潘睿，薛忠，李海亮，肖景豐

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶果樹(shù)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091；4.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091；5.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

菠蘿被譽(yù)為熱帶四大名果之一，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)［1］。近年來(lái)，受益于國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的扶持以及財(cái)政支持力度的不斷加大，我國(guó)菠蘿種植產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。然而，受自然環(huán)境條件與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的限制，我國(guó)菠蘿相關(guān)裝備的研發(fā)工作起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，菠蘿采收、加工裝備技術(shù)整體發(fā)展水平較低，科技創(chuàng)新能力不足。菠蘿果實(shí)的生物力學(xué)特性研究是開(kāi)展各類(lèi)菠蘿裝備研究的基礎(chǔ)，對(duì)采摘后的菠蘿質(zhì)地缺乏科學(xué)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)［2］，限制了菠蘿采收、加工裝備技術(shù)的整體發(fā)展。因此，綜合運(yùn)用機(jī)械、生物、信息、環(huán)境等科學(xué)技術(shù)，明確菠蘿果實(shí)的生物力學(xué)特征，優(yōu)化改進(jìn)現(xiàn)有菠蘿采收、加工裝備，具有重要的戰(zhàn)略意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)果蔬果實(shí)力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行分析，質(zhì)構(gòu)常用方法主要為質(zhì)地剖面分析及穿刺測(cè)定試驗(yàn)。其中穿刺測(cè)定試驗(yàn)主要通過(guò)參考果實(shí)自身特點(diǎn)選取測(cè)試探頭、探頭加載速率等參數(shù)直觀取得果皮強(qiáng)度、韌性、脆性、果肉硬度等多項(xiàng)指標(biāo)，有效避免人為因素干擾［3-6］。許玲等［7］以毛葉棗為研究對(duì)象，通過(guò)質(zhì)構(gòu)儀整果穿刺法測(cè)定不同成熟度毛葉棗果皮強(qiáng)度、脆性、韌性差異；房大偉等［8］以鈣果為研究對(duì)象，通過(guò)穿刺試驗(yàn)明晰不同品種鈣果、不同穿刺點(diǎn)位對(duì)其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮韌性以及果肉平均硬度的影響；梁靜等［9］以13 種果桑為研究對(duì)象，揭示了不同品種漿果果皮硬度及果皮破裂深度相關(guān)性存在差異；張翔宇等［10］以葡萄為研究對(duì)象，選用10 種葡萄通過(guò)模擬牙齒咀嚼漿果受力過(guò)程，建立可表征漿果質(zhì)構(gòu)特性穿刺參數(shù)并分析各質(zhì)構(gòu)參數(shù)間的相關(guān)性；余佳佳等［11］以南豐蜜橘為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)蜜橘表皮的擠壓、穿刺試驗(yàn)分析其應(yīng)力—應(yīng)變曲線，獲得在采摘、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)蜜橘表皮可承受的最大擠壓應(yīng)力與穿刺壓強(qiáng)。穿刺在西瓜、蘋(píng)果、香梨等方面均有研究［12-14］，然而關(guān)于菠蘿的研究主要集中于品種、栽培和深加工方面，針對(duì)其生物力學(xué)穿刺特性方面的研究鮮有報(bào)道。菠蘿果皮生物力學(xué)性能研究在完成果皮穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，后續(xù)還需對(duì)果皮拉伸特性、壓縮特性、剪切特性等機(jī)理進(jìn)行深入研究，因此本研究采用較質(zhì)構(gòu)儀應(yīng)用范圍更廣泛的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)。

