宽皮柑橘移动夹持剥皮力学特性与果皮分离特性试验研究

陈 红，徐翔宙，尹伊君，潘海兵，鲍秀兰，李善军，徐勤超

（华中农业大学工学院，武汉 430070）

宽皮柑橘移动夹持剥皮力学特性与果皮分离特性试验研究

陈 红，徐翔宙，尹伊君，潘海兵，鲍秀兰，李善军，徐勤超

（华中农业大学工学院，武汉 430070）

为了解决目前柑橘剥皮设备，果皮一次剥净率较低，且损伤率较高。需要人工二次剥皮等问题，探索宽皮柑橘剥皮方法，该文以温州蜜柑为研究对象，利用自制的试验平台开展柑橘剥皮试验，对比了不同加载条件（不同剥皮方向、剥皮宽度及剥皮速度）对温州蜜柑的果皮分离过程中拉力值以及果皮分离位移的影响规律。试验结果表明：1）柑橘的剥皮特性具有各向异性，剥皮方向对剥皮特性具有显著性影响（P＜0.05），沿柑橘轴向方向剥皮，剥离的果皮长度与径向相比长约15%，且剥皮过程果皮能够均匀剥离；2）柑橘果皮分离过程中大致存在3种果皮断裂形态，其中剥离的果皮形态呈对称状，剥皮过程较为平稳；而剥离的果皮形态呈偏移或是果皮边缘带锯齿状，剥皮过程均存在波动过程，果皮呈斜向撕裂，剥离的果皮长度小于正向撕裂的对称状果皮长度；3）剥皮宽度、剥皮速度对柑橘果皮分离的最大拉力值有显著影响（P＜0.05），对果皮分离位移影响不显著（P＞0.05），其对剥皮长度影响较小，根据试验指标及自身剥皮设备参数，夹持较宽（采用环割划皮）的果皮，较高的剥皮速度（300 mm/min以上），利于提高剥皮效率。该研究可为宽皮柑橘的机械剥皮加工设备提供一定的理论依据。

剥皮；力学特性；试验；柑橘；剥皮方向；剥皮宽度；剥皮速度

0 引 言

柑橘剥皮是生产桔瓣罐头、果醋等加工品的重要环节[1-2]。由于柑橘果皮脆性较大，难以成片剥离，加之果肉柔嫩，易损伤，这些都增大了机械剥皮的难度。20世纪60～70年代，日本作为曾经的柑橘罐头主产国，研制过成套的柑橘罐头加工设备，利用轴向齿辊，将果皮从果实上拉扯下，但此套设备剥净率极低，大部分柑橘上都有残留果皮。20世纪80年代，阿根廷在现有技术基础上研究了一种带刀对辊剥皮柑橘剥皮设备[3]；国内，浙江象山双鱼轻工机械有限公司、浙江省农科院等单位借鉴美国、日本技术，也开发了一些柑橘剥皮设备[4-6]。此类设备采用的都是随机划皮，通过高速旋转的刀辊在柑橘表面划出多道切口，柑橘与划皮刀辊的接触存在较大随机性，属随机划皮，且柑橘果蒂（果柄处）的橘皮较其他部位硬且厚，橘络密度大，橘皮与橘瓣间的黏附力大等自身性质原因，导致后续对辊剥皮时剥净率低[7-10]等技术问题。

实现柑橘果皮分离，达到高剥净率、低破损率的理想方式是，用较小的分离拉力撕扯下大片的果皮，撕扯过程中需要的拉力越小，果肉破损的机率越低；分离位移越大，能够撕扯下的柑橘果皮越长，则柑橘剥净率越高。迄今，在柑橘力学特性研究方面，国内外学者主要针对柑橘储运、贮藏、采摘中的碰撞、挤压、机械损伤[11-14]等力学问题开展了大量研究。姜松等[15-16]对柑橘整果进行压缩和穿刺试验，得出了柑橘力学差异性与果实横、纵径以及果皮和果肉结构等有关；张水波等[17-18]利用弹性力学 Hertz理论对宽皮柑橘的受力与变形量的关系进行了理论分析和试验验证，为保证柑橘不受损伤，抓持力不能高于10 N；William分析了佛罗里达州常见5种柑橘受冷冻后对压缩和穿刺有显著影响[19]；Katsiferis等[20]利用压缩试验，研究甜橙甜化过程中的硬度、破坏应力、破坏应变和杨氏弹性模量变化规律；Fidelibus等[21]得出了柑橘类水果果实抗压、抗剪特性等剥离机械性能与果皮厚度相关；Moresi等[22]对塔罗科血橙在应力松弛试验下得出其为黏弹性固体；Singh等[23]研究了采摘后橙子在垂直方向果顶处硬度、穿刺力等机械性能明显高于中间部分。而有关柑橘果皮分离方面的理论研究比较薄弱，国内外鲜有柑橘剥皮力学特性方面的文献见诸报道。

