果蔬机械损伤特性研究进展

张茜，李洋，王磊明，冯刚

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040）

果蔬机械损伤特性研究进展

张茜，李洋*，王磊明，冯刚

（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040）

运输是果蔬流通过程中必经的一个环节，并且容易对果蔬造成损伤。果蔬在流通过程中承受着静载、挤压、振动、跌落和冲击等多种载荷形式的作用，产生了机械损伤。在归纳和分析国内外果蔬机械损伤相关研究成果的基础上，分析果蔬振动损伤机理，从静压损伤、振动损伤、冲击损伤3个类型研究果蔬机械损伤，综述研究机械损伤方面建立的模型及减缓果蔬损伤的对策，并对未来的研究方向进行展望，旨在为今后更深入的研究提供借鉴和参考。

果蔬；机械损伤；损伤机理；损伤模型；减损对策

果蔬在采前和采后都会受到不同程度的机械损伤，果蔬的机械损伤是指其在采收、分级包装、装卸搬运、贮藏、运输、加工和销售等各个环节因受到挤压、跌落、碰撞、摩擦作用而造成的果实变形、果皮和果肉破损的现象[1]。机械损伤会直接造成果实受伤部位的细胞结构破坏，导致水分和汁液流失，果肉组织迅速软化，并引起受伤部位的组织褐变[2]。机械损伤加速了微生物对果蔬的侵害，导致果蔬发生霉变，使果蔬的品质和经济效益大大降低。因此，如何采用科学有效的措施来减缓果蔬在采后、运输流通和销售过程中的机械损伤是值得高度关注和亟待解决的问题。开展果蔬机械损伤规律及其影响因素的研究，不仅要从果蔬流通的各个环节对影响振动损伤的物理因素如振动频率、挤压力大小、跌落高度等因素进行探究，加大包装的减损设计以及优化改进等措施，还要从影响机械损伤的细胞机理层面进行探究，从果蔬的组织力学及流变学特性入手对果蔬振动损伤的机理进行全面的解释。本文综述了果蔬振动损伤机理及不同类型的机械损伤特性研究，提出了减缓果蔬机械损伤的几点合理性对策，并对机械损伤研究过程中存在的问题进行了讨论和展望，旨在为学者后续研究果蔬机械损伤提供参考，使我国果蔬流通产业朝着健康的方向发展。

1 果蔬振动损伤机理

1.1 果蔬的组织力学特性

果蔬的组织力学特性是研究振动损伤的基础，果蔬微观层次的差异决定了宏观特性上的差异。细胞壁承受细胞外部的载荷和内部液体的压力；液泡膜在细胞壁和胞内的液体之间，阻止着胞内液体的流进流出[3]。机械损伤会打破细胞的分布情况，对细胞造成破坏。果蔬细胞的排列方向和气体空间的大小与分布也会对果蔬机械损伤程度产生影响，果蔬细胞组织结构和排列情况如图1所示。

图1 果蔬的细胞组织结构示意图Fig.1 Sketch map of cell structure of fruits and vegetables

果蔬的振动损伤理论和宏观力学现象只有回归到细胞层面进行研究才能更深刻地揭示其变化规律，果蔬受到振动、冲击、摩擦和挤压等外力作用可造成细胞组织宏观损伤、细胞微观损伤和细胞器的微观损伤[4]。当果蔬受挤压和冲击等外力作用时，发生塑形变形，细胞滑移、破裂，整体表现为软化和细胞液外渗。同时，细胞液的黏滞流动在低应力条件下产生机械损伤，细胞间的相对滑移趋势使细胞的果胶层在相互作用力的作用下受剪切和摩擦作用下逐步变性、分离和水解，从而导致局部组织坏死后易被微生物侵袭致腐烂[5]。