本研究基于WSW-50E 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)菠蘿進(jìn)行了穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)，以探究不同品種、不同果眼位置的菠蘿果皮抗穿刺損傷性能，分析菠蘿品種、穿刺部位造成穿刺力學(xué)特性差異的原因，為菠蘿采收、加工設(shè)備的設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用收獲期無(wú)損傷無(wú)病害的‘巴厘’、‘金菠蘿’、‘甜蜜蜜（臺(tái)農(nóng)16 號(hào)）’、‘金鉆（臺(tái)農(nóng)17 號(hào)）’菠蘿，2022 年5 月采摘于廣東省湛江市徐聞縣。采收后試樣迅速用塑料袋包裝，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室置于冰箱內(nèi)（4 ℃）冷藏。每次試驗(yàn)前取出試樣，靜置2 h。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為WSW-50E 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（浙江禮顯試驗(yàn)儀器制造有限公司）分辨率0.001 mm，測(cè)試速度范圍0.005~500 mm·min-1，試驗(yàn)力測(cè)量范圍100~5000 N；YP502N 型電子天平，測(cè)試精度0.01 g，稱(chēng)量范圍0~500 g；電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺，精度0.01 mm，測(cè)試距離0~150 mm；自制針狀探頭，探頭直徑4 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)品種菠蘿選取30 個(gè)測(cè)定單果質(zhì)量、果形指數(shù)，以單果為1 次重復(fù)。用電子秤測(cè)定單果質(zhì)量；用游標(biāo)卡尺測(cè)量菠蘿果實(shí)的最大橫徑和最大縱經(jīng)，以果實(shí)的最大縱徑與最大橫徑比值表示果形指數(shù)［15］從而確定試驗(yàn)樣品選取規(guī)格。果形指數(shù)0.6~0.8 為扁圓形，0.8~0.9 為圓形或近圓形，0.9~1.0 為橢圓形或圓錐形，1.0 以上為長(zhǎng)圓形［9］。

1.3.2 穿刺試驗(yàn)方法

利用WSW-50E 微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，如圖1 所示。穿刺測(cè)試探頭選擇直徑4 mm 的圓柱形不銹鋼探頭，儀器參數(shù)設(shè)定：測(cè)試前速度2 mm·s-1，測(cè)試時(shí)速度5 mm·min-1，測(cè)試后速度10 mm·s-1，負(fù)載觸發(fā)力0.05 N。選取每個(gè)品種菠蘿各18 個(gè)，將每個(gè)測(cè)試菠蘿放置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的載物臺(tái)中心，試樣被穿刺位置分別選取赤道線處A（果眼中心）、B（2 個(gè)果眼之間）、C（果眼邊）、D（3 個(gè)果眼交界點(diǎn)）、E（4 個(gè)果眼交界邊），如圖2所示每測(cè)定5 個(gè)點(diǎn)位為1 組，將同一個(gè)測(cè)試菠蘿以果芯為中心軸旋轉(zhuǎn)觀察，選取延赤道線相同果眼性狀處進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)共3 組，測(cè)定結(jié)果取平均值。

圖2 穿刺點(diǎn)位Fig.2 Puncture points

1.3.3 穿刺參數(shù)定義

在進(jìn)行菠蘿果皮穿刺試驗(yàn)后，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)會(huì)將探頭感知力（N）、探頭移動(dòng)時(shí)間（s）、加載深度（mm）、應(yīng)力（Mpa）以及應(yīng)變（%）自動(dòng)輸出為excel表格。

因菠蘿果皮在穿刺彈性變形階段，其應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧壤P(guān)系。根據(jù)胡克定律計(jì)算不同品種菠蘿不同穿刺點(diǎn)位彈性模量：

根據(jù)輸出結(jié)果，以穿刺果實(shí)過(guò)程中探頭移動(dòng)時(shí)間（s）為橫坐標(biāo)，測(cè)試探頭所在位置對(duì)應(yīng)感知力（N）為縱坐標(biāo)作圖，得到菠蘿果皮穿刺曲線（以‘巴厘’為例，下同），以曲線力最大值作為果皮硬度F（N）；加載至力最大值的運(yùn)行距離為果皮破裂距離S（mm），如圖3 所示。

圖3 穿刺曲線圖Fig.3 Puncture curves

以果皮所受應(yīng)變?chǔ)牛?）為橫坐標(biāo)，所受應(yīng)力σ（Mpa）為縱坐標(biāo)作圖，繪制果皮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4 所示。對(duì)曲線進(jìn)行擬合得到式（2）：

