。以緩沖材料和擠壓載荷為試驗因素。試驗前對柑橘進行編號，并測量柑橘質(zhì)量。本試驗質(zhì)構(gòu)儀采用50 mm圓盤擠壓探頭，選用蠕變試驗程序。

①擠壓定載荷。設(shè)置儀器各參數(shù)如下：測前速率30 mm/min，測試速率60 mm/min，測后速率300 mm/min；觸發(fā)值0.01 N，蠕變時間120 s。以擠壓定載荷為試驗因素，加載力分別設(shè)定為10、30、50 N，壓縮方式為縱向壓縮，壓縮部位為頂部。為了排除不同加載方向?qū)υ囼灥母蓴_，加測1組橫向壓縮50 N，壓縮部位為赤道部。將柑橘置于室溫中貯藏7 d后，再測算其質(zhì)量損失率及相對滲透率。

②緩沖材料。以緩沖材料為試驗因素，將不同緩沖包裝材料分組放置在柑橘下（如圖1a）。試驗前，先設(shè)置儀器各參數(shù)如下：測前速率 30 mm/min，測試速率60 mm/min，測后速率300 mm/min；觸發(fā)值0.01 N，加載力50 N，蠕變時間120 s。壓縮方式為縱向壓縮，壓縮部位為頂部。將柑橘置于室溫中貯藏7 d后，再測算其質(zhì)量損失率及相對滲透率。

2）跌落試驗

基于自行搭建的柑橘跌落試驗平臺探究跌落對柑橘機械損傷的影響，如圖1b所示。以緩沖材料和跌落高度為試驗因素。試驗前為柑橘編號，并測量柑橘質(zhì)量。

①跌落高度。柑橘跌落初速度為0，調(diào)節(jié)跌落高度分別設(shè)為90、105、120 cm進行試驗，將瓦楞紙放置在吸塵器正下方的試驗臺上（如圖1b），柑橘從吸塵器出風(fēng)口跌落至瓦楞紙上，保證其僅受一次損傷，即結(jié)束一次試驗。3組柑橘試驗完畢后，置于室溫中貯藏7 d后，再測算其質(zhì)量損失率及相對滲透率。

②緩沖材料。柑橘跌落初速度為0，調(diào)節(jié)跌落高度為105 cm。將不同緩沖包裝材料分組放置在吸塵器正下方的試驗臺上（如圖1b）。柑橘從吸塵器出風(fēng)口跌落至桌面上的緩沖材料上，保證其僅受一次損傷，即結(jié)束一次試驗。3組柑橘試驗完畢后，置于室溫中貯藏7 d后，再測算其質(zhì)量損失率及相對滲透率。

圖1 擠壓損傷試驗與跌落損傷試驗Fig.1 Compression damage test and drop damage test

3）振動試驗

在7YGD-40型自走式單軌道果園運輸機（如圖2a.）上進行整箱運輸模擬試驗（原地振動），探究振動對柑橘機械損傷的影響?？紤]的因素有不同位置（層）、不同振動時間、不同振動加速度（檔位）、不同緩沖材料。

①位置（層）。在1個瓦楞紙箱內(nèi)分別以3×3（9個）為一層（如圖2b.），排4層，所有試驗的柑橘（共3×3×4個）都編號并稱量。將紙箱放置在運輸機上讓其在最高檔 （振動加速度為1.4g，g為重力加速度9.8 m/s2）上振動1 h，在室溫中貯藏14 d后，統(tǒng)計其質(zhì)量損失率及相對滲透率。

②振動時間。在 1個瓦楞紙箱內(nèi)，以上述相同方式（3×3×4）放置柑橘36個，最底層的柑橘（共3×3個）編號并稱重，將紙箱放置在運輸機上讓其在最高檔（振動加速度為1.4 g）上振動0.5 h后，為保持上層柑橘質(zhì)量不變且底層柑橘受載一致，將最底層柑橘替換為一組新的柑橘 （共3×3個），再次振動1 h后，將最底層柑橘替換為另一組新的柑橘 （共3×3個），振動1.5 h后，試驗結(jié)束。3組柑橘在室溫中貯藏14 d后，統(tǒng)計最底層柑橘質(zhì)量損失率及相對滲透率。