1.2 果蔬的流变学特性

为深入对果蔬机械损伤的研究，分析掌握其流变学特性也颇为重要。流变学特性可通过弹性、黏性和塑形性质的反应变化来表现果蔬在机械损伤过程中变化，常用应力、应变在时间下的变化来表示。通过对果蔬流变特性的剖析，更加直观地展现了果蔬的组织变形情况和振动因素之间的关系[6]，从根本上明确了果蔬的力学性能和振动损伤机理。

果蔬在静载作用下会出现变化见图2。

图2 蠕变及应力松弛Fig.2 Creep and stress relaxation

在恒定载荷的作用下，应变随时间而逐渐增大的过程即蠕变过程[7]，用蠕变柔量J来表征。线性黏弹性体在应力 σ（t）=σ0H（t）作用下，有 J（t）=ε（t）/σ0。在恒定应变下，应力随时间而逐渐减小的过程为应力松弛现象，用松弛模量 Y 来表征。在应变 ε（t）=ε0H（t）下，得到Y（t）=σ（t）/ε0。Chuma[8]通过试验绘制了一条橘子的力-变形曲线，并得到Burgers四单元模型不符合此表征的力-变形曲线的结论。Peleg[9]与Pitt[10]通过对装在纸板箱的苹果进行振动损伤试验，同样得到了类似的曲线形状，确定了模型中的相关参数并使模型和实际问题建立了对应关系。

2 不同类型机械损伤特性研究

2.1 静压损伤

静压损伤多发生在果蔬贮藏过程中的自然状态下，果蔬相互接触的区域承受上层重量压力及下层挤压力，导致塑形形变而产生损伤，承受压力时间越长果蔬的损伤越严重。静压损伤的研究一般采用外表层的黏弹性静载试验，根据流变特性研究果蔬的形变量受外载力大小和贮藏时间的影响程度大小，通常采用接触面积和直径的变化的数值作为参考来探究振动损伤规律。果蔬受力变形的基本形式表现为蠕变，对力学特性和静载损伤规律的研究至关重要，其中Burgers四单元模型在研究果蔬蠕变现象中更为广泛。杨晓清等[11]对影响哈密瓜静载蠕变损伤的因素进行了深入研究，利用虚拟样机技术建立了蠕变仿真模型并确立了相关参数，提出了低温低压储存哈密瓜可以减少其静压损伤的结论。在不同加载条件下对荔枝的挤压试验，研究表明：荔枝的抗挤压能力具有各向异性，且其纵向大于横向[12]。研究果蔬对内外部压力的断裂强度，对研究其膨胀压力和压缩刚度是至关重要的，有学者在对苹果和马铃薯组织的研究中，提出了应变能函数的一般形式，并找到了膨胀压力与拉伸比之间的关系，并认为果蔬组织是各向同性的、不可压缩的、均质的并具有超弹性行为[13]。

长时间的静压损伤导致细胞壁破坏、细胞液流失及细胞间的结合力散失，使果蔬的抗压能力逐渐减弱，堆叠过高也会使压力过大导致受损严重，所以应缩减果蔬间的接触时间且控制堆叠高度。许多学者表示，果蔬的受损面积与所受压力有密切关系。吴杰等[14]为实现果蔬静压损伤面积的准确评估和预测，采用Prescale感压胶片对不同静压水平下的接触应力分布进行测量分析和有限元模拟。在受力为50 N静压条件下的香梨看不出损伤，这时在感压胶片下测得的峰值应力为0.5 MPa～0.6 MPa；当接触应力≥0.2 MPa时应力面积十分接近损伤面积，可作为损伤面积的阈值。冯哲等[15]也采用这种测量技术来检测苹果静压接触应力的分布特性，结果显示，苹果的损伤面积与应力均值无直接关系；当静压接触应力总面积比苹果损伤面积高9%，应力≥0.10 MPa时最接近苹果的损伤面积，用其估测损伤面积时产生的平均误差仅为1.66%，二者关系表达式为A=0.98AP≥0.10+1.95，为苹果静压损伤模拟预测提供了重要依据。另有加工番茄承受载荷的能力有相关试验表明：载荷压力下，三心室加工番茄果肉和胶体所受的最大应力随载荷的增大呈线性增大，表皮处呈指数级增大，因此表皮在较大应力下易破裂损伤[16]。果蔬静压损伤的相关研究多从果蔬贮藏包装的设计和容器的规格制定等方面给予适宜的建议来减少果蔬间的压力作用，从而减少静压损伤。