圖4 韌性曲線Fig.4 Toughness curve

對(duì)式（2）不定積分求其原函數(shù)后計(jì)算［0，xn］區(qū)間曲線定積分面積得出果皮韌性(Mpa)：

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2016 整理試驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差值計(jì)算，采用Origin 2019 繪圖，采用SPSS 25.0 進(jìn)行單因素ANOVA 分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 果實(shí)基本物性參數(shù)

測(cè)試時(shí)溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為70%，測(cè)取不同品種菠蘿單果質(zhì)量、果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑的平均值，根據(jù)測(cè)定數(shù)值可計(jì)算得‘巴厘’果形指數(shù)為1.32；‘金菠蘿’果形指數(shù)為1.49；‘金鉆’果形指數(shù)為1.35；‘甜蜜蜜’果形指數(shù)為1.18。試驗(yàn)樣品選取規(guī)格如表1 所示。

表1 試驗(yàn)樣品選取規(guī)格Table 1 Selected specifications of test samples

2.2 果皮硬度

果皮硬度即探頭穿破果皮所需力的大小，不同品種菠蘿在不同點(diǎn)位下的穿刺試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。通過(guò)分別計(jì)算5 個(gè)穿刺點(diǎn)位的力平均值，可得出4 個(gè)品種菠蘿果皮硬度F 排序均為A>C>B>D>E。

圖5 不同穿刺點(diǎn)位果皮硬度Fig.5 Peel hardness at different puncture sites

2.3 果皮破裂深度

果皮破裂深度是果皮被探頭穿刺時(shí)果皮形變的距離，因果皮富有彈性，對(duì)探頭力的緩沖作用較大，穿刺過(guò)程需吸收更多的能量才能被破壞，因此探頭的運(yùn)行距離增大，即果皮破裂深度增大。由表2 可看出，4 個(gè)品種菠蘿不同穿刺點(diǎn)位果皮破裂深度均在8~10 mm 區(qū)間范圍內(nèi)，變異系數(shù)均小于0.15。雖因品種不同導(dǎo)致果皮果眼形態(tài)結(jié)構(gòu)存在差異［16］，但4 種菠蘿A 點(diǎn)果皮破裂深度仍均為最大，而其它穿刺點(diǎn)位深度排序不一致。

表2 不同穿刺點(diǎn)位果皮破裂深度Table 2 Rupture depth of pericarp at different puncture sites單位：mm

2.4 果皮彈性模量

根據(jù)式（1）計(jì)算不同穿刺點(diǎn)位不同品種菠蘿果皮的彈性模量如表3所示。根據(jù)表中結(jié)果，‘巴厘’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠蘿’果皮彈性模量區(qū)間為0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金鉆’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 2~ 0.014 8 Mpa。4 種菠蘿不同穿刺點(diǎn)位彈性模量大小與其果皮破裂深度排序相反；彈性模量越低，果皮彈性模量變形相對(duì)越大，果皮破裂深度越大。

表3 不同穿刺點(diǎn)位果皮彈性模量Table 3 Elastic modulus of pericarp at different puncture sites單位：Mpa

2.5 果皮韌性

果皮韌性反映了菠蘿果皮抗穿刺的能力。由表4 結(jié)果所示，‘巴厘’在不同點(diǎn)位穿刺時(shí)，A 點(diǎn)位的韌性最大，E 點(diǎn)位韌性最小；‘金菠蘿’在不同點(diǎn)位穿刺時(shí)，A 點(diǎn)位的韌性最大，B 點(diǎn)位韌性最?。弧疸@’在不同點(diǎn)位穿刺時(shí)，A 點(diǎn)位的韌性最大，E點(diǎn)位韌性最??；‘甜蜜蜜’在不同點(diǎn)位穿刺時(shí)，A 點(diǎn)位的韌性最大，B 點(diǎn)位韌性最小。4 個(gè)品種菠蘿A點(diǎn)位韌性均最大，果皮韌性變化規(guī)律與果皮破裂深度在不同點(diǎn)位穿刺時(shí)的規(guī)律相似，同時(shí)與不同穿刺點(diǎn)位果皮彈性模量排序相反。果皮韌性越大，在相同的載荷作用下產(chǎn)生彈性變形較大，破裂距離較大，彈性模量較小，表明菠蘿果皮物性參數(shù)具有各向異性。