受柑橘本身特性的影响，现有宽皮柑橘剥皮设备普遍存在果皮一次剥净率较低，果肉损伤率高等问题[24-26]，限制了柑橘加工业的发展。实现柑橘果皮的机械剥离，模仿手工剥皮而不是车削式等方式切除果皮，需要研究在外界载荷作用下其机械性能的响应，也就是，柑橘果皮分离过程中分离拉力以及柑橘分离位移的变化规律。本文利用自制的果蔬剥皮力学特性试验平台探索柑橘果皮分离过程的力学行为，研究柑橘果皮分离特性以及果皮的断裂形式，确定影响果皮分离效果的关键因素对柑橘剥皮性能的影响，以期为柑橘低损高效剥皮装备的设计提供技术理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

购买同批次宜昌产温州蜜柑，试验时选用成熟程度近似，即果皮颜色为橙黄色[27]，表面没有发生破损且新鲜的柑橘进行试验，一共120个。

1.2 仪器与设备

基于 TMS-PRO质构仪搭建的柑橘剥皮力学特性试验平台如图 1所示，主要包括北京盈盛恒泰科技有限责任公司生产的TMS-PRO质构仪（最小感应力为0.01 g、位移解析度0.000 1 mm）、固定架、固定夹持机构、移动夹持机构。固定夹持机构包括固定座、回转轴和 2个夹持刃，用于夹紧固定柑橘并绕回转轴转动；移动夹持机构包括果皮夹、驱动绳索和定滑轮，驱动绳索的一端与果皮夹连接，另一端绕过定滑轮与位于定滑轮上方的质构仪的驱动探头连接。

图1 基于TMS-PRO质构仪的柑橘剥皮力学特性试验平台Fig.1 Experimental platform of citrus peeling mechanical properties based on TMS-PRO texture analyzer

1.3 试验设计

1.3.1 剥皮试验原理及指标选取

试验时，取柑橘经过85 ℃热水热烫70 s处理，果皮韧性提高[28]，用特制划皮刀，根据不同试验条件人工手动划皮，使果皮向外翻出10～15 mm，方便平稳装夹，如图2a所示径向剥皮试验，将柑橘果顶、果蒂固定于固定夹持机构的2个夹持刃中。图2b所示轴向剥皮试验，将柑橘纵轴垂直于夹持刃，径向部分固定于固定夹持机构的 2个夹持刃中。由姜松等[15]研究可知，径向与轴向平均压缩抗力大于100 N，因此夹持力在10 N使柑橘压缩位移为4 mm左右并不影响柑橘整体物理特性。移动夹持机构的果皮夹夹住果皮外翻部分，启动质构仪，当质构仪的移动探头带动移动夹持机构运动时，克服果皮与果肉之间的黏附力，开始与果肉分离，随着质构仪探头继续拉动果皮，而夹持端为自由转轴带动柑橘不断转动，果皮连续从柑橘表面剥离。整个剥皮过程，探头匀速上升，直至果皮被拉断，试验结束。以试验由质构仪所得果皮分离拉力与果皮分离位移曲线图中的最大拉力与分离时位移为试验指标。其中实时位移以及拉力值可根据质构仪探头与之相应软件直接读出数值大小及相对应的曲线图，最大拉力值越小，说明柑橘果、皮越容易分离；分离时位移越大，说明被剥离的果皮长度越长，剥皮的效果越好。

图2 柑橘剥皮试验现场Fig.2 Citrus peeling test site

1.3.2 试验设计与因素水平

1）为了研究剥皮方向对柑橘果皮分离性能的影响，设置沿径向剥皮、中部往底部（果蒂）轴向剥皮、中部往顶部轴向剥皮、顶部往中部轴向剥皮、底部往中部轴向剥皮等5种不同的剥皮方向，共5组试验，每组试验10次（10个柑橘），其中剥皮速度为100 mm/min，剥皮宽度为25 mm。

2）剥皮宽度对柑橘果皮分离性能的影响 取剥皮方向为径向剥皮，剥皮速度为 100 mm/min，设置 20、25和30 mm 3组不同的剥皮宽度试验，每组试验10次。

