張立軍，竇煜博，袁江濤，孫一鳴，吳子鳴，吳映桐，王立軍,2，宋海燕,2

農(nóng)產(chǎn)品保鮮與食品包裝

皇冠梨采后沖擊損傷影響因素研究及模型預(yù)測

張立軍1，竇煜博1，袁江濤1，孫一鳴1，吳子鳴1，吳映桐1，王立軍1,2，宋海燕1,2

（1.天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津 300457； 2.中國輕工業(yè)食品包裝材料與技術(shù)重點實驗室，天津 300457）

考慮到皇冠梨在儲運過程中損傷嚴重，探究跌落沖擊及果實本身特性對水果的損傷的影響，為皇冠梨的減損提供理論依據(jù)。以河北趙縣皇冠梨為研究對象，研究跌落高度、接觸材料、果實硬度、曲率半徑以及環(huán)境溫度對皇冠梨沖擊損傷的影響，并利用多元線性回歸分析方法，建立皇冠梨果實的損傷預(yù)測模型（≤0.05）。跌落高度與損傷面積呈線性相關(guān)，皇冠梨分別與鋼板和橡膠板沖擊時產(chǎn)生臨界損傷的跌落高度為30 mm和50 mm，而與本實驗選取的EPE板和瓦楞紙板沖擊時產(chǎn)生臨界損傷的跌落高度為220 mm和340 mm?；使诶媾cEPE板沖擊時表現(xiàn)為當?shù)涓叨刃∮?00 mm時，果實曲率半徑越小，損傷面積越大；當?shù)涓叨却笥?00 mm時，較大的曲率半徑導致更大的損傷面積，果實硬度越小，沖擊時損傷面積越大，環(huán)境溫度越高，損傷越嚴重。接觸材料種類和果實本身特性對水果沖擊損傷有較大影響。依據(jù)試驗結(jié)果建立了損傷預(yù)測模型，預(yù)測模型可為皇冠梨自動化采摘、分級裝備以及貯存、運輸包裝提供一定的理論指導。

皇冠梨；跌落沖擊；果實特性；損傷；預(yù)測模型

據(jù)調(diào)查相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，自1993年以來，我國一直保持著世界第一水果生產(chǎn)大國的地位[1]，但我國水果在采摘和儲運過程中平均的損耗率已高達20%，水果采摘和儲運過程中造成的經(jīng)濟損失已達到上千億元。然而西方發(fā)達國家的水果損耗率卻普遍低于5%，甚至有些發(fā)達國家的損耗率只有1%～2%[2-3]?；使诶嬗置S金梨，產(chǎn)地主要分布在河北、河南、山東等地，成熟期在8～9月。果實近球形或卵形，果皮黃白，皮薄肉厚，風味酸甜帶有蜜香，含有胡蘿卜素、維生素B1、B2和蘋果酸等人體必需的元素[4]?；使诶嬉蚱涔麑嵢獯喽嘀?，易在運輸中產(chǎn)生明顯的機械損傷，嚴重影響了皇冠梨的經(jīng)濟價值。保證采后流通過程中皇冠梨的質(zhì)量，既可以提高梨的市場價格，又能保持果農(nóng)的生產(chǎn)生活積極性，具有十分重要的經(jīng)濟價值和社會意義。

目前，許多學者已開展了水果跌落損傷方面的研究，主要集中在接觸材料和跌落高度對果實的損傷，但對水果本身特性對損傷的影響研究較少。Yurtlu等[5]通過桃子與不同碰撞材料的跌落試驗，提出聚氨酯泡沫材料作為緩沖材料可大幅降低桃子的跌落碰撞損傷。孫慧杰等[6]、吳杰等[7]研究了香梨在不同跌落高度和與4種材料碰撞時的接觸應(yīng)力，確定接觸應(yīng)力分布與香梨損傷之間的關(guān)系。Stropek等[8]從沖擊時間、最大變形、永久變形、恢復系數(shù)和最大應(yīng)力等方面研究了沖擊對2個品種的梨的影響。分析得出上述特征與損傷的大小有關(guān)，損傷的臨界值是根據(jù)沖擊速度和硬度確定的，并指出損傷的增長速度取決于果實的硬度，較硬的梨更耐沖擊。Lu等[9]探究瓦楞紙板包裝對蘋果的跌落損傷，結(jié)果表明利用感壓膠片測量的沖擊力可用于評估和預(yù)測蘋果的碰撞損傷。Zeebroeck等[10]建立了多個線性和非線性回歸模型，將成熟度、硬度、果實溫度、曲率半徑和采收日期與損傷聯(lián)系起來，解釋了果實因素之間的相互作用，以及果實因素和損傷程度之間的聯(lián)系。果實的損傷面積與果實本身特性有直接關(guān)系，研究果實本身特性是果實損傷規(guī)律的切入點[11]，因此探究果實本身特性對損傷的影響對降低機械損傷具有重要意義[12]。