2.2 振动损伤

动载作用引起的碰撞损伤和振动低应力疲劳损伤构成振动损伤[17]。国内外大部分研究主要从稳态振动和随机振动两方面研究，稳态振动试验更易操作，但果蔬实际运输状态均为随机振动，因而模拟实际运输工况往往更具现实意义和价值。

为模拟运输振动引起的振动损伤，已对多种果蔬进行了试验研究，振动损伤严重影响果蔬生理指标的变化，在以“赛买提杏”为对象的运输振动试验中，振动胁迫明显加快杏果的乙烯生成量、呼吸速率、膜透性和可溶性固形物含量的上升，使得叶绿素、抗坏血酸和硬度显著下降[18]。梨果实可溶性固形物含量随振动加速度的增加而增加，随振动频率的增加而减小[19]。郝永菲[20]模拟二级公路实际运输情况下的自由振动，显示常温运输中的振动影响了梨果的外观，同时促进了果实的代谢，加速梨果实的后熟与衰老。

影响果品振动损伤的重要因素之一为振动加速度[21]。有研究表明：梨果实的损伤体积和加速度传递率随振动加速度的增大而增大[22]，这是由疲劳损伤和能量吸收双层作用造成的[23]。另外，由于果蔬种类、性质、运输包装方式不同，振动加速度的响应会受到其堆积层数、包装方式及果蔬力学传递特性的影响。魏巍等[24]总结了模拟运输振动加速度需要考虑的三方面因素：①要符合实际的车辆运输工况。②应有利于提高试验效率。③要充分了解果蔬加速度响应特征。试验通过建立三元件的黏弹性模型来研究梨果实随振动时间变化的蠕变特性，建立了梨果实的振动-蠕变模型。振动损伤试验通常采用美国MTS公司的振动试验机系统进行试验，其中1通道连接加速度传感器，控制振动台的振动并测量输入的振动加速度值；2通道连接微型传感器，测量果实的加速度响应值。设计专用支架以保证试验中试样的方位，其试验原理图如图3所示。

图3 振动试验系统Fig.3 Vibration test system

另有相关学者对实际运输中果蔬的振动情况进行了模拟，发现振动强度是引起果品运输损伤的主要原因[25]。Soleimani等[26]测定了卡车运输过程中上、中、下层集装箱内果蔬的功率谱密度值，发现果蔬功率谱密度值随放置高度增加而增加，振动强度也越来越显著。Shahbazi等[27]模拟运输过程中振动对西瓜的损伤，建立了振动参数（如加速度、频率、振动时间）并分析了不同位置西瓜的损伤情况，试验表明当频率为7.5 Hz，加速度为0.70 g，持续时间为60min时，产生的振动会引起西瓜较高的损伤水平，位于箱顶部的水果比中间和底部位置的水果受到更多的伤害（P＜0.05）。对4层黄花梨进行振动试验发现4层均呈现不同的损伤程度，中间两层损伤最大，然后是最底层，最后是最顶层[28]。可采用缓冲材料制成减振包装，一是可以减少果蔬的碰撞与摩擦，二是可起到缓冲作用，降低果实实际受到的振动能量。由于低温可以减缓果蔬的水分散失和硬度的降低，有研究者模拟水果在温度控制的运输条件下进行振动试验，在条板箱柱的3个不同位置对草莓（Fragaria xananassa）和林地草莓（F.vesca）进行微生物和质量分析，将受到振动影响的草莓与其他因素均相同的环境下未振动的草莓相比，结果显示振动使得两种草莓的定性特性显著降低，温度越低草莓振动越不显著[29]。

