陳燕，向和平，談建豪，鄒湘軍*，黃國鋼，李博

（1.華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣東 廣州 510642；2.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642）

中國是最大的荔枝生產(chǎn)國[1]。荔枝皮薄、肉多，含水量高，在采摘、加工和儲運過程中受到靜力擠壓或動力碰撞后，其組織易出現(xiàn)細胞破裂、細胞破碎或細胞分離，從而產(chǎn)生宏觀或微觀的機械損傷。荔枝的機械損傷為病原菌打開了入侵通道，會加速果實的衰老腐敗，導致荔枝果實的外觀變差[2]，經(jīng)濟效益顯著下降。

國內(nèi)外學者通過跌落、沖擊和壓縮等試驗對果蔬的各種機械損傷進行的研究表明：蘋果組織材料具有連續(xù)性和各向異性，其機械損傷受加載速度和方向的影響[3]；柑橘、番茄、草莓和香梨的機械損傷受跌落高度、跌落面和沖擊面材料、沖擊速度的影響[4–8]；加載速度、果實硬度和加載部位等因素影響葡萄、蜜瓜、蘋果和番茄的力學特性和機械損傷[9–12]。

為減少荔枝的機械損傷，筆者研究了荔枝的宏觀和微觀力學特性，得到荔枝的宏觀損傷臨界力等力學參數(shù)，并分析了受壓荔枝的內(nèi)部應力分布規(guī)律和果殼破裂應力特點[13–14]。水果的機械損傷與其力學特性密切相關[15]，筆者依據(jù)荔枝在機械采摘、貯運中受擠壓產(chǎn)生機械損傷的可能影響因素，對荔枝進行了不同條件下的擠壓試驗，研究不同擠壓條件對荔枝內(nèi)部機械損傷和力學參數(shù)的影響，以期為低損的荔枝作業(yè)裝備設計和開發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

于2012年6月中旬在廣東增城果園采摘“桂味”荔枝。荔枝縱向直徑（果蒂與果頂連線方向）為29.70～33.64 mm，2個相互垂直的橫向直徑分別為29.00～33.86 mm和29.30～34.22 mm，荔枝含水率為79%～82%。荔枝成熟度相近，且在采后12 h內(nèi)進行試驗。

試驗設備采用廣州市廣材試驗儀器有限公司的WD–20KE型精密微控電子萬能試驗機，精度為±0.5%，分辨率為±1/120000。試驗過程由微機自動完成力和位移的數(shù)據(jù)采集。

1.2 試驗方法

由于果蔬的擠壓損傷是在采摘、貯運過程中壓縮載荷引起的，本研究通過對荔枝進行壓縮試驗模擬其在實際采摘、加工和儲運過程中所受的擠壓。

影響水果機械損傷的主要因素有作用載荷的速率和水果變形量[16]，此外，荔枝抗擠壓能力具有各向異性[20]，擠壓方向、擠壓材料均影響荔枝機械損傷程度，同時也影響荔枝的力學特性，因此，選取壓縮率（荔枝壓縮量與其直徑之比）、擠壓材料、擠壓方向和擠壓速度作為試驗因子，每個因子設置3個水平，采用正交試驗法（L9（34））對荔枝進行加卸載試驗。試驗因子水平設置：壓縮率分別是5%、10%和15%（由前期試驗和文獻[14]可知，此范圍壓縮率，荔枝只發(fā)生內(nèi)部機械損傷），擠壓材料分別為鋼板、橡膠和塑料，擠壓方向為縱向（果蒂與果頂連線方向）、橫向①（垂直果實兩側(cè)縫合線的腰部方向）和橫向②（腰部方向），擠壓速度為15、30和45 mm/min，屬于準靜態(tài)范圍。

由于在壓縮試驗中使用圓柱壓頭易使荔枝產(chǎn)生剪切破壞，故采用平板壓縮方式，固定下壓板，上壓板垂直下壓。將荔枝隨機分為9組，為增加試驗可靠性，每組試驗重復10次，共做90次加載–卸載試驗。試驗后的荔枝（包括10個對照果）輕輕去除外殼，將果肉放入冰箱貯藏，觀察并記錄荔枝果肉出現(xiàn)褐變前的貯藏天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 荔枝機械損傷程度的確定