本實驗采用單因素試驗方法對皇冠梨進行跌落碰撞試驗，對皇冠梨的跌落沖擊損傷和峰值加速度特性進行測定，探究跌落沖擊以及皇冠梨本身特性對其損傷規(guī)律及其峰值加速度的研究。為皇冠梨的采摘、分級、包裝、加工、運輸以及銷售過中設(shè)備設(shè)計、優(yōu)化包裝和貯運方式等提供必要的科學理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 材料

皇冠梨產(chǎn)自中國河北省趙縣，肉脆多汁，磕碰受損部位明顯易觀察。選擇無蟲害、大小均勻、形似球體的皇冠梨果實作為試驗對象，并確保皇冠梨在采摘、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)未受到損傷。單果質(zhì)量為320～340 g，果實硬度為5.5～7.0 kg/cm2，沖擊位置曲率半徑為40～50 mm。依據(jù)梨果機械化和自動化作業(yè)以及包裝系統(tǒng)的常用材料[13-14]，皇冠梨跌落接觸材料選用鋼板、橡膠板、發(fā)泡聚乙烯板（EPE板）和瓦楞紙板。4種接觸材料特性見表1，其中瓦楞紙板為單瓦3層，瓦楞齒形為UV型，楞型為A型。

表1 接觸材料的特性

Tab.1 Characteristics of contact materials

1.2 儀器

選用的加速度傳感器為美國壓電公司的PCB三軸向加速度傳感器，型號為356A24/NC、靈敏度為10 mV/g、量程范圍為±500 g、測量頻率范圍（±5%）為1～9 000 Hz。該傳感器可滿足水果沖擊的要求。其他選用的試驗儀器如下：

自制跌落損傷測試系統(tǒng)由電動柔性機械爪（賽博電子科技有限公司）、加速度傳感器、電荷放大器等組成；GY-4型水果硬度計，艾普計量儀器有限公司；天目RG-12數(shù)顯曲率半徑測量儀；溫濕度試驗箱，蘇州蘇試試驗儀器有限公司；電子分析天平，上海梅特勒托利多公司；游標卡尺。

1.3 方法

1.3.1 跌落沖擊試驗

如圖1所示，由柔性機械爪抓取皇冠梨，然后旋轉(zhuǎn)機械爪開關(guān)使皇冠梨呈自由落體跌落，在果實的非碰撞側(cè)面固定加速度傳感器，皇冠梨的赤道部位與材料碰撞，隨后快速接住皇冠梨，防止二次碰撞影響試驗結(jié)果?；使诶娴浣佑|材料選取鋼板、橡膠板、EPE板和瓦楞紙板；皇冠梨的跌落高度分別為100、200、300、400、500、600 mm；碰撞位置的曲率半徑、果實硬度、環(huán)境溫度的單因素試驗選擇EPE板為接觸材料。依據(jù)皇冠梨的曲率半徑分布，果實曲率半徑選擇2個極值曲率半徑（為(40±2)、(50±2) mm）作為因素水平。依據(jù)皇冠梨的硬度分布，果實硬度選擇(5.5±0.2)、(6.2±0.2)和(7.0±0.2) kg/cm23個硬度水平。依據(jù)皇冠梨的最佳冷藏溫度和貨架期的通常溫度[13]，選擇冷藏（1 ℃）和常溫（25 ℃）2個溫度水平進行果實貯存。在進行不同果實溫度下的碰撞試驗之前的24 h，皇冠梨被儲存在相對應(yīng)的溫度下。對于EPE板和瓦楞紙板，每次沖擊實驗后要更換，保證材料的特性一致，每個高度跌落碰撞重復10次，測量皇冠梨的跌落沖擊峰值加速度。