3）剥皮速度对柑橘果皮分离性能的影响取剥皮方向为径向剥皮，剥皮宽度为 30 mm，设置 100 、200和300 mm/min 3组不同的剥皮速度进行试验，每组试验10次。

1.3.3 柑橘几何尺寸及不同部位果皮厚度测定

同一个柑橘果皮的厚度因其分布位置不同而有差异，为了研究其差异性对剥皮特性的影响，定义横径为柑橘最大赤道直径，纵径为果蒂（果柄处）到果顶中心之间的直线距离。取以上11组试验的110个剥皮后的柑橘以及10个没有进行剥皮试验的柑橘，分为12组，测量时分别取果顶部、横径处、果蒂部果皮进行测量，由于柑橘果皮厚度不是完全均匀，同时对这 3个部位各随机取 3处果皮厚度，利用数显游标卡尺轻压果皮测量，选取其平均值作为柑橘果皮厚度值。

2 试验结果分析

2.1 柑橘几何尺寸及果皮厚度

柑橘的果皮厚度及几何尺寸如表 1所示，柑橘横径为(61.35±3.2) mm，纵径为(46.43±5.3) mm。柑橘果实球形指数（横径与纵径比值）的均值1.33，外形呈扁圆形。不同部位果皮厚度不同果蒂部(2.60±0.49)mm＞果实顶部(2.39±0.39) mm＞中径部(2.32±0.41) mm，也就是中间薄，两端厚。由柑橘生物学特性可知，果实生长所需的营养物质是由位于果蒂部位的果柄通过分生的维管束（橘络）输送的，果蒂和果顶部均有紧密包绕的橘络，导致果皮厚度增加，果蒂处维管束（橘络）最丰富，所以果皮最厚；从果蒂、果顶往中部方向，橘络逐渐减少，果皮厚度也随之减小。加之果实发育过程中，果皮细胞增大，果实中部果皮受到果肉膨胀挤压，果皮逐渐变薄[29-30]。

表1 柑橘形状参数及不同部位果皮厚度Table 1 Fruit shape parameter and peel measurement of citrus

2.2 果皮分离力-变形规律

图 3是典型的反映剥皮过程中载荷-位移关系的曲线。在曲线的第一阶段，图中A区，力与位移的关系均近似为线性曲线，在弹性变化范围内，果皮能够克服果肉和果皮之间附着力而分离开来的载荷（分离拉力）不断增大。当载荷快速上升到一个转折点后，载荷和变形的关系曲线开始偏离第一区段，进入复杂的屈服阶段，此时的拉力通常称为屈服力，载荷-位移曲线显示为典型的锯齿形（B区），这时柑橘果皮开始出现撕裂，果皮撕裂后至被完全拉断有较长一段过程，在这一过程中载荷波动较大，位移急剧增大。在屈服阶段，弹性变形和塑性变形同时发生，塑性变形是主要的。在此皮-肉粘连区，曲线呈锯齿形波动。受柑橘个体差异性以及不同剥皮方向受力大小、角度的影响，果皮断裂的形式不同，很少出现突然断裂。随着拉力继续增加，果皮随着撕裂口从一个方向撕开，然后逐渐撕裂成一个尖点，柑橘果皮达到断裂点，产生断裂，最终果肉与果皮完成分离，即进入曲线第三阶段，分离后拉力迅速下降，对应的载荷即为柑橘果皮断裂力，此时受力变为0，出现图3中所示载荷垂直向下变化。此过程中无明显生物屈服点出现。整个分离过程很难确定果皮开始撕裂的阶段，因为撕裂发生于一个角，然后逐渐撕裂成一个尖点。

图3 柑橘剥皮试验载荷-位移曲线图Fig.3 Load-displacement curve of citrus peel test

根据径向及轴向果皮剥皮试验中，柑橘果皮分离存在3种果皮断裂形态，见图4可知，3种形式都具有沿一个聚集的方向被撕裂的共同特征，果皮正向对称撕裂形式较为常见，剥皮过程较为平稳，柑橘果皮长度最大，分离位移最佳；而当果皮斜向撕裂呈现不对称状态时，剥离过程渐停，果皮分离时位移变小，因而果皮长度减小；锯齿形式果皮呈锯齿状，在分离过程中果皮出现二次裂纹，果皮较早断裂，导致果皮长度短。

图4 载荷-位移曲线及果皮断裂形态Fig.4 Load-displacement curve of citrus peel test and fracture morphology of peel

