蔡靜，周昕，周錦云，張俊*

(浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 a食品科學(xué)研究所農(nóng)業(yè)部果品采后處理重點實驗室 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點實驗室，b畜牧獸醫(yī)研究所，浙江 杭州 310021)

我國是水果生產(chǎn)大國，果品種類繁多、產(chǎn)量高，是僅次于糧食、蔬菜的第三類經(jīng)濟種植產(chǎn)品[1]。水果在采摘后進入市場前需經(jīng)過一系列加工工序，包括分級分揀、包裝、運輸、貯藏、加工等，其中分揀處理可使產(chǎn)品規(guī)格一致，便于包裝、貯運、加工和銷售，是采后處理重要的一環(huán)[2-3]。

目前采用各類傳感器、視覺、圖像識別技術(shù)的分級設(shè)備可以根據(jù)水果的重量、果徑、酸甜度、表面損傷、內(nèi)部品質(zhì)等方面進行自動分級，但是在分揀過程中，由于機械造成的水果損傷還是較為嚴重，有些甚至達到了水果總損耗量的30%以上，發(fā)展低損、高效的水果加工分揀技術(shù)是現(xiàn)代化水果采后加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一[4]。

1 水果分揀設(shè)備

水果分揀設(shè)備從機械結(jié)構(gòu)角度可分為滾筒式、軋輥式、杠桿式和機械臂式等，能根據(jù)不同品種水果特性進行針對性分揀處理。

1.1 滾筒式

滾筒式分揀設(shè)備主要用于水果果徑分揀，這類設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，由多個連續(xù)排列的滾筒組成，每個滾筒上設(shè)有等直徑的圓孔，且從輸入端到輸出端，圓孔直徑按照從小到大的順序有序排列(圖1)。工作過程中，水果在滾筒上運動時通過其與滾筒表面的摩擦力不斷前進，水果在經(jīng)過滾筒表面圓孔時，按照從小到大規(guī)格掉落到孔內(nèi)，完成分揀作業(yè)需求。此類設(shè)備機械機構(gòu)簡單、制造成本較低、分揀效率較高。但是如果水果形狀差異較大，分揀結(jié)果會存在很大偏差，影響分揀效果；由于水果在流水線上不斷運動、部分水果由于規(guī)格過大或不規(guī)則，一直不能進入篩孔，水果在運動過程中振動、碰撞、擠壓，容易造成水果機械損傷，影響水果外觀品質(zhì)。目前滾筒式分揀設(shè)備主要應(yīng)用于橘類水果的分揀。

圖1 滾筒式分揀設(shè)備

1.2 軋輥式

軋輥式分揀設(shè)備也是用于不同果徑水果分揀，這類設(shè)備是在一條輸送線上設(shè)置多個軋輥，軋輥從水果輸入端勻速向輸出端運動并自轉(zhuǎn)，軋輥間距在水果前進過程中逐漸增大，水果從小到大逐漸掉落至下方對應(yīng)分揀軌道中，分揀軌道末端放置收納箱(圖2)。在分揀過程中，軋輥轉(zhuǎn)動對水果產(chǎn)生的摩擦，易造成水果表皮組織擠壓損傷；當水果掉落到分揀軌道時，水果會受到一定的沖擊損傷，影響水果品質(zhì)。

圖2 軋輥式分揀設(shè)備

1.3 杠桿式

稱重式水果分揀裝置基于杠桿原理，早期設(shè)備在杠桿兩端分別設(shè)置托盤和平衡砝碼，托盤與杠桿鉸接，平衡砝碼底部支撐確保杠桿處于水平位置，若重量滿足條件，杠桿失去平衡發(fā)生傾斜，完成分揀卸料工序(圖3)。目前稱重分揀都采用傳感器采集水果重量信息，由控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，由執(zhí)行機構(gòu)分揀。分揀時發(fā)生傾斜，向輸送線的一側(cè)倒出托盤中的待分揀水果，水果瞬時下落有一定高度和瞬時速度，可能會對水果造成沖擊損傷，這種設(shè)備主要用于橙、柚子等外表不容易受到損傷的水果。

圖3 基于杠桿原理的稱重分揀設(shè)備

1.4 機械臂式

機械臂式分揀技術(shù)是結(jié)合視覺、控制、計算機、機械等學(xué)科的交叉技術(shù)，具有速度快、效率高、效果好等特點，此類技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中[5]。機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)配合視覺對水果實現(xiàn)定位，通過抓取或吸附動作對水果進行分揀作業(yè)(圖4)。末端執(zhí)行機構(gòu)可能會對水果造成摩擦損傷，外表皮破損，品質(zhì)受到影響；如末端執(zhí)行器夾取不穩(wěn)，會造成果實掉落，發(fā)生沖擊損傷和振動損傷，這些損傷的水果若發(fā)生在分揀作業(yè)完成后，且沒有及時剔除，很容易引起水果質(zhì)變[6-8]。