③振動加速度。在 1個瓦楞紙箱內(nèi)，以上述相同方式（3×3×4）放置柑橘36個，最底層的柑橘（共3×3個）編號并稱重，將紙箱放置在運輸機上讓其在最高檔（振動加速度為1.4 g）上振動1 h后，接著將最底層柑橘替換為一組新的柑橘（共3×3個），在中間檔（振動加速度為1.15 g）上振動1 h后，接著將最底層柑橘替換為另一組新的柑橘（共3×3個），在最低檔（振動加速度為0.8 g）上振動1 h后，試驗結(jié)束。3組柑橘在室溫中貯藏14 d后，統(tǒng)計最底層柑橘質(zhì)量損失率及相對滲透率。

④緩沖材料。在 4個瓦楞紙箱內(nèi)，以上述相同方式（3×3×4） 放置柑橘各36個，最底層的柑橘（共3×3個）編號并稱重，其中 3個紙箱內(nèi)壁、每層間隔處分別墊上準備好的膠合板、EPS、HDPE，結(jié)構(gòu)如圖2c所示。將試驗樣品放置在運輸機上讓其在最高檔（振動加速度為1.4 g）上振動1 h，在室溫中貯藏14 d后，統(tǒng)計最底層柑橘質(zhì)量損失率及相對滲透率。

圖2 振動試驗Fig.2 Vibration test

1.2.3 寬皮柑橘機械損傷程度

采摘后的果實在貯藏過程中生命活動繼續(xù)進行，正常無損的果實與受到機械損傷的果實的質(zhì)量損失率和細胞膜滲透率之間存在差異。以質(zhì)量損失率和細胞膜滲透率作為指標，評判柑橘機械損傷程度時，運用決策方法中的理想點法理論[39]，定義正常完好無損的柑橘在固定貯藏時間段后的質(zhì)量損失率X和細胞膜滲透率Y為理想點I（x0, y0），令受到機械損傷后的柑橘在固定貯藏時間段后的質(zhì)量損失率和細胞膜滲透率為數(shù)據(jù)集 T（xi, yi）（i=1,2,…, N, N為試驗重復(fù)次數(shù)），由數(shù)據(jù)集T中各點到理想點I（x0, y0）的歐氏距離，定量地估計各點與理想點之間的差別，此距離即可定義為寬皮柑橘的機械損傷程度。求出各因素水平下，每組重復(fù)試驗的柑橘機械損傷程度的平均值，以綜合衡量每一因素水平下柑橘的機械損傷程度，如公式（3）：

式中d為1組被測柑橘的機械損傷程度；di為1組被測柑橘中第i個的機械損傷程度，%；xi為1組被測柑橘中第i個的質(zhì)量損失率，%；yi為1組被測柑橘中第i個的細胞膜滲透率，%。

由上述方法計算，以質(zhì)量損失和細胞膜滲透變化這2個果蔬生理特性為測算指標，比較正常無損的果實與受到機械損傷的果實之間的差異度，以此評估寬皮柑橘的機械損傷程度。以擠壓損傷為例，受擠壓損傷后的柑橘與正常無損柑橘的質(zhì)量損失和細胞膜滲透變化差異十分明顯，且 2指標與擠壓定載荷呈正相關(guān)趨勢，而計算得到的“損傷程度”與與擠壓定載荷亦呈正相關(guān)趨勢，二者變化規(guī)律基本一致，故該“損傷程度”的值能定量評判寬皮柑橘機械損傷。在跌落、振動等受載條件下也可得到相似的結(jié)論。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