如图4a所示，在拉伸载荷作用下，剥皮过程中有一个快速增长的力（A区），即拉力克服果皮果肉之间橘络黏附力做功的过程，果皮沿着预制撕裂方向撕开，撕裂开始于一个角度，进入较为稳定期B区，从图4b看出果皮随之宽度变窄，橘络黏附力降低，载荷波动较大，位移急剧增大，以橘皮撕裂为主，逐渐撕裂成一个尖点，最终完成果皮分离，分离后拉力迅速下降果皮出现断面，实现柑橘果皮分离。这种果皮分离的形式比较常见，且剥皮过程较为稳定，大部分出现在轴向剥皮，分离时位移较大，更有利于实现高的果皮剥净率。

如图4c所示，与对称形式相比，不对称断裂的果皮存在一个力降低的过程（C区），原因在于柑橘果皮沿着预制裂纹撕裂时，既要克服果皮果肉之间的橘络黏附力，同时果皮两端撕裂时受到的力不等，果皮从起始方向斜向撕裂，拉力降低，之后进入到撕裂的稳定期，沿着撕裂角度方向撕开，形成的断面尖角，此种分离形式导致果皮分离位移均较小，该种形式多发生在径向剥皮，究其原因剥皮过程总沿着曲率梯度方向进行，而径向曲率半径变化较小处，阻碍柑橘剥皮的实现，因此柑橘果皮剥离过程中，便斜向撕裂。

而对于锯齿状形式，如图4e所示，柑橘果皮在拉伸过程中出现2次增长趋势（A、B区），在果皮沿着预制裂纹撕裂，迅速进入了二次撕裂过程，这种果皮边缘呈锯齿状断裂形式多表现在柑橘果实表面呈凹凸状且果皮韧性较小，轴向径向剥皮均存在，究其原因，进入二次撕裂的柑橘果皮撕裂方向均产生不对称的现象，果皮表面曲率变化较大，橘络分布较不均匀，且果皮韧性较低，预制裂纹两端受到的力不等，导致一端果皮发生二次撕裂，柑橘果皮两侧斜向撕裂。这种果皮分离的形式导致分离的位移较小，不利于实现高的果皮剥净率。

2.3 剥皮方向对果皮分离特性的影响

如图5所示，为剥皮宽度为25 mm，不同剥皮方向对柑橘果皮分离力学特性的影响。剥皮方向对柑橘最大拉力值影响极显著（P=0.006），对分离时位移影响显著（P=0.016），据图5数据分析得，轴向相比径向剥皮分离时位移长约15%，是影响柑橘果皮分离效果的主要因素。轴向剥皮中，从果顶部往中部轴向剥皮所需分离力最小，但是果皮分离位移也小；其他 3个轴向剥皮时所需的剥离力大于径向剥皮，分离位移也比径向剥皮时大，表明轴向剥皮剥离的果皮长度比径向剥皮的长度长，尤其是从果实横径中部往果蒂、果顶方向剥皮，分离位移大。

图5 剥皮方向对柑橘剥皮试验影响结果Fig.5 Influence of peeling direction on peeling test of citrus

剥皮方向导致的剥皮效果的差异与柑橘果实的生物学特性有关，由表 1可知，靠近柑橘果蒂、果顶部，橘络较为紧实，因此从中部往两端轴向剥皮，需要克服更大的橘络黏附力，同时由于果皮厚度增加，分离过程中果皮不容易断裂，因此，剥离的果皮长度较长。

对于目前的对辊方式等柑橘剥皮设备中，径向剥皮完成一次剥皮后，后续残余果皮较难被辊齿夹持住，而完成一次轴向剥皮，大部分未剥去的果皮仍有较大几率被辊齿夹持，再经对辊去除果皮。

试验结果表明，剥皮方向影响剥离果皮长度。在目前的对辊方式剥皮中，辊轮夹持果皮撕扯方向即为试验中的剥皮方向，随机划皮引起柑橘起始剥皮方向和划皮宽度不确定，导致对辊剥皮时从果面上撕扯下来的果皮长度短，且容易被拉断，影响剥净率，果皮收回率也不高；另一方面随机划皮，受果皮厚度不同及橘络分布不均等自身特性影响，易造成果肉损伤，因此，应该从采用定向划皮代替以往的随机划皮并采用轴向剥皮等方面对现有剥皮设备进行改进。