圖1 跌落損傷測試系統(tǒng)

1.3.2 皇冠梨跌落沖擊峰值加速度的測量

皇冠梨在進行跌落沖擊前，在果實的非碰撞側(cè)面固定加速度傳感器，保證傳感器記錄方向與果梗方向垂直，與水平碰撞方向一致。沖擊試驗結(jié)束后，記錄其峰值加速度值。

1.3.3 皇冠梨跌落損傷面積的測量

皇冠梨跌落碰撞后，在室溫環(huán)境下放置24 h以上使其充分褐變。根據(jù)Stopa等[15]采用的損傷面積方法測量皇冠梨的碰撞損傷面積，見式（1）。

式中：為皇冠梨果實褐變的損傷面積，mm2；、分別為蘋果果實橢圓形損傷區(qū)域的長半軸和短半軸，mm。

1.3.4 皇冠梨果實本身特性的測量

據(jù)研究報道表明，果實接觸位置的曲率半徑對果實碰撞損傷有影響[16]。曲率半徑通過數(shù)顯曲率半徑測量儀在撞擊點進行局部測量。在進行沖擊試驗之前，用曲率半徑儀測量每個皇冠梨樣品沖擊位置的周向曲率半徑和徑向曲率半徑。因為皇冠梨不是完美的球體，所以利用式（2）計算其調(diào)和平均值，作為沖擊位置的曲率半徑值。

式中：為皇冠梨沖擊位置曲率半徑值，mm；1為沖擊位置周向曲率半徑值，mm；2為沖擊位置徑向曲率半徑值，mm。

沖擊試驗前用水果硬度計測定皇冠梨的硬度。選取皇冠梨赤道線一周均勻的3個位置，手持硬度計，使硬度計垂直于去皮皇冠梨表面，壓頭均勻壓入皇冠梨內(nèi)，當壓頭到刻度線（10 mm）處即停止，指針所指示的讀數(shù)即為皇冠梨硬度值。每次測量后按動回零按鈕，使數(shù)值復位到初始刻度線。記錄試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果取平均值，單位用kg/cm2表示[17]。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

采用Matlab 2018軟件進行預(yù)測模型的建立，并用Origin2018軟件畫圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 跌落高度、接觸材料種類對皇冠梨跌落沖擊損傷的影響

2.1.1 跌落高度對皇冠梨跌落沖擊損傷的影響

通過測量損傷面積來表征皇冠梨的損傷情況，圖2為皇冠梨沖擊試驗前后對比。如圖2b所示，皇冠梨沖擊試驗后在室溫環(huán)境下放置24 h能明顯看出皇冠梨的損傷情況。

圖2 皇冠梨沖擊試驗前后對比

圖3a是跌落高度與碰撞材料對皇冠梨跌落沖擊損傷的影響。如圖3a所示，跌落高度與損傷面積呈線性相關(guān)，隨著跌落高度的增加，皇冠梨的損傷面積增大。這是因為隨著跌落高度的增加，皇冠梨在開始跌落時的重力勢能越大，受到的沖擊力越大，所以皇冠梨受到的損傷面積越大[18-19]。表2是皇冠梨在不同跌落高度下與鋼板沖擊時的損傷面積。由表2中數(shù)據(jù)可知，10、20 mm高度時沖擊并未給皇冠梨產(chǎn)生殘余變形，這表明皇冠梨在10、20 mm高度沖擊下的變形是彈性變形[20]，此時皇冠梨沒有產(chǎn)生損傷或損傷極其微弱；當?shù)涓叨冗_到30 mm時，沖擊給皇冠梨產(chǎn)生了殘余變形，此時皇冠梨開始出現(xiàn)損傷；在高度為30、40、50 mm時，沖擊試樣殘余變形隨著跌落高度的增加而增加。本研究以皇冠梨首次出現(xiàn)損傷時的高度作為臨界損傷高度，由此得到皇冠梨與鋼板沖擊產(chǎn)生損傷的臨界損傷高度=30 mm。采用同樣的方法得出皇冠梨與其他3種接觸材料的臨界損傷高度。當?shù)涓叨葹?0 mm和50 mm以上時，皇冠梨在鋼板和橡膠板上會產(chǎn)生損傷，而具有緩沖性能的EPE板和瓦楞紙板分別在220 mm和340 mm的跌落高度才會產(chǎn)生損傷。