荔枝受擠壓后，產(chǎn)生的機械損傷分為果皮出現(xiàn)破裂的宏觀損傷和果皮沒有出現(xiàn)破裂的微觀損傷。

通過考察不同擠壓條件下微觀損傷的荔枝果肉出現(xiàn)較重褐變前的貯藏天數(shù)，評價荔枝的機械損傷度。

式中：η為機械損傷度（%）；t為對照果果肉出現(xiàn)褐變前的貯藏天數(shù)（d）；t1為被加載荔枝果肉出現(xiàn)褐變前的貯藏天數(shù)（d）。

1.3.2 荔枝彈塑性力學參數(shù)

荔枝的彈塑性力學參數(shù)主要包括應變能Us、塑性應變能Up、峰值力Fmax、彈性度r和剛度K。擠壓條件不同，相應的彈塑性力學參數(shù)也不同。應變能是荔枝在加載階段儲存于其內(nèi)部的變形勢能，而塑性應變能表示其在加卸載循環(huán)中吸收的能量，它影響荔枝的擠壓損傷。彈性度表示荔枝在卸載后的恢復程度，彈性度越大，其在加卸載循環(huán)中吸收的能量越小。剛度可表征物料的硬度，剛度越大，其抵抗損傷的能力越大。正交試驗后，從得出的加卸載曲線提取荔枝的彈塑性力學參數(shù)[16]。

1.3.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和回歸分析?；貧w方程建立采用向后剔除法。由于試驗因子擠壓材料和擠壓方向為定性變量，在建立受擠壓荔枝力學參數(shù)和機械損傷度的回歸方程前，需將所有定性變量轉(zhuǎn)換為虛擬變量并賦值，如表1所示。

表1 虛擬變量的設置和賦值Table 1 Setting and assignment for virtual variables

2 結(jié)果與分析

利用正交加卸載試驗數(shù)據(jù)分別求得各組荔枝彈塑性力學參數(shù)及其擠壓機械損傷度的平均值如表2。

表2 荔枝受擠壓的力學參數(shù)和機械損傷度Table 2 Mechanical parameters and mechanical damage of litchi’s extrusion

2.1 試驗因素對荔枝擠壓機械損傷的影響

荔枝的擠壓機械損傷度與試驗因素間的關系如式（2）所示。

式中：η為機械損傷度（%）；C為壓縮率（%）；v為擠壓速度（mm/min）；D1和D2為擠壓材料虛擬變量；Q1為擠壓方向虛擬變量。

經(jīng)整體顯著性F檢驗，荔枝擠壓機械損傷度對試驗因素的回歸方程非常顯著，決定系數(shù)R2為0.996。利用方程（2）可以解釋99.6%的荔枝擠壓機械損傷度變化。

對荔枝擠壓機械損傷度影響最主要的因素是壓縮率和擠壓方向，其次是擠壓材料，再次為擠壓速度。壓縮率每增加1%，荔枝的機械損傷度平均增加3.03%；擠壓速度每增加10 mm/min，荔枝的機械損傷度平均增加0.6%。

將表2的擠壓材料虛擬變量D1、D2和擠壓方向虛擬變量Q1所對應的取值分別代入式（2）可知：擠壓材料為橡膠時，荔枝的機械損傷度最小，比使用塑料少5.45%；擠壓材料為鋼板時，荔枝的機械損傷度最大，比使用塑料大1.21%。擠壓方向為橫向①或橫向②時，荔枝的機械損傷度差異不大，在同一壓縮率下，均比縱向小4.39%。

分析試驗因素對荔枝擠壓機械損傷的影響，提示設計荔枝作業(yè)裝備時，接觸荔枝的元件采用彈性材料，注意減少荔枝受擠壓的程度和沖擊力的作用，可減少荔枝的擠壓機械損傷。荔枝橫向①或橫向②的機械損傷度差異不大，說明荔枝果皮中強度較弱的縫合線對荔枝的擠壓機械損傷影響較小，因此，對荔枝作業(yè)時，可忽略其橫向加載位置的差異性。