表4 不同穿刺點(diǎn)位果皮韌性Table 4 Pericarp toughness at different puncture sites單位：Mpa

2.6 品種與穿刺點(diǎn)位對(duì)菠蘿穿刺力學(xué)性能的影響

由表5 可見(jiàn)，4 個(gè)品種對(duì)果皮硬度的影響均呈極顯著（P<0.01）；‘金菠蘿’對(duì)果皮破裂深度的影響呈極顯著（P<0.01），其他它品種不顯著；‘巴厘’對(duì)果皮韌性的影響呈極顯著（P<0.01），‘甜蜜蜜’對(duì)果皮韌性呈顯著性影響（P<0.05），其它品種不顯著。

表5 菠蘿果皮穿刺試驗(yàn)結(jié)果單因素ANOVA 分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of pineapple peel puncture test results

A、B、D、E 4 個(gè)穿刺點(diǎn)位對(duì)果皮硬度的影響均呈極顯著（P<0.01），C 點(diǎn)對(duì)果皮硬度呈顯著性影響（P<0.05）；E 點(diǎn)對(duì)果皮破裂深度呈顯著性影響（P<0.05），其它穿刺點(diǎn)位不顯著；E 點(diǎn)對(duì)果皮韌性的影響均呈極顯著（P<0.01），C 點(diǎn)對(duì)果皮韌性呈顯著性影響（P<0.05），其它點(diǎn)位不顯著。

3 討論

硬度對(duì)果實(shí)品質(zhì)、果實(shí)貯藏特性和貯藏效果的影響極大［17］。已有研究表明，穿刺不同方位試樣果皮，對(duì)其果皮硬度、韌性、破裂深度等參數(shù)影響顯著［8，18-19］。菠蘿果皮不同部位生物力學(xué)參數(shù)存在差異的主要原因是果皮表面螺旋排列的子房尖刺與凹陷導(dǎo)致的。在相同加載速率、相同穿刺截面的條件下，不同點(diǎn)位穿刺試驗(yàn)結(jié)果表明，不同品種菠蘿在不同點(diǎn)位下的果皮硬度F排序均為A>C>B>D>E，相關(guān)性分析結(jié)果表明4 個(gè)品種不同穿刺部位對(duì)果皮硬度的影響均顯著。由于不同品種菠蘿的果眼生長(zhǎng)的速度和停止時(shí)間不同，其果眼隨果實(shí)膨大而加深、擴(kuò)張，不論哪種類(lèi)型的品種，開(kāi)花時(shí)的花萼內(nèi)側(cè)面基本處于直立狀態(tài)；開(kāi)花后，宿萼因背面一側(cè)生長(zhǎng)量較大而導(dǎo)致向內(nèi)彎曲，萼基角逐漸變?。?6］，因此果眼、果眼交界處所需穿刺力不同，硬度F受不同穿刺部位影響顯著，與蔣冰瑤等［12］試驗(yàn)結(jié)果相似。

與其它果蔬果皮相比，菠蘿果眼深可達(dá)（1.08±0.03） cm［20］，果皮結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不同品種菠蘿存在果眼深度不一致的現(xiàn)象。其它果蔬果皮由于果皮較薄，穿刺試驗(yàn)結(jié)果易受果肉物性參數(shù)干擾，導(dǎo)致其物性參數(shù)間規(guī)律與菠蘿果皮有所不同。試驗(yàn)結(jié)果表明，4 種菠蘿A 點(diǎn)果皮破裂深度均為最大，原因可能是在相同加載速度下探針需要更大的穿刺深度才能穿透A 點(diǎn)處果皮，穿透A 點(diǎn)所需加載深度明顯高于其他穿刺點(diǎn)位。隨著穿刺深度不斷增加，探頭處接觸力不斷增大，當(dāng)達(dá)到最大受力時(shí)，果皮破裂導(dǎo)致受力突降，與杜昕美等［21］試驗(yàn)結(jié)果相似。