2.3 冲击损伤

果蔬的冲击损伤主要表现为碰撞和跌落冲击，冲击对果蔬的作用力强度超过了果蔬自身所承受的力度，造成的损伤较为严重。冲击损伤程度主要与果蔬的跌落高度、碰撞次数、碰撞能量以及碰撞时果蔬的表面特性相关，同时也会受果蔬成熟程度、种类及大小等因素的影响。对果蔬冲击损伤的研究一般采用振动试验和跌落试验，分析果蔬表面受损面积与最大加速度、跌落高度、碰撞时间等因素的关系，建立相关模型并分析模型中的参数来研究冲击损伤。

王芳等[30]分别研究了跌落高度、西瓜质量、碰撞材料及其层数等物理参数对内蒙古和林格尔“西农八号”西瓜的碰撞加速度峰值和最大变形量的影响，结果显示跌落高度和西瓜质量对西瓜的力学特性影响显著，且力学特征及损伤与跌落高度、西瓜质量的回归方程相关系数R2都大于0.972。苹果的瘀伤发生率和易感性均受包装设计和跌落高度的影响，分层包装比在散装包装中包装的水果受损发生率高30%左右[31]。张连文等[32]测出了BC型的瓦楞纸箱包装件的共振频率为53.1 Hz，最大堆码层数为9层，圣女果的脆值为93.84 m·s-2，包装件最大允许跌落高度为550 mm。有学者用离散元素法（DEM）分析了果品在减速带期间运输的损伤，模拟显示，较高的卡车负载导致较少的瘀伤，并且后轴后面散货箱中的苹果比后轴前面散货箱中的苹果产生更多的损坏。在果蔬的运动过程中，货车速度的降低，卡车负载的增加和悬架刚度的减小都有助于减少果实损坏的发生[33]。

3 果品运输振动损伤的模型建立

多年来国内外学者研究并建立了多种果蔬振动损伤模型。更多的研究是对果蔬个体进行建模，探究损伤与其他诸如贮存时间、跌落高度、堆叠层数、振动时间等之间的关系并分析参数。比如果蔬的种类、储藏时间与其蠕变特性相关，而载荷加载位置对其产生的影响并不明显[34]，可建立四元件模型并对参数求解[35]。果蔬跌落试验可通过回归分析得到关系方程，因而可对苹果跌落损伤进行预测[36]。卢立新等[37]通过振动损伤试验得到冲击力、峰值加速度、最大冲击变形量、冲击结束后的残余变形等量随跌落高度的增加而逐渐增大，而冲击弹性恢复系数逐渐降低，果蔬损伤加重。又基于果实动态冲击本构关系、赫兹接触理论和Kuwabara模型分别建立了苹果是否考虑损伤工况的动态力学模型，得到了黏弹性损失系数和跌落损伤破损的边界曲线[38-40]。对多层苹果进行的跌落试验构建了跌落冲击响应的动态流变模型，且试验结果与理论模型结果能较好吻合[41]。王芳[42]建立的西瓜蠕变参数随储藏时间变化的数学模型可用于预测西瓜的质地与储藏时间。潘嘹[43]挖掘了低能量多次冲击条件下的加速度、回弹高度、累积吸收能量与冲击次数之间的关系，建立了动态模型，得到了果品低能量多次冲击损伤阈值。现以梨果实在3 cm高度下的冲击次数回弹高度曲线为例，得到关系式（如图4）：

式中：E1为冲击初始动能，J；E0为冲击损失能量，J；E 为果品吸收能量，J；E2为回弹能量，J。

图4 果品冲击过程能量分配示意图Fig.4 Constant-height multiple-impact loading and the resulting energy partitioning

从该例中得到冲击初始的动能仅与冲击高度有关，高度一定则初始动能相同。假设每次冲击过程中损失的能量相同，冲击次数增加，则每次新增的损伤减少，果品吸收的能量也减少，那么回弹能量就增加，导致回弹高度随之增加，直至损伤不再变化，回弹能量也保持稳定，回弹高度就趋于稳定。