2.2 試驗因素對荔枝力學特性的影響

采用SPSS軟件對荔枝的彈塑性力學參數(shù)作方差分析，結(jié)果如表3所示。除擠壓方向?qū)兡芤约皵D壓速度對彈性度的影響不顯著外，各試驗因素對其余力學參數(shù)的影響均為顯著，但顯著性有差異。對峰值擠壓力、應變能和塑性應變能影響最顯著的因素是壓縮率，其次是擠壓材料，再次是擠壓方向；對彈性度影響最顯著的因素是擠壓方向，其次是擠壓速度，再次是擠壓材料；對剛度影響最顯著的因素是壓縮率和擠壓材料，其次是擠壓方向，再次是擠壓速度。

表3 荔枝受擠壓的力學參數(shù)的方差分析Table 3 Variance analysis of mechanical parameters of litchi’s extrusion

根據(jù)表2的擠壓試驗數(shù)據(jù)對荔枝的彈塑性力學參數(shù)進行線性回歸，所得各回歸方程如表4所示。除彈性度回歸方程外，其他回歸方程決定系數(shù)都較高。雖然彈性度回歸方程的決定系數(shù)較低，但方程的整體檢驗非常顯著，且經(jīng)殘差分析，模型的假定條件都滿足，因此所建立的彈性度回歸模型有統(tǒng)計學意義。

表4 力學參數(shù)與試驗因素的回歸方程Table 4 Regression equations of mechanical parameters

由各回歸方程可以看出，在試驗范圍內(nèi)，隨著壓縮率的增加，峰值擠壓力、應變能、塑性應變能和剛度增加，而彈性度下降。壓縮率每增加1%，峰值擠壓力、應變能、塑性應變能和剛度分別平均增加2.09 N、4.83 mJ、2.86 mJ和0.20 N/mm，彈性度平均減少1%；擠壓速度每增加10 mm/min，峰值擠壓力、應變能、塑性應變能和剛度分別平均增加0.7 N、1.4 mJ、1.0 mJ和1.3 N/mm；擠壓材料鋼板和塑料的峰值擠壓力、應變能、塑性應變能和剛度大于橡膠，而彈性度小于橡膠；縱向加載的峰值擠壓力、塑性應變能和剛度大于橫向，彈性度小于橫向；除橫向②加載的塑性應變能大于橫向①外，其他力學參數(shù)差異小。

塑性應變能即滯后損失，表示在加載和卸載循環(huán)中物料所吸收的能量。彈性度表示物料卸載后恢復的程度。物料應變能越大，彈性度越低，塑性應變能越大，物料吸收的能量越多。Holt等[17]認為：水果在加載情況下，吸收的能量完全造成了機械損傷，因此，結(jié)合以上試驗因素對荔枝力學參數(shù)的影響分析可知：荔枝受擠壓時，壓縮率越大、擠壓速度越高，塑性應變能越大，荔枝吸收的能量越多，其機械損傷越嚴重；同一壓縮率下，對荔枝縱向采用剛性材料擠壓，荔枝吸收的能量較大，較易產(chǎn)生機械損傷。這與前面擠壓機械損傷度的回歸方程（2）所反映的規(guī)律是一致的。

2.3 機械損傷度與力學參數(shù)的關系

根據(jù)表3的試驗結(jié)果，建立荔枝擠壓機械損傷度與彈塑性力學參數(shù)之間的關系方程。

式中：η為機械損傷度（%）；Fmax為峰值擠壓力（N）；Us為應變能（mJ）；r為彈性度；K為剛度（N/mm）。

式（3）的決定系數(shù)R2為0.913，說明荔枝機械損傷度對力學參數(shù)的回歸方程顯著，荔枝損傷度與力學參數(shù)之間的變化關系有91.3%可用此方程來解釋。

由式（3）可見，在試驗范圍內(nèi)，除塑性應變能外，其余力學參數(shù)均與荔枝機械損傷度顯著相關。隨著峰值擠壓力和應變能的增加，荔枝機械損傷度增加；隨著彈性度和剛度的增加，荔枝機械損傷度減少。

峰值擠壓力和應變能分別每增加1 N和1 mJ時，荔枝的機械損傷度分別平均增加1.28%和0.10%；當彈性度和剛度分別每增加0.1和1 N/mm時，荔枝的機械損傷度分別平均減小1.24%和1.20%。

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英文編輯：張 健