李 萍，王若伊，林 頓，茅林春

(浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州310058)

我國是世界果蔬第一生產(chǎn)大國，但是由于采摘、分級、包裝、貯藏、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的技術(shù)因素，造成大量損耗［1］，其中機(jī)械損傷是主要原因之一，運(yùn)輸過程中機(jī)械損傷造成的果蔬采后損失達(dá)25%～45%。采后損傷是果蔬生產(chǎn)中一個普遍性的問題，國外發(fā)達(dá)國家果蔬采后損傷也達(dá)到15%～20%［2］。運(yùn)輸過程中的振動是造成果蔬機(jī)械損傷的主要原因，為防止果蔬在運(yùn)輸過程中的振動損傷，需要對水果實(shí)施各種緩沖包裝，通過模擬運(yùn)輸振動實(shí)驗(yàn)，是開發(fā)或改進(jìn)果蔬減振包裝技術(shù)的有效途徑［3］。因此，本文重點(diǎn)介紹了果蔬減振包裝技術(shù)有關(guān)的振動損傷形成機(jī)理、緩沖包裝材料、模擬實(shí)驗(yàn)研究和減振包裝設(shè)計(jì)方法。

1 振動損傷

果蔬在運(yùn)輸過程中易受靜載、振動、擠壓和沖擊等載荷形式的作用，形成以塑性或脆性破壞為主的現(xiàn)時損傷和以粘彈性變形為主的延遲損傷［4］。果蔬固體物料一般屬于非線性粘彈性體，在實(shí)際運(yùn)輸過程中，所受的載荷是隨機(jī)載荷，主要為瞬時沖擊載荷和低應(yīng)力循環(huán)載荷，振動和碰撞是造成水果機(jī)械損傷的主要形式［5］。

在運(yùn)輸過程中果蔬受到長期的振動，會出現(xiàn)呼吸強(qiáng)度增加、膜透性增強(qiáng)、組織變軟、強(qiáng)度下降等傷害［6］。果蔬的振動破壞有共振破壞和疲勞破壞兩種形式。當(dāng)外界激烈頻率和果品包裝系統(tǒng)固有頻率相等或接近時，果蔬振動加速度峰值大比例放大，果蔬內(nèi)部應(yīng)力大大增強(qiáng)，當(dāng)超過一定值時，果品開始損傷，稱為共振破壞。在非共振條件下，當(dāng)超過疲勞閥值的振動峰值數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后也會出現(xiàn)果品損傷，稱為疲勞破壞。當(dāng)果蔬發(fā)生碰撞和沖擊時，引起細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)的變化，使其迅速損傷產(chǎn)生褐變，同時碰撞力向深處傳遞以吸收碰撞能量，使果皮下組織較深處亦產(chǎn)生損傷［7］。

盧立新和周德志［8］認(rèn)為疲勞振動是導(dǎo)致果品運(yùn)輸機(jī)械損傷的主要原因，并提出了果品振動疲勞累積損傷模型與模型參數(shù)確定方法，為進(jìn)一步認(rèn)識果品振動疲勞損傷機(jī)理提供技術(shù)基礎(chǔ)。而康維民等［9］利用線形累積損傷理論(Palmgren-Miner)解釋水果運(yùn)輸過程中造成損傷的機(jī)理，即在循環(huán)振動應(yīng)力作用下，水果的損傷逐步積累最后達(dá)到疲勞破壞，造成果實(shí)振動損傷。振動影響組織表皮細(xì)胞的滲透和細(xì)胞壁的降解，進(jìn)一步影響運(yùn)輸后果實(shí)的硬度和外部變化，不利于隨后的商業(yè)化處理［10］。然而，Yang等［11］發(fā)現(xiàn)，機(jī)械振動刺激果蔬的生理反應(yīng)，適度的機(jī)械振動頻率有助于愈傷組織的生長，最佳頻率為3Hz，溫度呈階梯性變化，有利于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的流動性，促進(jìn)細(xì)胞增長和快速分化，細(xì)胞膜的電極在機(jī)械振動刺激后發(fā)生變化，細(xì)胞吸收和轉(zhuǎn)移物質(zhì)能力增強(qiáng)，促進(jìn)愈傷組織的增長。了解振動損傷機(jī)理、以及振動對果蔬產(chǎn)生的破壞作用使我們對減振包裝設(shè)計(jì)更為重視，為減振包裝設(shè)計(jì)提供方向。