圖3 皇冠梨與4種接觸材料沖擊的結(jié)果分析

表2 皇冠梨在不同高度下的損傷面積（鋼板）

Tab.2 Damage area of 'Huangguan' pears at different heights (steel plate)

2.1.2 接觸材料種類對皇冠梨跌落沖擊損傷的影響

如圖3a所示，在同一高度跌落，鋼板上沖擊損傷面積大于橡膠板上沖擊損傷面積，但差異不顯著（>0.05)；而瓦楞紙板、EPE板具有緩沖性，對皇冠梨的沖擊損傷面積較小，其中瓦楞紙板對皇冠梨的保護性能最好。隨著沖擊能量增加，鋼板和橡膠板為剛性材料不吸收能量，皇冠梨吸收全部的能量，導致其損傷面積增大；而瓦楞紙板和EPE板是柔性材料，會轉(zhuǎn)移部分能量使得皇冠梨的損傷面積減小，這與Lu等[21]的研究結(jié)果一致。

圖3b是皇冠梨在4種接觸材料上碰撞峰值加速度與沖擊高度的關(guān)系。如圖3b所示，隨著跌落高度的不斷增加，皇冠梨的峰值加速度呈線性增大趨勢。此外，從皇冠梨在瓦楞紙板和EPE板上碰撞峰值加速度變化趨勢來看，在跌落高度為200 mm以下時，皇冠梨在瓦楞紙板上碰撞的峰值加速度要比EPE板上的大，這基本與這2種緩沖材料沖擊能損耗的差異性相吻合。但是，隨著沖擊能逐漸變大，皇冠梨在EPE板上碰撞損傷面積快速增大，與瓦楞紙板上碰撞損傷的差異逐漸變大。值得注意的是，當?shù)涓叨雀哂?00 mm時，皇冠梨與EPE板碰撞時的峰值加速度開始反超皇冠梨與瓦楞紙板碰撞時的峰值加速度。說明此時皇冠梨與EPE板碰撞時吸收的能量大于與瓦楞紙板碰撞時吸收的能量，這與Fadiji等[22]關(guān)于蘋果碰撞損傷的研究結(jié)果相一致。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，之所以會出現(xiàn)這種結(jié)果，是因為對5 mm厚度的EPE板而言，在較高的沖擊水平下，與皇冠梨碰撞接觸部位的許多泡結(jié)構(gòu)都已經(jīng)破裂潰塌，EPE板的緩沖性能受到極大削弱。不同于EPE這種軟彈性的發(fā)泡材料，瓦楞紙板的受力與變形具有雙曲正切關(guān)系，隨著沖擊力增大，瓦楞紙板在沖擊過程的變形通常仍能較好地被限制在一個較為穩(wěn)定的水平上[23]。因此，在較高沖擊水平下，與EPE板厚度大致相同的瓦楞紙板反而能對皇冠梨起到更好的緩沖保護作用。這與吳杰等[24]的研究結(jié)果一致。

2.2 皇冠梨果實本身特性對沖擊損傷的影響

2.2.1 皇冠梨的曲率半徑

圖4是皇冠梨沖擊位置的曲率半徑對沖擊損傷面積的影響。實驗選取了皇冠梨果實2個極端的曲率半徑值。如圖4所示，皇冠梨碰撞位置的曲率半徑對低沖擊水平和高沖擊水平表現(xiàn)出相反影響。當?shù)涓叨仍?00 mm以下時，曲率半徑較小的皇冠梨出現(xiàn)更大的損傷；但當?shù)涓叨仍?00 mm以上時，情況恰好相反，曲率半徑較小的皇冠梨則出現(xiàn)較小的損傷。這種差異的過渡跌落高度約為400 mm，在這一高度上，曲率半徑對損傷面積幾乎沒有影響。