对柑橘果皮分离过程进行受力分析，以进一步探究剥皮方向对柑橘果皮分离力学特性的影响。根据著名Rivlin公式以及Kendall等研究[31-32]，外力F在剥离过程中做功为2部分形式：1）克服果皮和果肉之间的橘络黏附力做功；2）由于柑橘果皮的拉伸，部分转化为柑橘果皮弹性势能。

根据能量守恒有：

整理得剥离角度θ与剥离力F间的关系，

式中R为单位长度下柑橘果皮分离所需耗能，J；ΔC为剥离长度，mm；L为柑橘果皮剥皮宽度，mm；d为柑橘果皮厚度，mm；F为柑橘果皮所受拉力，N；E为柑橘果皮弹性模量，MPa；θ为剥离角度，(°)。柑橘果肉和果皮间连接力做功为：1=QR C- Δ ；柑橘果皮弹性势能为：

剥离角度θ为剥离力F与Y轴（竖直方向）的夹角，由于柑橘果皮表面曲率半径实时变化，轴向与径向变化率相差较大，且试验平台夹持柑橘轴会因随剥离力F带动柑橘旋转，因此剥离角度θ是动态变化。根据式（2），利用matlab，绘制出剥离力F与剥离角度θ关系理论曲线，如图6所示，剥离力F随剥离角度θ的减小而快速增大，由公式（1）可知，F增大，则柑橘果皮弹性势能快速增大，表明能量大多转化为用于拉果皮的弹性势能；当剥离角度为0°时，此时为纯拉伸果皮，直至果皮拉断，即做功完全用于果皮弹性势能的增加，果皮无法从果肉上剥离。

受柑橘形状影响，剥皮方向不同造成剥离角度不同。轴向剥皮时受力分析如图7a～7b所示，由于柑橘整体呈扁圆形，从果实中径到果实两端曲率半径逐渐增加，分离拉力F拉扯果皮的过程中，拉力方向发生变化，导致剥离角度θ逐渐增加，沿X方向拉力增加，拉力大部分克服橘络连接力做功，拉至果实端部，将果皮拉断。

图6 不同剥皮方向下剥离力与剥离角度曲线Fig.6 Peeling force curve varies with peeling angle under different peeling directions

图7 柑橘剥皮受力分析示意图Fig.7 Peeling force analysis diagram of citrus

径向剥皮时受力分析如图7c所示，由于柑橘径向具有较大圆度，曲率半径变化较小，剥离角度θ改变较小，拉力F剥离一段果皮后，拉力F做功转化为果皮弹性势能较多，直至果皮拉断，更多地表现为果皮承载作用，而不是克服橘络间的黏附力，从而剥皮长度较短。

2.4 剥皮宽度、剥皮速度对果皮分离特性的影响

如图8a所示，为不同剥皮宽度下的径向剥皮试验。剥皮宽度对柑橘果皮分离最大拉力值（P=0.034）有显著影响，对分离位移（P=0.795）影响不显著。随剥皮宽度增加，需要克服的橘络黏附力变大，果皮分离最大拉力值随之变大。在剥皮宽度为25 mm时，最大拉力值较低，为2.31 N，当剥皮宽度为35 mm时，最大拉力值增为2.55 N。剥皮宽度在 25～35 mm 范围内，分离位移为 47.32～48.33 mm，其显著性P=0.795，表明剥皮宽度对分离时位移影响并不大，剥离果皮长度差别小。

试验说明，对于目前的对辊式柑橘剥皮设备，剥皮宽度大，所需的辊轮夹持力大，利于提高剥离果皮面积，因此在剥皮设备中增加最大赤道面处环割的定向划皮，驱使辊轮能夹持更长的果皮，提高剥皮效率。

不同剥皮速度下果皮分离的最大拉力值及果皮分离位移，如图 8b所示。剥皮速度对柑橘最大拉力值（P=0.043）有显著影响，对分离位移（P=0.105）影响不显著。当剥皮速度增加时，果皮分离最大拉力值增加。果皮分离要同时克服 2部分能量：橘络连接层的黏附能以及果皮的断裂能。据有关研究表明，层状多聚物间的黏附能与剥离速度有关。Kendall等[32]曾研究过薄膜胶带和有机玻璃板间黏附力与剥离速度的关系，在平稳剥离过程中，剥离力随着剥离速率的增加而增加；在实际中单位剥离能R是关于剥离速度的变量，见式（3），单位长度剥离能R和剥离强度之间也存在着正相关关系，验证了试验中柑橘剥皮随着剥皮速度的增加，剥离力F也会相应的增加。