2 緩沖材料及其應(yīng)用

2.1 常用緩沖材料

為防止果蔬在運(yùn)輸過程中的振動損傷，需要對水果實(shí)施各種緩沖包裝，緩沖材料是減振包裝的關(guān)鍵。緩沖材料(等)是指具有高滯后吸收能量的材料，能有效減少果品損傷。緩沖材料主要包括瓦楞紙板、蜂窩紙板、紙漿模塑、緩沖包裝紙、可降解泡沫塑料、再生泡沫塑料盒、發(fā)泡植物纖維等［12］。其中，瓦楞紙板是人們較早使用的一種緩沖包裝材料，因其成本低、加工性能好、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，全球瓦楞紙、紙板的消費(fèi)量約占三分之一［13］。發(fā)泡植物纖維是近幾年來研究的一個熱點(diǎn)，國內(nèi)外都在努力開發(fā)這類材料。國外主要研究不添加化學(xué)發(fā)泡劑，通過水蒸氣的作用發(fā)泡，形成顆粒型發(fā)泡紙漿;而國內(nèi)則是采用發(fā)泡劑產(chǎn)生發(fā)泡，工藝較簡單，但是生產(chǎn)和使用后對環(huán)境具有隱患，該技術(shù)還有待改進(jìn)和提高［14］。

順應(yīng)當(dāng)代環(huán)保及綠色理念，許多新型緩沖材料不斷產(chǎn)生。成培芳等以淀粉/纖維作為原料制備可降解緩沖包裝材料［15］。Shi等［16］和 Lu 等［17］分別以向日葵莖稈和毛竹竹漿作為開發(fā)生物緩沖包裝材料的原料，與發(fā)泡聚乙烯材料相比較，其物理特性和緩沖系數(shù)表現(xiàn)出更好的防護(hù)性能，并且安全無污染，可以替代石化產(chǎn)品作為新型的生物緩沖包裝材料。

2.2 緩沖材料的減振作用

研究各種緩沖材料的減振效果，有助于設(shè)計(jì)和開發(fā)減振包裝。不同緩沖材料類型、緩沖材料的厚度、包裝結(jié)構(gòu)吸收振動沖擊的能量不同，減振效果表現(xiàn)不同。緩沖材料對果蔬振動保護(hù)的作用主要在于緩沖襯墊對沖擊能量的吸收、沖擊對緩沖襯墊的壓縮變形［18］，緩沖材料的種類、厚度、包裝結(jié)構(gòu)對其減振效果都有一定的影響。了解各種因素對減振效果的影響對減振包裝設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)作用。

2.2.1 材料種類 具有高滯后吸收能量的材料，如塑料、紙板、泡沫、植物纖維等，均能夠減少運(yùn)輸中振動損傷的程度，但是不同的緩沖材料對果蔬減振效果不同。Raghav和Gupta［19］用寬松的水稻秸稈和紙碎片作為水果層之間的緩沖材料，發(fā)現(xiàn)沒有緩沖包裹的水果比包裹的水果腐爛速度要快得多，說明水果層之間的緩沖材料有利于減少運(yùn)輸振動損傷。以竹籃為包裝材料時芒果損傷程度嚴(yán)重，以泡沫網(wǎng)包裹的瓦楞紙箱對芒果具有最優(yōu)的保護(hù)作用［20］。紙包裹和泡沫網(wǎng)都能大大減少黃花梨的運(yùn)輸振動，泡沫網(wǎng)緩沖材料對于保持黃花梨貯運(yùn)品質(zhì)效果更好，而紙包裝的黃花梨酶活性比泡沫網(wǎng)箱高出許多，但是硬度反而降低［21］。Jarimopas 等［22-23］發(fā)現(xiàn)塑料和紙板均具有降低沖擊損傷作用，但是紙板的減振效果優(yōu)于塑料板，緩沖能量與蘋果的大小無關(guān)。Chonhenchob和Singh［24］認(rèn)為紙板緩沖和泡沫網(wǎng)緩沖材料具有相似的保護(hù)作用，但是紙板包裝更有利于番木瓜的成熟。但是?akmak等［25］認(rèn)為在中長期高速運(yùn)輸過程中，紙板包裝運(yùn)輸增加了果品內(nèi)部的溫度，導(dǎo)致果品品質(zhì)的降低，而聚苯乙烯包裝盒可以減小這種負(fù)面反應(yīng)。李春飛等［26］也發(fā)現(xiàn)，采用瓦楞紙板襯墊、發(fā)泡塑料網(wǎng)作緩沖包裝時，均可有效地降低蘋果損傷率，發(fā)泡塑料網(wǎng)對蘋果的整體保護(hù)特性優(yōu)于瓦楞紙板襯墊。