圖4 曲率半徑對損傷面積的影響

此外，基于赫茲理論的2個物理模型也得出相同的結(jié)論。第1個模型是由Baritelle等[25]推導出來，見式（3）。

式中：c為臨界跌落高度，m；f為失效應(yīng)力，Pa。

從這個模型中可以看出，曲率半徑越大，臨界損傷高度越高。這證實了低沖擊水平碰撞，小曲率半徑會導致更多的跌落損傷。

Siyami等[26]從赫茲理論推導出的另一個模型顯示了蘋果曲率半徑對挫傷直徑和面積的相反影響，見式（4）。

式中：為損傷直徑，mm；為蘋果的質(zhì)量，kg；為碰撞位置的曲率半徑，m；為跌落高度，mm。

從這個模型了的得出，較大的曲率半徑導致較大的損傷直徑，并因此導致較大的損傷面積。這證實了文中高沖擊水平的碰撞結(jié)果。

2.2.2 皇冠梨的硬度對沖擊損傷的影響

圖5為皇冠梨的硬度對沖擊損傷面積的影響。如圖5所示，皇冠梨的損傷面積隨著其硬度的增加而減小。皇冠梨的硬度與跌落高度之間存在顯著交互作用，不同跌落高度下的損傷面積因皇冠梨硬度的增大而不同。然而，這種相對差異隨著跌落高度的增加而減小。硬度為(5.5±0.2) kg/cm2與硬度為(7.0±0.2) kg/cm2的皇冠梨相比，在300 mm的跌落高度下，前者比后者損傷面積大45.5%；在600 mm的跌落高度下，前者比后者的損傷面積僅高13.3%。這是因為皇冠梨的硬度越大，說明其屈服強度越大[27]。屈服強度是衡量果實抵抗塑性形變能力的一項重要參數(shù)，其值越大，則果實越難發(fā)生塑性變形，也就是彈性碰撞所允許的接觸力越大。

圖5 果實硬度對損傷面積的影響

2.2.3 皇冠梨的果實溫度對沖擊損傷的影響

圖6是皇冠梨的果實溫度對沖擊損傷面積的影響。如圖6所示，皇冠梨的果實溫度與損傷面積呈正相關(guān)的關(guān)系，溫度越高，損傷越大。在不同的跌落高度下皇冠梨的果實溫度對損傷面積的影響存在差異性。在較低的沖擊水平下，皇冠梨的果實溫度對損傷面積表現(xiàn)出更大的影響。也就是說，溫度對損傷面積的影響隨著跌落高度的增加而逐漸減小。從實驗結(jié)果可以看出，在1 ℃和25 ℃環(huán)境溫度下的皇冠梨，當?shù)涓叨葹?00 mm時，損傷面積只相差了不到1%，而在300 mm的跌落高度下，25 ℃下的皇冠梨損傷面積要比1 ℃下的大了19.42%。這一結(jié)果與Van Zeebroeck等[10]的結(jié)果研究一致。

2.3 損傷預(yù)測模型的建立

沖擊損傷對皇冠梨果實品質(zhì)有不利影響。為了減少這種傷害，有必要了解果實特性對沖擊損傷面積的影響[28]。對以上試驗數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，建立了皇冠梨果實的損傷預(yù)測模型（≤0.05）。

圖6 果實溫度對損傷面積的影響

式中：為損傷面積，mm2；為皇冠梨跌落高度，mm；為沖擊位置的曲率半徑，mm；為果實硬度，kg/cm2；為果實溫度，℃。

在模型中，跌落高度和水果的3個特性（硬度、曲率半徑和溫度）被作為自變量。硬度、曲率半徑和果實溫度以及一些相互作用對損傷的顯著影響在5%的概率水平下獲得，模型的決定系數(shù)為0.96。試驗測量損傷面積值與模型預(yù)測損傷面積值的對比見圖7，可以驗證模型的可靠性。預(yù)測模型表明，減小跌落高度、降低果實溫度、增大硬度等可以減輕皇冠梨果實的損傷。