图8 不同加载条件对柑橘剥皮试验影响结果Fig.8 Effects of different loading conditions on peeling test of citrus fruit

在实际对辊剥皮设备中，试验剥皮速度表征辊轮速度。由动能定理可知，随着辊轮速度增加，辊轮夹持力增加，撕扯果皮速度更快；因此在配合柑橘翻转速度下，尽可能需要选用较高的辊轮转速，提高剥皮速度。

3 结 论

通过宽皮柑橘剥皮力学特性试验以及对试验数据的定量和定性分析，探讨了宽皮柑橘在不同剥皮方向、剥皮宽度和剥皮速度下的果皮分离规律，得出的主要结论有：

1）温州蜜柑果皮分离存在3种果皮断裂形态；果皮对称撕裂、果皮斜向撕裂和锯齿形式果皮边缘呈锯齿状，其中对称形式，柑橘果皮长度最大，分离位移最佳。

2）果皮的抗拉能力具有明显各向异性；剥皮方向对柑橘果皮分离时的最大拉力值影响极显著，对分离时位移亦有显著影响（P＜0.05）；柑橘呈扁圆形，与径向等方向剥皮相比，轴向剥皮剥离角度变化范围大，果皮剥离时果皮更长，约15%，有利于柑橘果皮剥离；径向剥皮，更多表现为果皮承载作用。

3）剥皮速度和剥皮宽度对柑橘果皮分离的最大拉力值有影响，但对分离时位移的影响不显著。果皮分离力随着剥皮速度和剥皮宽度的增大而增大，剥皮机构允许的范围下，尽可能地选择较大的剥皮宽度（即采用环割划皮），较高剥皮速度（300 mm/min以上），提高目前的对辊去皮的剥皮效率。

[1] 单杨. 我国柑橘工业现状及发展趋势[J]. 农业工程技术，2014(4)：13－17.Shan Yang. Present situation, development trend of citrus industry in China[J]. Journal of Chinese Institute of Food Science and Technology, 2014(4): 13－17. (in Chinese with English abstract)

[2] 单杨. 现代柑橘工业[M]. 北京：化学工业出版社，2013：9－11.

[3] Silvestrini J A, Morsucci J C. Fruit peeling rollers:US4444096[P]. 1982-10-29.

[4] 蒲焕祥，周玉林，欧昌豪. 桔子剥皮机：CN1631272A [P].2005-06-29.

[5] 张俊，陆胜民，夏其乐，等. 一种用于柑橘剥皮机的划皮装置：CN102919982A[P]. 2013-02-13.

[6] 孙震鹏，孙振华，孙振国，等. 仿形喂入辊式桔子剥皮机:CN103829353A[P]. 2014-06-04.

[7] Davies P O, Dromgool N C, Collinson G L, et al. Peeling apparatus and method: US 5545422[P]. 1996-08-13.

[8] 陈红，余豹，王振亚，等. 宽皮柑橘剥皮机对辊式剥皮装置工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2015，31(4)：293–298.Chen Hong, Yu Bao, Wang Zhenya, et al. Process parameter optimization of dual-roller peeling device for satsuma mandarin peeling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 293－298. (in Chinese with English abstract)

[9] 潘海兵，王振亚，陈红，等. 宽皮柑橘对辊式剥皮机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(12)：239－245.Pan Haibing, Wang Zhenya, Chen Hong, et al. Design and experiment on dual rollers peeling machine for satsuma mandarin[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015,31(12): 239－245. (in Chinese with English abstract)

[10] 久我高昭. 柑橘切割机：日本2011-172558[P]. 2011-09-08.

[11] 鲍黄贵. 基于机器人采摘的柑橘力学特性分析及柑橘贮藏期品质变化研究[D]. 镇江：江苏大学，2009.Bao Huanggui. Studies on Mechanical Properties of Orange in Response to Robotic Harvesting and Quality Changes During Storage[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[12] 赵学伟，魏益民，杜双奎. 挤压引起食品特性变化的数学模型研究综述[J]. 农业工程学报，2008，24(10)：301－307.Zhao Xuewei, Wei Yimin, Du Shuangkui. Review on mathematical models of food property changes induced by extrusion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(10): 301－307. (in Chinese with English abstract)

[13] 卢立新，周德志. 基于疲劳损伤理论的果品振动损伤模型表征[J]. 农业工程学报，2009，25(11)：341－344.Lu Lixin, Zhou Dezhi. Model for vibration-cumulative bruising of fruit based on fatigue damage theory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(11): 341－344. (in Chinese with English abstract)