2.2.2 材料厚度 不同厚度的緩沖材料產(chǎn)生不同的緩沖作用，在一定范圍內(nèi)，緩沖材料的厚度越大，緩沖吸收能量越大，減振效果好［27］。多層瓦楞紙板能量吸收顯著大于單層，多層瓦楞紙板抗沖擊能力強(qiáng)［28］，雙壁瓦楞紙板箱較單壁有利于減少蘋果的損傷率［29］。當(dāng)緩沖材料厚度超過一臨界值時，甜羅望子損傷率不再發(fā)生變化，以30%5mm大小的泡沫球與甜羅望子混合在15cm直徑、20cm高度的瓦楞紙箱中，甜羅望子的損害率最?。?0］。

2.2.3 包裝結(jié)構(gòu) 包裝結(jié)構(gòu)的不同對緩沖性能也有一定的影響，盧立新等研究表明，瓦楞紙板襯墊與隔檔可以減小梨損傷率達(dá)15%～25%，瓦楞紙板襯墊、隔檔以及網(wǎng)罩的聯(lián)合包裝形式可以使梨損傷率減小35%～45%。實(shí)際物流過程中，果品常常堆積多層，研究發(fā)現(xiàn)多層蘋果的總損失體積與其吸收總能量存在線性關(guān)系，而其中的單個蘋果不存在線性關(guān)系，盧立新建立了多層果實(shí)跌落沖擊模型［31］。包裝箱所處堆碼層數(shù)對果實(shí)的振動損傷有重要的影響，最上層包裝箱內(nèi)梨果實(shí)的損傷最大，最下層梨果實(shí)的損傷次之，中間層梨果實(shí)的損傷最小;在同一包裝箱內(nèi)，最上層梨果實(shí)損傷最大，中間兩層次之，最下層最?。?2］。但是李春飛等［27］研究發(fā)現(xiàn)，瓦楞紙板內(nèi)部隔檔可以減小蘋果的損傷率，同一種緩沖包裝的中間層蘋果的損傷率最大，底層蘋果損失率次之，頂層蘋果損傷率最小。雙壁瓦楞紙板箱較單壁減振效果較好［29］，多層瓦楞紙板作為緩沖介質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)減振效果較好，因?yàn)槎鄬硬y夾層結(jié)構(gòu)振動能量吸收顯著大于單層結(jié)構(gòu)，多層瓦楞紙板具有重復(fù)抗沖擊能力，減小果實(shí)的振動損傷程度［28］。

3 模擬振動實(shí)驗(yàn)

運(yùn)輸過程中不同路面造成的沖擊和振動之間的加速度存在明顯差異［33］，在模擬振動損傷時，必須把沖擊和振動分開，達(dá)到實(shí)際振動隨機(jī)性［34］。通過模擬運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)實(shí)際運(yùn)輸環(huán)境，通過包裝內(nèi)果蔬的損傷情況來評定包裝系統(tǒng)的減振效果，是目前開發(fā)或改進(jìn)緩沖包裝，解決果蔬運(yùn)輸損傷的最有效途徑?？稻S民等通過模擬運(yùn)輸振動實(shí)驗(yàn)，確定了運(yùn)輸模擬實(shí)驗(yàn)的振動頻率、振動加速度、振動時間參數(shù)［35］。Thompson 等［36］通過模擬振動運(yùn)輸開發(fā)了一套新的水果包裝系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)合一個塑料翻蓋或瓦楞紙板控制器時，這套包裝運(yùn)輸系統(tǒng)幾乎可以防止梨的所有振動損傷。