圖7 測量損傷面積與模型預(yù)測損傷面積對比

3 結(jié)語

1）跌落高度與沖擊損傷面積呈線性相關(guān)?；使诶媾c鋼板、橡膠板、EPE板及瓦楞紙板碰撞，產(chǎn)生損傷的臨界跌落高度分別為30、50、220和340 mm。研究結(jié)果表明，橡膠板并不能起到一定的保護作用，在智能分選時應(yīng)添加其他緩沖材料防止皇冠梨受到?jīng)_擊損傷；EPE板的緩沖保護性能取決于沖擊程度。試驗結(jié)果可為皇冠梨自動化采摘、分級裝備以及運輸包裝提供一定的技術(shù)參數(shù)。

2）皇冠梨與EPE板沖擊表現(xiàn)為跌落高度小于400 mm時，果實曲率半徑越小，損傷面積越大；跌落高度大于400 mm時，較大的曲率半徑導致更大的損傷面積。因此在分選或包裝過程中，合理控制皇冠梨擺放或跌落的姿態(tài)，以減少過程中造成的損傷。

3）不同硬度下的沖擊試驗表明，硬度越小的皇冠梨會產(chǎn)生越大的沖擊損傷面積。

4）產(chǎn)生沖擊損傷時，皇冠梨的溫度越高損傷越多。這種影響隨著跌落高度的增加而逐漸減小。因此運輸過程，應(yīng)合理選擇低溫運輸。

5）利用多元線性回歸分析的方法建立了跌落高度和3個特性（硬度、曲率半徑和溫度）的四因素皇冠梨果實損傷預(yù)測模型（≤0.05），其決定系數(shù)為0.96。損傷預(yù)測模型可用于預(yù)測皇冠梨產(chǎn)生沖擊損傷時的損傷面積。

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Influencing Factors and Prediction Model for Postharvest Impact Damage of 'Huangguan' Pears

ZHANG Li-jun1, DOU Yu-bo1, YUAN Jiang-tao1, SUN Yi-ming1, WU Zi-ming1, WU Ying-tong1, WANG Li-jun1,2, SONG Hai-yan1,2

(1. School of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. Key Laboratory of Food Packaging Materials and Technology of China Light Industry, Tianjin 300457, China)

Considering the serious damage of 'Huangguan' pears during storage and transportation, the work aims to provide a theoretical basis for damage reduction of 'Huangguan' pears, and explores the effect of drop impact and fruit characteristics on fruit damage. The effects of drop height, contact material, fruit hardness, curvature radius and ambient temperature on the impact damage of 'Huangguan' pears in Zhaoxian County, Hebei Province were studied. A damage prediction model (≤0.05) of 'Huangguan' pears was established by multiple linear regression analysis. The results showed that there was a linear correlation between the drop height and the damage area. The drop height of the critical damage caused by the impact of 'Huangguan' pears with steel and rubber was 30 mm and 50 mm, while the drop height of the critical damage caused by the impact of EPE and corrugated paperboard selected in this experiment was 220 mm and 340 mm. When the drop height of impact with the EPE was less than 400 mm, the smaller the curvature radius of the fruit, the larger the damage area; when the drop height was greater than 400 mm, the larger curvature radius leads to a larger damage area. The smaller the fruit hardness, the larger the damage area during impact; the higher the ambient temperature, the more serious the damage. The type of contact material and the characteristics of fruit have great effects on the impact damage of fruit. A damage prediction model is established based on the test results. The prediction model can provide some theoretical guidance for automatic picking, storage transportation and packaging of 'Huangguan' pears.

'Huangguan' pear; drop impact; fruit characteristics; damage; prediction model

TB485.3

A

1001-3563(2023)15-0045-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.15.007

2023?03?15

國家自然科學基金（32202116）

張立軍（1997—），男，碩士生，主攻運輸包裝。

宋海燕（1977—），女，博士，教授，主要研究方向為物流包裝材料、技術(shù)與設(shè)備。

責任編輯：曾鈺嬋