[14] 洪添胜，杨洲，宋淑然，等. 柑橘生产机械化研究[J]. 农业机械学报，2010(12)：105－110.Hong Tiansheng, Yang Zhou, Song Shuran, et al. Mechnization of citrus production[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010(12): 105－110. (in Chinese with English abstract)

[15] 姜松，鲍黄贵，蔡健荣，等. 柑橘力学差异性研究[J]. 江苏农业科学，2009(5)：244－246.Jiang Song, Bao Huanggui, Cai Jianrong, et al. Study on the difference of citrus mechanics[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2009(5): 244－246. (in Chinese with English abstract)

[16] 姜松，鲍黄贵，蔡健荣，等. 不同成熟度柑橘力学特性研究[J]. 食品工业科技，2009，30(12)：117－119.Jiang Song, Bao Huanggui, Cai Jianrong, et al. Study on mechanical parameters of orange at different maturity stages[J].Science and Technology of Food Industry, 2009, 30(12): 117－119. (in Chinese with English abstract)

[17] 张水波. 柑橘采摘机器人末端执行器研究[D]. 杭州：浙江工业大学，2011.Zhang Shuibo. Study on End-effector of Citrus Harvesting Robot[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology,2011. (in Chinese with English abstract)

[18] Johnson K L. 接触力学[M]. 徐秉业，罗学富，刘信声，等译，北京：高等教育出版社，1992：96－122.

[19] William. Physical properties data for postharvest handling of Florida citrus[J]. Applied Engineering in Agriculture 1987,3(1): 123－128.

[20] Katsiferis T, Zogzas N, Karathanos V T. Mechanical properties and structure of unripe oranges during processing of “spoon sweets”[J]. Journal of Food Engineering, 2008, 89(2): 149－155.

[21] Fidelibus M W, Teixeira A A, Davies F S. Mechanical properties of orange peel and fruit treated pre-harvest with gibberellic acid[J]. Transactions of the Asae American Society of Agricultural Engineers, 2002, 45(4): 1057－1062.

[22] Moresi M, Pallottino F, Costa C, et al. Viscoelastic properties of tarocco orange fruit[J]. Food and Bioprocess Technology,2012, 5(6): 2360－2369.

[23] Singh K K, Reddy B S. Postharvest physico-mechanical properties of orange peel and fruit[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 73(2): 112－120.

[24] 久我高昭. 果皮切割机及切削方法：2013-201910[P].2013-10-07.

[25] 丰田雅弘，木村太輔，佐藤和史. 柑橘类水果的剥离装置和方法： 2016-21882[P]. 2016-02-08.

[26] 张亚伟，钱俊. 剥皮/去壳设备的现状及发展展望[J]. 木材加工机械，2008(2)：47－50，35.Zhang Yawei, Qian Jun. Current situation and development trend of the peeling and hill equipment[J]. Wood Processing Machinery, 2008(2): 47－50, 35. (in Chinese with English abstract)

[27] 曹乐平. 柑橘成熟度多重分形无损检测[J]. 农业机械学报,2011，42(7)：182－185.Cao Leping. Non-destructive detection of maturity degree of citrus fruit based on multi-fractal[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(7): 182－185. (in Chinese with English abstract)

[28] 王丽娟. 柑橘热烫去皮研究[C]//农产品加工学术年会论文集，2015：6.Wang Lijuan. The study of blanching peeling of citrus[C]//Academic Proceedings of Agricultural Products Processing.2015: 6. (in Chinese with English abstract)

[29] 熊艺. 温州蜜柑隔年交替结果果实品质分析[D]. 武汉：华中农业大学，2013.Xiong Yi. Analysis of the Quality of Alternate Bearing Fruit of Satsuma[D].Wuhan: Huazhong Agricultural University,2013. (in Chinese with English abstract)

[30] 刘芳，刘永忠，彭抒昂. 温州蜜柑粗皮大果形成过程的解剖学研究[J]. 果树学报，2012(5)：789－793.Liu Fang, Liu Yongzhong, Peng Shuang. Anatomically study on the forming process of rough fruit of Satsuma[J]. Journal of Fruit Science, 2012(5): 789－793. (in Chinese with English abstract)

[31] Rivlin R S. The Effective Work of Adhesion[M]. New York:Collected Papers of R.S. Rivlin. Springer New York, 1997:2611–2614.