不同的研究者选取的研究角度不同，有学者从细胞层面进行剖析建模，也有学者从静压特性、振动特性、冲击特性这几个方向研究相关模型，大多还建立了参数并进行了分析，使研究更加全面具体，其中部分相关模型归纳后如表1所示。

表1 果品运输振动损伤的模型Table 1 Fruit transport vibration damage model

4 减缓果蔬机械损伤对策

4.1 加强包装保护

果蔬常在储藏、运输、销售等过程中受到各种冲击力。可进行减振包装，减少果蔬受到的冲击碰撞。减振包装是通过放置高阻尼的材料，使外力在传输到果蔬产生的加速度峰值低于脆值，从而减小果蔬损伤。减振包装材料一般可分为两类：一类是为防冲击破损，应选择具有高弹性和压缩能力强的材料，适用于冲击破坏强度比振动破坏强度高的产品；另一类是为了减振，使用衰减能力强、阻尼高的材料，适于长期运输、因振动而易产生疲劳损伤的产品[47]。

缓冲包装纸、瓦楞纸板、纸浆模塑、可降解泡沫塑料、蜂窝纸板、发泡植物纤维、再生泡沫塑料盒等是主要的缓冲材料[48]。有研究者将葡萄果实均匀分布在减振衬垫凹槽上，有效减缓果实的损伤[49]。采用2 mmEPE（Expandable Polyethylene，可发性聚乙烯，又称珍珠棉）与楞高为4.4 mm～5.0 mm的楞纸板组合材料替换传统批发类皇冠梨包装的隔挡与衬垫，舍弃纸包裹和EPS（Expandable Polystyrene，发泡聚苯乙烯，又称可发性聚苯乙烯）网袋，既节省空间又降低成本[50]。Jarimopas等[51-52]发现塑料和纸板具有降低冲击损伤作用，但是纸板减振效果比塑料板强。纸板缓冲材料的保护作用和泡沫网缓冲材料相似，但是纸板包装的番木瓜更容易成熟[53]。当代环保及绿色理念的大趋势催生了许多新型缓冲材料。成培芳等[54]用淀粉/纤维作为原料制作出了可降解的缓冲包装材料。Shi等[55]和Lu等[56]分别用向日葵茎秆和毛竹竹浆作为原料进行包装材料的制作试验，其物理特性和缓冲系数防护性能比发泡聚乙烯材料更强，且安全无污染。

4.2 加大对运输路况的改善

车辆运输状况不同，对果蔬造成的影响也不同。运输路面状况是否良好直接影响车辆的振动，且有一定随机性。车辆紧急启动或在道路中遇障碍物紧急制动等引起的振动，会产生位移干扰[57]。在一级公路和高速公路下分别进行黄花梨运输振动模拟试验，发现平均速度相同时在一级公路上的加速度峰值要高于高速公路上加速度的峰值，因为高速公路的运输路面情况比一级公路更良好[58]。另外，当研究的车速较低，约为20 km/h时，在乡村土路上测得的加速度峰值是各路况中最高的。那么若要减缓果蔬运输途中的振动损伤，定要采用适当的运输方式，也可改善车辆的运输环境。

振动加速度分为稳定振动条件下的加速度和随机振动条件下的加速度，随机振动条件下进行的模拟振动试验与实际更接近。振动的加速度越大，果蔬就越易损伤[59]。Shahbazi等[27]发现随加速度的增加，西瓜肉的损害比西瓜皮严重。另外，通过试验发现运输车辆车厢后部的振动加速度明显比车厢前部高，使得车厢后部的果蔬损伤比车厢前部同样堆放条件下的果蔬损伤更严重，且同一位置处顶部所受的振动加速度比底部高[58]。而Zeebroeck等[60]发现车辆处于高峰值加速度时，挤压强度随着位置的下降而增加，果蔬的挤压损伤也越来越大。无论何种堆放方式，果蔬在运输路途中车辆的加速度都不要超过其承受力度，以免造成果蔬损伤[58]。