3.1 振動頻率

通過模擬實(shí)際運(yùn)輸條件，在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行振動掃描，確定共振頻率。黃翔飛等發(fā)現(xiàn)，共振頻率隨著包裝箱層數(shù)的增加而增大，箱內(nèi)梨果實(shí)的共振頻率隨著激勵源加速度的增加而減?。?7］。在相同加速度條件下，振動頻率越小，梨越容易產(chǎn)生損傷［38］。因此，果蔬損傷主要產(chǎn)生在低頻范圍內(nèi)，Barchi等研究發(fā)現(xiàn)，在頻率為13～25Hz范圍內(nèi)，枇杷損傷從底部到頂部逐漸加強(qiáng)［39］。Shahbazi等［40］模擬卡車運(yùn)輸西瓜的研究中也發(fā)現(xiàn)，在7.49和13.03Hz產(chǎn)生損傷率峰值。但是，Berardinelli等模擬梨運(yùn)輸振動損傷時發(fā)現(xiàn)，振動頻率與振動加速度會產(chǎn)生交互作用，在出現(xiàn)振動加速度峰值的頻率范圍內(nèi)，不同包裝箱所處位置所受的振動加速度不同，因此在減振包裝設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮到多方面的影響因素［41］。

3.2 振動加速度

振動加速度分為穩(wěn)定振動條件和隨機(jī)振動條件下的加速度，隨機(jī)振動條件下進(jìn)行模擬振動實(shí)驗(yàn)，以隨機(jī)振動加速度進(jìn)行實(shí)際運(yùn)輸時間的振動，水果的振動損傷和實(shí)際運(yùn)輸條件下的相同。振動時間和振動加速度具有相關(guān)性，為提高實(shí)驗(yàn)效率，縮短實(shí)驗(yàn)時間，在進(jìn)行模擬振動實(shí)驗(yàn)時，可以通過改變振動加速度來確定振動時間。模擬振動時間越長，梨果實(shí)損傷越大。振動時間對梨果實(shí)損傷也受到包裝方式的影響，不同包裝方式條件下，梨果實(shí)損傷隨振動時間的變化不同［32］。

振動加速度越大，梨越容易受損傷［39］，西瓜振動損傷隨著加速度的增加而增加，而且西瓜肉的損害明顯高于西瓜皮［40］。貨車前后部的振動加速度幅值最高峰分別是0.51、0.83m/s，車廂后部的振動加速度顯著高于車廂前部，使得車廂后部的梨損傷要高于車廂前部同樣高度堆放的。在車廂內(nèi)同一位置，頂部塑料箱所受的振動加速度高于底部塑料箱，因此，裝載頂部塑料箱內(nèi)的梨損傷情況顯著高于裝在底部塑料箱的［42］。但是 Zeebroeck 等［43］研究發(fā)現(xiàn)在高峰值加速度時，位置從高往低，擠壓不斷加強(qiáng)，因此蘋果受到的擠壓損傷逐漸增加。

3.3 振動損傷檢測

果蔬模擬損傷運(yùn)輸過程中往復(fù)振動產(chǎn)生的損傷，可以根據(jù)Palmgren-Miner理論和S-N曲線來定量評價［35］。果蔬因振動引起的機(jī)械損傷會產(chǎn)生一系列生理異常，影響果蔬的貯藏，如表皮腐爛、呼吸加強(qiáng)、乙烯釋放量增多、電導(dǎo)率升高等［44］。Jiang和Shiina研究表明，以表皮破損程度、呼吸和乙烯、電導(dǎo)率和吸光度為指標(biāo)，可以評價振動引起的果蔬損傷程度。由于果蔬損傷后能量吸收發(fā)生變化，可以通過能量吸收、聲波和超聲波、X射線、熒光、核磁共振等物理方法來檢測振動損傷［45-46］。

通過實(shí)驗(yàn)室模擬公路運(yùn)輸果蔬所受的振動，可以從振動頻率、振動加速度和振動時間等不同方面來研究果蔬振動損傷模型，有很強(qiáng)的理論指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)價值，有助于加強(qiáng)貯運(yùn)中果蔬保鮮和減少果蔬損傷，同時也是減振包裝設(shè)計(jì)步驟中關(guān)鍵的一環(huán)。

4 減振包裝設(shè)計(jì)

減振包裝，又稱為防振、隔振包裝，它是通過在包裝內(nèi)設(shè)計(jì)具有高阻尼特性的隔振墊層，使外界振動傳遞到被包裝產(chǎn)品后，產(chǎn)品被激勵的加速度不超過脆值，減小產(chǎn)品在功能和形態(tài)上的損傷。減振包裝設(shè)計(jì)形式大致可以分為兩類:一類是以防沖擊破損為主的包裝設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇具有強(qiáng)壓縮能力、高彈性的材料，適用于沖擊破壞強(qiáng)度高于振動破壞強(qiáng)度的產(chǎn)品;另一類是以減振為主的包裝設(shè)計(jì)，側(cè)重強(qiáng)衰減能力、高阻尼特性材料，適用于由于長期運(yùn)輸振動易產(chǎn)生疲勞損傷、脆值低的產(chǎn)品［47］，例如振動敏感性強(qiáng)的水果和蔬菜，因此果蔬的減振包裝設(shè)計(jì)常以防振為主要目標(biāo)。