圖4 機械臂分揀水果

2 水果損傷研究

2.1 損傷分類及原因

水果果皮對內(nèi)部果肉起保護作用，由外果皮、中果皮和內(nèi)果皮組成，不同種類的水果果皮組織結(jié)構(gòu)和厚度不同[9]。水果在分揀過程中受到的損傷主要是機械損傷，這類損傷分為靜載損傷、沖擊損傷、振動損傷等。靜載損傷是指水果處于相對靜止狀態(tài)時，受到上層重物壓力或相互擠壓而產(chǎn)生的傷害，損傷主要發(fā)生在水果相互接觸區(qū)域；沖擊損傷大多由于慣性作用，當作用在水果上的沖擊力超過自身承受載荷強度而產(chǎn)生沖擊損傷，在分揀過程中抓取和放置水果時常產(chǎn)生沖擊損傷；振動損傷是水果在輸送過程中長時間反復(fù)作用的循環(huán)振動而形成的損傷。

2.2 水果損傷研究現(xiàn)狀

水果鮮食口感細膩、營養(yǎng)豐富、汁水充足，是人們較為喜歡的食用方式，但水果鮮果表皮柔軟、易損傷，損傷后會影響品質(zhì)，甚至導(dǎo)致腐爛，直接造成經(jīng)濟損失。

載荷與損傷:Jarimopas等[10-11]對蘋果在運輸和裝卸過程中的損傷進行了研究，指出蘋果損傷來自外界沖擊、載荷以及外界振動，蘋果局部損傷部位與載荷呈現(xiàn)線性關(guān)系，載荷作用于不同位置蘋果損傷程度存在差異；Accan等[11]通過推算得到靜載荷作用下蘋果的力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)蘋果承受的載荷作用受到靜載荷作用時間和蘋果表面硬度的影響。在實際生產(chǎn)加工過程中，水果由于易損性、脆性強等問題，該方法僅適用于實驗室基礎(chǔ)研究，無法在生產(chǎn)加工實際中應(yīng)用。

速度與損傷:很多學(xué)者通過沖擊和自由落體等試驗方法對水果損傷建立擬合模型和曲線。Wang等[12-13]對水果不同表面的損傷面積與速度、加速度曲線之間建立了模型，驗證了水果損傷程度取決于掉落高度。這些研究對單體試驗依賴性較大，很難實現(xiàn)較多數(shù)量的水果進行同時試驗。

沖擊與損傷:XU等[14-17]針對水果沖擊載荷損傷進行了研究，得到了果品多次沖擊損傷閾值，研究發(fā)現(xiàn)，沖擊載荷、沖擊次數(shù)對損傷影響較大，若增加撞擊次數(shù)可能會對水果造成更大的傷害，當沖擊次數(shù)較少時，水果損傷程度可能很小甚至不會發(fā)生損傷。

振動與損傷:李萍[18]建立了黃花梨振動損傷模型，對黃花梨品質(zhì)和振動時間建立關(guān)系模型，同時得出了損傷評價計算公式。胡洋[19]對皇冠梨進行了隨機振動試驗，發(fā)現(xiàn)堆積存放的多層皇冠梨損傷隨著時間變化呈現(xiàn)增大趨勢。周然[20]通過研究發(fā)現(xiàn)黃花梨在運輸過程中易發(fā)生摩擦而產(chǎn)生機械損傷，通過紙袋包裝降低外力對黃花梨的作用，可降低損傷程度。

損傷與力學(xué):劉琳等[21]針對貯藏期的寬皮柑橘的機械損傷力學(xué)特性進行了試驗研究，將貯藏過程分為2個階段，柑橘力學(xué)特性隨著時間延長，表皮硬度逐漸減小，彈性模量、破壞極限、總變形破壞能先增大后減小，在7 d時達到最大。該研究對柑橘進行了破壞性試驗，對加工水果的損傷研究僅具有參考意義。

碰撞與損傷:部分學(xué)者[22-24]針對庫爾勒香梨果肉組織特性、黏彈性和碰撞損傷進行了深入研究，通過對比不同包裝材料下香梨的沖擊性能損耗，發(fā)現(xiàn)不同包裝材料必須限制沖擊性能在某特定數(shù)值下，才能避免香梨發(fā)生碰撞損傷。該研究主要針對包裝、運輸和分級作業(yè)，由于香梨表皮脆嫩，對包裝材料要求較高，不適用于大多數(shù)水果。

3 小結(jié)

水果在分揀作業(yè)時果皮易造成機械損傷，會造成較大經(jīng)濟損失。針對不同品種的水果分揀需要對其進行針對性的損傷分析，根據(jù)物理特性研究其損傷機理，優(yōu)化分揀作業(yè)以適應(yīng)生產(chǎn)加工實際需求。由于水果種類繁多、差異性較大，需要有針對性研究，根據(jù)水果自身所能承受的極限載荷，實時監(jiān)測水果的載荷，降低水果分揀加工時的損傷率，減少損耗，提高經(jīng)濟效益。