4.3 减少搬运损伤

果蔬在工作人员搬运过程中可能会对果蔬产生挤压或碰撞而致损伤，因此工作人员要形成有条不紊的工作环境，减少搬运失误，保证果蔬的完好程度，减少损伤。将同样规格的果蔬包装箱堆放在一起，避免果蔬被机械或人员碰撞，也避免尖锐的利器划破包装箱，使缓冲包装失去保护果蔬的能力。

4.4 缩短运输时间

运输时间即果蔬由车辆从发出地转移至目的地的所用时间。果蔬之间的堆叠挤压和路途的颠簸晃动会造成果蔬机械损伤，并且运输时间越长越有可能造成更严重的损伤，果蔬循环振动应力作用下损伤逐渐积累直至疲劳破坏[18]。因此，减少运输时间可一定程度减少对果蔬产生的机械损伤。

5 结论与展望

研究果蔬运输振动损伤特性对于减少果蔬机械损伤有着重要意义。纵观国内外学者研究现状，以下研究还需进一步加强。

1）建立果蔬质量评估和机械损伤程度预测的统一度量标准。可根据果蔬构造的不同以硬度、脆性等特性分为几类来进行标准制定，使具有可靠性和实用性。

2）加强对高价值果蔬的抗损研究。研究对象多为常见且价值较低的果蔬，而对于一些价值较高且抗损能力较弱的果蔬欠缺深入探究，导致高价值果蔬因缺少抗损技术支撑而在运输过程中损伤较为严重，无法发挥其经济效益。

3）分析研究果蔬在多种错综复杂的力或动态载荷作用下的机械损伤规律和影响。目前的试验研究多在某种单一力作用下进行振动损伤检测，而实际果蔬的损伤是在各种作用力综合作用下产生的，因而果蔬振动损伤机理研究不够全面，缺乏科学性。

4）加强果蔬微观细胞破裂损伤的相关检测、建模和分析计算。研究者对果蔬宏观可见的损伤研究较多，从微观角度来研究不易察觉的细胞破裂损伤较少，导致振动损伤特性理论基础欠缺。

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Research Progress of Mechanical Damage Characteristics of Fruits and Vegetables

ZHANG Xi，LI Yang*，WANG Lei-ming，FENG Gang
（College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，Heilongjiang，China）

Transportation was an essential part of the process of fruit and vegetable circulation，and it was easy to cause damage to fruits and vegetables.Fruits and vegetables in the circulation process will bear the static load，squeezing force，vibration，falling shock and other forms of load，resulting in mechanical damage.Based on the analysis of the research results of fruits and vegetables mechanical damage at home and abroad，this paper analyzed the mechanism of vibration damage of fruits and vegetables，studied the mechanical damage of fruits and vegetables from the three perspectives of static pressure damage，vibration damage and impact damage，expatiated on the model of mechanical damage fruit and vegetable damage and prospected the future research direction.It aimed to provide inspiring and reference for further research in the future.

fruitsandvegetables；mechanicaldamage；damagemechanism；damagemodel；mitigationmeasures

张茜，李洋，王磊明，等.果蔬机械损伤特性研究进展[J].食品研究与开发，2018，39（1）：193-199

ZHANG Xi，LI Yang，WANG Leiming，et al.Research Progress of Mechanical Damage Characteristics of Fruits and Vegetables[J].Food Research and Development，2018，39（1）：193-199

10.3969/j.issn.1005-6521.2018.01.038

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2572017CB05）；黑龙江省科学基金项目（QC2017080）

张茜（1994—），女（汉），硕士研究生，主要从事果蔬保鲜技术研究。

*通信作者：李洋，女，副教授，博士，主要从事冷链技术研究。

2017-04-06