運用 Excel（Microsoft Corporation, Redmond, WA,USA）軟件對試驗數(shù)據(jù)進行顯著性，LSR多重比較等統(tǒng)計分析；在Python數(shù)據(jù)科學(xué)平臺Anaconda（Anaconda, Inc,TX, USA）中，利用random模塊以實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)隨機生成模擬樣本，利用scikit-learn.neighbors子模塊，距離度量采用歐式距離，運用k近鄰法對數(shù)據(jù)進行分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 寬皮柑橘機械損傷評估

在定量評判寬皮柑橘機械損傷程度的基礎(chǔ)上，為了能夠客觀判定柑橘是否損壞，受有關(guān)柑橘品質(zhì)和視覺分類研究啟示[40,41]，結(jié)合機器學(xué)習(xí)中分類問題的知識[42,43]，以貯藏7 d后測量結(jié)果為例，具體判定步驟如下：

1）擴大訓(xùn)練數(shù)據(jù)集T0。以測得的正常無損柑橘的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定義其為正訓(xùn)練集 T1，以測得的損傷裂痕及瘀傷明顯的柑橘的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，定義其為負訓(xùn)練集T–1；假定測量指標值符合正態(tài)分布，那么有模擬正對照組X0+～N（5.75, 1.112），Y0+～N（33.92, 2.082），模擬負對照組 X0–～N（12.28, 3.222），Y0–～N（50.12, 4.692）（為方便計算，百分號已省略），按上述正態(tài)分布，正、負對照組各隨機生成1000個樣本點作為擴大后的正、負訓(xùn)練數(shù)據(jù)集 T1+，T1–。

2）驗證判定模型可行性。以實測得到的對照組數(shù)據(jù)T0*作為測試集，對上述模型進行檢驗計算，通過交叉驗證知，當(dāng)k=3時，分類預(yù)測準確率為99.95%，該判定模型模擬效果極好，如圖3所示；

圖3 柑橘機械損傷分類圖Fig.3 Classification map of citrus’ mechanical damage

3）損傷評估。受到柑橘機械損傷后的測試結(jié)果（表2和表3中平均值） 作為測試數(shù)據(jù)集T*（xj, yj）（j =1,2,…,M），采用上述判定模型，以實測的正常無損柑橘的測試結(jié)果（樣本數(shù)為10個）作為參考進行學(xué)習(xí)，交叉驗證多次測試知，當(dāng)k=3時，對測試集T*中數(shù)據(jù)進行分類判別，得到的預(yù)測結(jié)果最好。

由上述方法計算，結(jié)果如表2和表3所示，損壞預(yù)測準確率均大于80%。

該方法基于質(zhì)量損失率和細胞膜滲透率等柑橘果實采后生理特性：柑橘受機械損傷越重，細胞受損脅迫，抗逆性下降越快，損傷程度加劇。根據(jù)該方法建立了評判寬皮柑橘機械損傷情況的二分類預(yù)測模型，得到了定量與定性的損傷評估結(jié)果。該模型在統(tǒng)計學(xué)上，模擬效果極好，經(jīng)實測正向?qū)φ战M（正常無損柑橘）與負向?qū)φ战M（損傷裂痕及瘀傷明顯的柑橘）數(shù)據(jù)檢驗，分類預(yù)測準確率達99.95%。

2.2 寬皮柑橘機械損傷分析

在室溫常壓下，經(jīng)跌落或擠壓的寬皮柑橘貯藏7 d，經(jīng)振動后的寬皮柑橘貯藏 14 d，與對應(yīng)相同貯藏期的正常無損的果實相比，其質(zhì)量損失變化、細胞膜滲透變化如表2所示。