果皮韌性指果皮受到穿刺損傷后的抗壓程度。穿刺試驗(yàn)結(jié)果表明，果皮韌性與果皮破裂深度大小排序一致、果皮彈性模量大小排序相反，不同品種菠蘿A 穿刺點(diǎn)位處韌性均最大，而其它點(diǎn)位韌性大小受品種影響導(dǎo)致排序不同。與王啟慧等［18］相關(guān)性分析結(jié)果不同的是，除‘巴厘’外的品種對(duì)果皮韌性的影響均不顯著，除E 點(diǎn)、C 點(diǎn)外的穿刺點(diǎn)位對(duì)果皮韌性的影響均不顯著，可能由于菠蘿果皮構(gòu)造較復(fù)雜，不同品種菠蘿基因表達(dá)存在差異。

本研究通過(guò)對(duì)4 種菠蘿果眼及果眼邊界處穿刺試驗(yàn)和相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與性狀對(duì)果皮硬度、破裂深度、果皮彈性模量、果皮韌性存在影響且不同果眼邊界處生物力學(xué)性能不一致，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期一致。有研究表明果皮硬度、破裂力等物性參數(shù)可能受果實(shí)果皮厚度、半纖維素含量、含水率、果實(shí)成熟度等因素影響［22］，后續(xù)應(yīng)針對(duì)果皮黏力、彈力、內(nèi)聚性等做進(jìn)一步分析。

本研究明晰了不同品種菠蘿由于果眼性狀不同導(dǎo)致其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮彈性模量變化區(qū)間以及果皮韌性不一致的客觀規(guī)律，從微觀角度分析菠蘿果皮所承受的生物力學(xué)負(fù)荷，為動(dòng)態(tài)作業(yè)過(guò)程中裝備夾具、刀具等的適用性進(jìn)行定量分析和綜合評(píng)價(jià)提供參數(shù)，為后續(xù)建立菠蘿果皮虛擬樣本-產(chǎn)前產(chǎn)后作業(yè)環(huán)境的生物力學(xué)耦合模型及基于生物力學(xué)參數(shù)的菠蘿機(jī)械碰撞損傷綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)提供一定參考依據(jù)。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究通過(guò)對(duì)‘巴厘’、‘金菠蘿（MD2）’、‘甜蜜蜜（臺(tái)農(nóng)16 號(hào)）’、‘金鉆（臺(tái)農(nóng)17號(hào)）’4 種菠蘿果皮進(jìn)行穿刺特性試驗(yàn)，明確了菠蘿品種不同對(duì)果皮硬度、破裂深度、果皮彈性模量、果皮韌性存在影響且不同果眼邊界處生物力學(xué)性能不一致的現(xiàn)象，主要結(jié)論如下：

（1）4 個(gè)品種菠蘿果皮硬度F 排序均為A>C>B>D>E，硬度F 受不同穿刺部位影響顯著。

（2）不同穿刺點(diǎn)位果皮破裂深度均在8~10 mm 區(qū)間范圍內(nèi)，4 種菠蘿A 點(diǎn)果皮破裂深度均為最大，而其他穿刺點(diǎn)位深度排序不一致。

（3）‘巴厘’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠蘿’果皮彈性模量區(qū)間為0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金鉆’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 2~0.014 8 Mpa。果皮破裂深度受不同穿刺點(diǎn)位彈性模量影響較大。

（4）菠蘿果皮物性參數(shù)存在各向異性，不同穿刺點(diǎn)位處韌性大小與果皮破裂深度大小排序一致，而穿刺處果皮彈性模量越小，該點(diǎn)位韌性越大。

本研究為不同品種菠蘿果皮硬度、果皮破裂深度、彈性模量以及韌性提供了一定的物性規(guī)律，為進(jìn)一步探究不同生長(zhǎng)發(fā)育階段菠蘿果皮生物力學(xué)性能提供了一定科學(xué)依據(jù)。同時(shí)為新型菠蘿作業(yè)裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造工藝提供一定理論基礎(chǔ)。