局部按压对不同成熟度番茄机械损伤的影响

章永年，张任飞，孙 晔，郑恩来，孙国祥，汪小旵

（南京农业大学工学院，南京 210031）

0 引 言

中国番茄年产量高于5 000万t，是世界上加工番茄第三种植大国和番茄制品第一出口大国[1-2]。番茄在自动化采摘过程中容易受到机械损伤而变质，影响番茄品质及食用价值，同时不同市场对番茄损伤程度要求不同[3]，因此需要建立番茄机械损伤的评估分类模型[4]，并探究按压压强对番茄机械损伤的影响规律，以确定在不同损伤要求下采摘番茄时按压压强的范围。

番茄的机械损伤有以下3种评估方法[5]：①力学性质分析评估法：Li等[6-7]建立了非线性多尺度有限元模型，模拟番茄在不同载荷条件下的内部机械损伤情况，之后提出了一种基于有限元分析，结果定量评估番茄果实机械损伤的方法，建立了番茄果实压缩10%变形的三维模型。该评估方法存在一些问题如损伤程度较低时无法判断[8]、模型中番茄组织的定义不完全符合其解剖学特征以及番茄力学参数的测量误差很难避免等[9]。②感官品质评价更为直观有效，卢琦等[10]以果肉颜色和果实横切面形状作为番茄感官品质的评价标准；杨生保等[11]以入口感官和手捏感官来评价番茄的品质；雷静等[9,12-13]较为全面从外观、气味、风味、色泽和腐烂程度等多个方面对番茄品质进行综合评价，这样的评价方式更加科学。③微观结构分析法：分析番茄的微观组织结构，并以此判断番茄的品质则更加准确，也可以检测出更加微小的损伤。Li等[14]搭建了微压缩测试仪，并通过P-CAM摄像机拍摄番茄细胞的高速微压缩试验并得到其松弛参数；杨生保等[11]通过扫描电镜技术观察番茄果肉组织结构与细胞排列情况来评价番茄的品质。

随着评估番茄损伤的理论不断成熟，一些研究者从抓取策略的角度研究如何减少番茄的整体损伤。刘继展等[8]发现折断方式更易于实现机器人采摘，并通过挤压试验证明了番茄果实的抗挤压能力随成熟度的增加而减少；Li等[15]发现弯曲手指比板状手指更适合抓取番茄；周俊等[16-17]通过黏弹性模型描述番茄的变形特征，发现变减速的抓取控制方式对番茄造成的损伤最小；梁喜凤等[18]提出采摘时夹持果实串的果梗，能够减少采摘过程中果实的损伤，但这种方法仍存在采摘点位置难以确定、采摘点位置信息的提取不够精确等问题。番茄具有果梗离层处易折断的特性，使用多指机械手采摘更为合适[14,19]。Yaguchi等[20-23]对多指机械手展开研究，分别介绍了其设计思路和优化策略，但其中对果实机械损伤的研究不够深入。多指采摘机械手在抓取番茄时会造成番茄的局部损伤，对整体损伤的评估并不适用于这种情况。综上所述，目前番茄机械损伤的评估还存在以下2个问题：①番茄局部机械损伤的研究较少，且番茄整体损伤评估方法不适用于评估多指机械手采摘时造成的局部机械损伤；②番茄机械损伤的评估没有划分损伤等级，而不同市场对番茄损伤程度的要求不同。所以本文对不同成熟度番茄的机械损伤分级，并建立番茄局部损伤评估分类模型，以解决在不同损伤要求下采摘番茄时按压压强的范围无法确定的问题。

本文以4个损伤等级（LV）和损伤显象天数（T）作为评价标准，研究局部按压压强对不同成熟度番茄机械损伤的影响规律，旨在建立番茄局部机械损伤评估分类模型，确定在不同损伤要求下采摘番茄时按压压强的范围与损伤显象天数，以满足不同市场对番茄损伤程度的要求，为番茄多指采摘机械手的设计与开发提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用番茄为2020年11月采自南京市江宁区大生农业基地的苏红50。番茄横径范围75～85 mm，高度范围57～73 mm。番茄成熟度参考黄玉萍等番茄成熟度分级标准[24-25]：绿熟期（MG），全果深绿；白熟期（BR），外观绿色渐消失，果顶出现浅红色小于 10%；转色期（TU），果实淡红色，显色60%～90%；粉红期（PNK），果实为红色，显色近100%；红熟期（RED），果实深红色，果实略发软。图1为苏红50的4个成熟度：绿熟期、白熟期、转色期、粉红期。

参考周亦斌等[26-27]的研究结果：番茄的坚实度、变形率等力学性质与成熟度有关，且对白熟期、转色期、粉红期 3个时期的番茄进行研究会更有意义。因为绿熟期的番茄虽已达商业成熟，但此时的色泽和口感欠佳，而红熟期的番茄已经开始变软，不易运输，所以对于番茄的采摘工作大多在番茄的白熟期、转色期、粉红期 3个时期。因此本次试验选取这3个时期的番茄各130个作为研究对象。

1.2 仪器与设备

按压试验所用仪器为艾普计量仪器有限公司的GY-4水果硬度计如图2a所示。观察番茄细胞情况所用设备为日立有限公司的扫描电镜Hitachi SU-8010如图2c所示。抓取试验所用设备为大寰机器人科技有限公司的DH-3关节型三指电爪如图2d所示。