2.2.1 擠壓損傷

參考已有的柑橘壓縮試驗[44,45]，試驗時將定載荷控制在實測的柑橘的屈服極限之內(nèi)（50 N及其之下），使柑橘細胞受損，但沒有明顯的裂紋和瘀痕等宏觀機械損傷現(xiàn)象。寬皮柑橘在受到10、30和50 N定載荷縱向壓縮后，將柑橘于室溫貯藏7 d，與未損傷正向?qū)φ战M相比，質(zhì)量損失和細胞膜滲透隨定載荷增大而有上升趨勢；方差分析結(jié)果表明，擠壓定載荷對其質(zhì)量損失率、細胞膜滲透率等機械損傷程度指標有極其顯著的影響（P＜0.01）；進一步，由LSR多重比較結(jié)果表明，不同擠壓載荷下，影響寬皮柑橘損傷程度的指標差別明顯（P＜0.05），而擠壓方向?qū)ζ鋼p傷的影響不明顯（P＞0.05），可視為一類；特別地，定載荷為10 N時，與未損傷正向?qū)φ战M比較無明顯差異（P＞0.05）；預(yù)測結(jié)果顯示“橫向擠壓10 N”預(yù)測為“未損壞”的一類，推斷在不加防護措施情況下，柑橘受到的擠壓力不宜超過10 N。故建議若采用剛性機械手采摘柑橘時，所施接觸力大小亦不該超過該閾值，否則受損的概率會大大增加。

2.2.2 跌落損傷

寬皮柑橘分別從90、105和120 cm高度跌落后，將柑橘于室溫貯藏7 d，與未損傷正向?qū)φ战M相比，質(zhì)量損失和細胞膜滲透隨跌落高度增加而上升；方差分析結(jié)果表明，跌落高度對其質(zhì)量損失率、細胞膜滲透率等機械損傷程度指標有極其顯著的影響（P＜0.01）；進一步，由LSR多重比較結(jié)果表明，與正向?qū)φ战M比較，跌落所造成損傷很明顯，跌落高度大于105 cm，損傷程度十分明顯。在損傷評估中，此三水平下均預(yù)測為“損壞”的一類。初步推斷在不加防護措施情況下，柑橘跌落高度不宜大于90 cm。故建議在采摘后的輸送環(huán)節(jié)中，柑橘的單次鉛直下落高度應(yīng)控制在90 cm內(nèi)。

2.2.3 振動損傷

位置（層）。在整箱振動模擬試驗中，寬柑橘以4層堆疊，每層3×3個排布。以最高檔 （振動加速度為1.4g）振動1 h后，將柑橘于室溫貯藏14 d，與同樣于室溫貯藏14 d后的正向?qū)φ战M相比，方差分析結(jié)果表明，整箱中的位置（層）對柑橘質(zhì)量損失率、細胞膜滲透率等機械損傷程度指標影響有極其顯著的差異（P＜0.01）；進一步，由LSR多重比較結(jié)果表明，自上而下計，上2層果實比下2層果實振動受損更為嚴重，與正向?qū)φ战M比較，第2層果實受損最為嚴重（損傷程度為14.86%）。在損傷評估中，上3層均預(yù)測為“損壞”的一類，最底層預(yù)測為“未損壞”的一類。由預(yù)測結(jié)果初步推斷在在振動試驗中，不加防護措施情況下，最底層柑橘受損最小。這與前人研究整箱上層水果比下層水果振動強度高，受損程度大，有些情況下第2層果實受損最嚴重的結(jié)果相似[21-22,46-47]，而其原因可能是在振動時頂層上部自由有空隙，發(fā)生了鉛直方向上的相對較大的跳動，對第 2層水果的上部造成了沖擊碰撞。故建議在類似的柑橘裝箱運輸過程中，盡量減少堆碼層數(shù)，直接接觸堆碼的層數(shù)建議不超過 2層，對上層進行必要的緩沖保護。