[32] Kendall K. Thin-film peeling-the elastic term[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 1975, 8(13):1449–1452.

Experimental study on mechanical properties and peel separation characteristics of citrus reticulate blanco with peel clamped moving

Chen Hong, Xu Xiangzhou, Yin Yijun, Pan Haibing, Bao Xiulan, Li Shanjun, Xu Qinchao
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan,430070,China)

The mechanical properties of Satsuma mandarin are an important basis for the design and control of the automatic peeling device. In this paper, Satsuma mandarin was taken as the research object, and TMS-PRO texture analyzer was adopted.Special scissors cut along the fruit radial (fruit maximum equatorial diameter direction) and axially peeled out and pulled out different peeling widths. Citrus fruit top and pedicle were fixed in the 2 clamping edges of the fixed clamping mechanism or the longitudinal axis perpendicular to the clamping edges, and the radial part was fixed in the 2 clamping edges of the fixed clamping mechanism. Gripper clamped the peeled part of the peel. The moving probe of the texture instrument drove the gripping mechanism to move to overcome the adhesive force between peel and pulp. As the texture instrument continued to pull peel, the peel was peeled off from citrus surface. The maximum tensile force and the displacement in the separation of peel were obtained, which were as the experimental indices. The smaller the maximum separation tension, the more easily separated the skin of the citrus fruit; the separation of the larger displacement indicated that the longer the peeled peel length,the better the effect of peeling. The paper studied the peeling law of Satsuma mandarin in different pulling direction, pulling width and pulling speed by carrying out the mechanical properties test of peeling citrus. The main results were as follows:Firstly, there were 3 types of rupture during citrus peel separation (peel symmetrical tear, peel oblique tear and jagged cracks),in which the citrus peel length with symmetric cracks was the largest and the displacement was the best. Asymmetrical and jagged cracks forms of peel separation lead to shorter separation of peel, which is not conducive to achieving higher peel rate.Secondly, the stripping direction had the most significant effect on the maximum tension value of citrus fruits (P=0.006). The stripping direction also had a significant effect on the displacement (P=0.016). Results showed that the peeling strength of Satsuma mandarin had obvious anisotropy. Compared with radial direction of peeling, peeling width of the axial skin peeling is conducive to peel citrus, which can get longer peel. Thirdly, the peeling width had a significant effect on the maximal pulling force (P=0.034) and the displacement (P=0.795) in citrus fruit. When the peeling width was 25 mm, the maximum tension value was lower, 2.31 N. When the peeling width was 35 mm, the maximum tension value was larger, 2.55 N. When the peeling width was in the range of 25-35 mm, the displacement value was 47.32-48.33 mm and the fluctuation was small.Peel separation force increased as the width of the skin increased. For the existing citrus peeling machine with random cutting approach was not conducive to peeling, the ring cutting peeling should be used for the existing roller way to provide the possibility of axial peeling. At last, the maximum pulling force (P=0.043) and the separation displacement (P=0.105) were not significant. Peeling separation force increased with the increasing of pulling speed. For most of roller citrus peeling equipment,the maximum clamping force of the roller was generally much larger than the stripping force, so the citrus in the rolling process chose larger peeling width (the ring cut peel) and peeling speed, and peel separation process was more stable and efficient. In conclusion, this study provides an important basis for the design of wide-peel citrus peeling machine.

peeling; mechanical properties; experiments; citrus; peeling direction; peeling width; peeling speed

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004

S666.2；S226.4

A

1002-6819(2017)-14-0025-07

陈 红，徐翔宙，尹伊君，潘海兵，鲍秀兰，李善军，徐勤超. 宽皮柑橘移动夹持剥皮力学特性与果皮分离特性试验研究[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：25－31.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004 http://www.tcsae.org

Chen Hong, Xu Xiangzhou, Yin Yijun, Pan Haibing, Bao Xiulan, Li Shanjun, Xu Qinchao. Experimental study on mechanical properties and peel separation characteristics ofcitrus reticulate blancowith peel clamped moving[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 25－31. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004 http://www.tcsae.org

2017-01-11

2017-05-05

国家现代柑橘产业技术体系专项基金（农科教发[2011]3号）；湖北省自然科学基金（ZRY2014000710）；国家重点研发计划项目 智能农机 现代果园智能化精细生产管理技术 2017YFD0701400

陈 红，女，湖南长沙人，博士，副教授，主要从事农产品加工技术与装备研究。武汉 华中农业大学工学院，430070。

Email：chenhong@mail.hzau.edu.cn