減振包裝設(shè)計(jì)的核心在于調(diào)節(jié)防振襯墊的傳送率來控制產(chǎn)品的共振響應(yīng)，產(chǎn)品、容器以及高阻尼性材料構(gòu)成產(chǎn)品包裝系統(tǒng)，可以看作“質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)”模型［48］，當(dāng)忽略外包裝箱的彈性和緩沖材料的質(zhì)量時，可視為單自由度線性模型。

果蔬減振包裝設(shè)計(jì)必須按照一定的要求進(jìn)行。首先，必須確定果蔬流通環(huán)境的條件，了解果蔬自身生理和力學(xué)特性，設(shè)計(jì)襯墊材料的結(jié)構(gòu)和尺寸;然后，進(jìn)行模擬振動損傷實(shí)驗(yàn)，確定振動環(huán)境條件，主要是振動頻率、加速度及最大耐受時間;最后，確定在既定振動環(huán)境條件和損傷率下果蔬振動損傷脆值、疲勞損傷閾值，果品允許損傷率的確定要綜合考慮果品自身特性、運(yùn)輸條件及綜合成本等，確定襯墊材料的種類。在以上基礎(chǔ)上，確定不至于引起果品過度損傷的系統(tǒng)振動傳遞率，選擇合適的襯墊，設(shè)計(jì)合理的包裝結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行振動模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)校核［49-50］。

5 結(jié)語

從作用力與包裝動力學(xué)的角度，明確果蔬在運(yùn)輸過程中的損傷機(jī)理，對減少在運(yùn)輸過程中由于振動載荷對果品產(chǎn)生的機(jī)械損傷，有著重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面作了一些研究工作，同時取得了一定的成果與進(jìn)展，但離工程應(yīng)用距離尚遠(yuǎn)，對于實(shí)際減少果蔬的損傷僅具有淺表的指示作用，未能從根本上提供運(yùn)輸中果品機(jī)械損傷與減損包裝的基本技術(shù)機(jī)理、技術(shù)參數(shù)。因此，作者認(rèn)為，在今后的工作中還有一些問題值得深入研究。

首先，果蔬等作為生物產(chǎn)品，不同于一般的工業(yè)產(chǎn)品，具有其本身的力學(xué)特性，這些基本性質(zhì)對理解和闡明機(jī)械損傷機(jī)理以及運(yùn)輸模型的建立都有非常重要的影響。其次，目前果蔬機(jī)械損傷的研究對象種類較少，主要集中在少數(shù)抵抗能力較強(qiáng)的果品上，大量易損傷的果蔬振動特性與減損包裝研究還非常欠缺。再者，實(shí)施緩沖包裝，是減少果蔬運(yùn)輸過程中機(jī)械損傷的關(guān)鍵，但是緩沖包裝材料需考慮到其本身的特性，以及其與果蔬產(chǎn)品的相互作用，既要保證緩沖材料的抗震能力，又要兼顧其安全性、耐用性及回收利用。最后，為了驗(yàn)證緩沖包裝的合理性，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)，如何再現(xiàn)在途運(yùn)輸以及系統(tǒng)地分析包裝材料的抗震特性，都將成為日后工作的重點(diǎn)。

總之，當(dāng)今機(jī)械化不斷發(fā)展，果蔬所受到的沖擊損傷大大減少，振動損傷成為影響貯運(yùn)保鮮的重要影響因素，如何最大程度減少振動對果蔬的破壞作用，包括果蔬表皮的可見破壞以及內(nèi)在的無形品質(zhì)下降，成為日后工作的關(guān)鍵。除了建立果蔬減振包裝的力學(xué)模型，開發(fā)新型環(huán)保材料、循環(huán)利用緩沖材料、實(shí)驗(yàn)室模擬運(yùn)輸校核減振包裝設(shè)計(jì)的合理性，將有助于建立綠色包裝體系，設(shè)計(jì)合理的減振包裝方式，降低果蔬運(yùn)輸振動損傷。

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