表2 寬皮柑橘機械損傷Table 2 Mechanical damage of Citrus reticulate Blanco

振動時間。在整箱振動模擬試驗中，探究了振動時間對整箱中最底層柑橘振動損傷程度的影響。以最高檔（振動加速度為1.4g）對整箱最底層柑橘分別振動測試0.5 h，1 h和1.5 h后，將柑橘于室溫貯藏14 d，接著與正向?qū)φ战M相比，質(zhì)量損失和細胞膜滲透隨振動時間增加而有上升趨勢；方差分析結(jié)果表明，柑橘振動時間對柑橘質(zhì)量損失率、細胞膜滲透率等機械損傷程度指標有極其顯著的影響（P＜0.01）；進一步，由LSR多重比較結(jié)果表明，與正向?qū)φ战M比較，振動所造成損傷很明顯，特別地，振動時間不小于 1 h，損傷程度較嚴重（大于9.38%）。在損傷評估中，此三水平下均預(yù)測為“損壞”的一類。由預(yù)測結(jié)果初步推斷在在振動試驗中，不加防護措施情況下，柑橘振動時間不宜大于0.5 h。故建議在類似的柑橘裝箱運輸過程中，輸送時間不應(yīng)過長，不超過0.5 h為宜。

振動加速度。在整箱振動模擬試驗中，探究了振動時間對整箱中最底層柑橘振動損傷程度的影響。分別以最高檔（1.4g），中間檔（1.15g）和最低檔（0.8g）對整箱最底層柑橘振動測試1 h后，將柑橘于室溫貯藏14 d，接著與正向?qū)φ战M相比，質(zhì)量損失和細胞膜滲透隨振動加速度增大而有上升趨勢；方差分析結(jié)果表明，柑橘振動加速度對柑橘質(zhì)量損失率、細胞膜滲透率等機械損傷程度指標有極其顯著的影響（P＜0.01）；進一步，由LSR多重比較果表明，與正向?qū)φ战M比較，振動所造成損傷很明顯，特別地，振動加速度大于1.15g，損傷較嚴重（大于7.03%）。在損傷評估中，預(yù)測最高檔和中間檔均為“損壞”的一類，最低檔為“未損壞”的一類。由預(yù)測結(jié)果初步推斷在在振動試驗中，不加防護措施情況下，受到的振動加速度不宜超過0.8g。故建議在類似的柑橘裝箱運輸過程中，輸送應(yīng)盡可能平穩(wěn)，選用較低檔位，加速度建議不超過0.8g。

2.3 不同材料減損效果分析

擠壓。試驗結(jié)果表明在受擠壓定載荷時，不同材料對其質(zhì)量損失率影響不顯著（P＞0.05），但對細胞膜相對滲透率影響十分顯著（P＜0.01）。其中瓦楞紙減損效果最好，損傷程度為0.4%，EPS效果最差，損傷程度為18.09%。在損傷評估中，采用膠合板、瓦楞紙減損的柑橘均預(yù)測為“未損壞”的一類，采用EPS的柑橘預(yù)測為“損壞”的一類。緩沖材料一般處于彈性或彈塑性變化區(qū)，且未完全塌陷密實化階段，具有較好的減損效果[48-50]。瓦楞紙彈性模量最小，且縱向結(jié)構(gòu)疏松，易發(fā)生塑性變形，故其減損效果最好；而EPS效果最差的原因可能是其塑性較強，且其破裂在宏觀上體現(xiàn)為層狀壓潰[51-52]，而膠合板、HDPE的彈性模量比EPS大，可能在受較長時間定載荷擠壓的過程中，EPS與柑橘接觸面迅速壓潰，最終緩沖效果差。

跌落。試驗結(jié)果表明在跌落后，不同材料對其質(zhì)量損失率和細胞膜相對滲透率影響均十分顯著（P＜0.01）。其中EPS減損效果最好，損傷程度為6.46%，膠合板效果最差，損傷程度為24.07%。在損傷評估中，采用膠合板、瓦楞紙的柑橘均預(yù)測為“損壞”的一類，采用 EPS的柑橘預(yù)測為“未損壞”的一類。推測此結(jié)果可能與各緩沖材料的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，試驗所測試的EPS，密度小，材料表面結(jié)構(gòu)為泡沫顆粒熱壓后發(fā)泡而成，塑性較強，在受跌落沖擊時，泡壁破裂，顆粒內(nèi)的逸出氣體克服果實沖擊力做功，起到了有效的瞬時緩沖作用[52]，可比其它 3種表面結(jié)構(gòu)較為致密的材料吸收更多能量，起到更好的緩沖效果。

振動。試驗結(jié)果表明在受振動載荷時，不同材料對其質(zhì)量損失率影響顯著（P＜0.05），對細胞膜相對滲透率影響十分顯著（P＜0.01）。其中HDPE減損效果最好，損傷程度為4.33%，膠合板效果最差，損傷程度為10.76%。在損傷評估中，采用膠合板、瓦楞紙和EPS的柑橘均預(yù)測為“損壞”的一類，采用 HDPE的柑橘預(yù)測為“未損壞”的一類。推測在長時間振動后，瓦楞紙被柑橘壓縮塌陷，結(jié)構(gòu)發(fā)生了密實化，喪失了隔振性能[50]；EPS由于其“層狀壓潰”的特點，與柑橘的接觸面上發(fā)生了壓實現(xiàn)象，隔振性能也喪失了；反而HDPE、膠合板等密度大、彈性強的材料更合適長時間隔振減損，這一點在 2類材料的質(zhì)量損失率的差異上有所體現(xiàn)；而膠合板比HDPE減損效果差，推測是由測試所用膠合板表面比HDPE粗糙，在振動時對柑橘造成了擦傷所致，由與其接觸的細胞膜相對滲透率最高（54.35%）可以印證這一點。

綜上所述，在柑橘采收、庫藏等易受擠壓、跌落等載荷影響的環(huán)節(jié)，建議采用瓦楞紙、EPS作為緩沖材料有利于減損，在運輸?shù)纫资苷駝拥容d荷影響的環(huán)節(jié)，建議采用HDPE作為緩沖材料有利于減損。

表3 材料對寬皮柑橘機械損傷的緩沖效果Table 3 Protective effect of materials on mechanical damage of Citrus reticulate Blanco

3 結(jié) 論

基于果實質(zhì)量損失和細胞膜滲透變化的規(guī)律，探究寬皮柑橘在采收和采后處理中的機械損傷特性和不同材料在擠壓、跌落和振動等柑橘受載情況下的減損效果，可以得出以下主要結(jié)論：

1）運用機器學(xué)習(xí)問題中的k近鄰分類，基于質(zhì)量損失與細胞膜滲透變化的寬皮柑橘機械損傷二分類模型，可以定性地預(yù)測柑橘的“損壞”情況；且各受載情況下，損壞預(yù)測準確率均大于80%。

2）探究擠壓、跌落、振動等不同受載情況下，寬皮柑橘質(zhì)量損失與細胞膜滲透變化，發(fā)現(xiàn)擠壓定載荷、跌落高度、振動時所處的位置（層）、振動時間、振動加速度等因素對寬皮柑橘質(zhì)量損失率與細胞膜滲透率影響均十分顯著（P＜0.01）。結(jié)合損傷程度和預(yù)測結(jié)果顯示：為使柑橘不至于在無防護的情況下受損，受到的擠壓力不宜超過10 N；柑橘的單次鉛直跌下落高度應(yīng)控制在90 cm內(nèi)；受振動載荷時，盡量減少柑橘堆碼層數(shù)，直接接觸堆碼的層數(shù)建議不超過2層，應(yīng)對上層進行必要的緩沖保護，振動時間不超過0.5 h為宜，振動加速度不宜大于0.8 g。

3）對于不同材料減損效果，由柑橘機械損傷程度和預(yù)測模型評估可知：在定載荷擠壓試驗中，瓦楞紙減損效果最好（損傷程度僅為 0.4%，下同），膠合板次之（4.77%）；在跌落試驗中，EPS的效果最好（6.46%）；在振動試驗中，HDPE的效果最好（4.33%）。

綜上，該評估模型為寬皮柑橘在采收和采后處理中的機械損傷的定量與定性分析提供了數(shù)學(xué)上的方法參考；為寬皮柑橘有關(guān)采摘、儲運裝備設(shè)計以及減損材料的選擇提供了基本參考依據(jù)。

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