1.3 试验方法

1.3.1 按压试验

很多学者研究了番茄赤道面附近受到按压时的损伤情况，而在三指机械手进行采摘时，往往会按压番茄的顶端[28]，所以选取番茄顶端进行按压试验，通过扫描电镜观察发现施加在番茄上的压强相差10 kPa以内时，对番茄产生的影响较小，所以选取的按压压强（P）时以10 kPa为间隔，范围为50～340 kPa。

选取同一成熟度的番茄10个，在每个番茄顶端取3个受力点，其两两相隔120°，如图2b所示，受力点选在番茄顶端表面凸起的部分，并避开番茄腔壁的正上方。以上述压强依次对10个番茄的30个受力点进行单次按压，人工采摘番茄的平均速度为20个/min，故设置单次按压时间为3 s，每次按压结束后依次做好标号，更换番茄组别，重复上述步骤；最后每组选取10个番茄进行10次破坏性试验，记录下各成熟度番茄被压破瞬间的压强大小。每个成熟度各选10个番茄作为对照组，将所有番茄在常温常压下（20 ℃）放置30 d[5,29-31]，每天对番茄进行观察，将第一次观察到番茄损伤的天数记作显象天数（T），并记下每个番茄的显象天数。

1.3.2 扫描电镜试验

番茄受损组织样品经阶梯脱水后在临界点干燥仪（Hitachi ES-2030，日立有限公司）中进行干燥处理，将制备好的样品粘在导电胶上，放入离子溅射仪（Hitachi E-1010，日立有限公司）中进行镀膜，溅射金属厚度 20 nm，然后将其粘贴在扫描电镜样品台上，在5.0 kV加速电压下进行观察，拍照。

1.3.3 抓取试验

每个成熟度挑选100个番茄。并将其分成4组，每组25个，以表1中番茄各损伤等级的压强分布区间为标准，分别在每个区间随机选择按压压强，通过DH-3关节型三指电爪对番茄进行夹持试验，夹持力由指面面积与所选压强相乘得到，手爪夹持方式与夹持位置如图3所示，将试验番茄在常温常压下放置30 d（20 ℃）统计试验中损伤等级与模型相符的番茄个数，计算相符番茄所占比率（相符番茄个数/25），得到试验结果与番茄局部机械损伤评估分类模型的吻合度。

1.4 番茄机械损伤评价指标

观察按压试验中番茄的损伤现象，结合扫描电镜图像分析机械损伤成因，按严重程度对番茄机械损伤进行分级，其损伤等级如图4所示。

1.4.1 番茄损伤等级(LV)

按压试验中的番茄在放置过程中出现了 4种状态：发生腐烂，表皮褶皱（内部组织发生变化，质地变软、变色等），有压痕，无压痕，如图4所示。

参照Li等[13]对番茄品质的评价方法，按番茄受损严重程度从高到低对 4种状态进行分级，将发生腐烂定义为一级损伤，发生腐烂的番茄已经不再具有食用价值；将表皮褶皱定义为二级损伤，番茄仍具有食用价值，可用于生产浓缩番茄酱[32-33]；将只是有压痕的番茄定义为三级损伤，因为压痕只影响到了番茄的外观，其营养价值并未受到影响；将无压痕定义为四级损伤，其与正常番茄基本没有差异。番茄各级损伤的损伤原因、损伤情况和损伤影响如表1所示。

表1 番茄的各等级损伤信息Table 1 Tomato damage information of each level

番茄被压破前会经历非破坏性弹性变形、生物屈服变形、细胞破裂变形3个阶段[1]，番茄细胞的微观结构如图5所示。番茄受力过载后，其表皮破裂，细胞受到菌丝入侵，如图5a、5b所示，对应发生腐烂的现象；细胞破裂变形阶段发生在表皮破裂前，此时细胞发生破裂，如图5c所示，对应表皮褶皱的现象；生物屈服变形阶段产生了永久性组织损伤，细胞皱缩，不可恢复，如图5d所示，对应有压痕的现象；非破坏性弹性变形阶段产生的损伤可恢复，细胞被压缩后，可以基本恢复至与健康细胞相同的状态，如图5e、5f所示，对应无压痕的现象。

1.4.2 损伤显象天数(T)

对于番茄而言，能够完好存放的天数直接决定了番茄的商业价值[14]，将损伤显象天数作为番茄机械损伤的衡量标准，更加准确有效[5]。将番茄发生腐烂的天数记作腐烂天数（TD），表皮出现褶皱的天数记作褶皱天数（TR）。

2 结果与分析

通过对试验结果的分析，得到对照组番茄褶皱天数随成熟度的变化规律、按压压强对试验组番茄腐烂天数和褶皱天数的影响规律以及番茄各损伤等级的压强分布，如图6所示。

2.1 对照组番茄的显象天数分析

未受力的苏红 50番茄在 20 ℃环境下储藏时，会出现表皮褶皱的现象，各成熟度番茄的褶皱天数（TR）如图6a所示。以每组数据的中位数代表本成熟度的TR，其按成熟度由低到高依次是：21、14、13 d。对照组番茄出现表皮褶皱为放置过程中的自然损伤[34]，并非本文探究的机械损伤，之后以此数据作为对照，划分二级和三级损伤。可以看出：表皮褶皱天数随着成熟度的升高而降低。

2.2 按压压强对番茄各损伤等级的影响

各成熟度番茄在按压试验中部分压强（P）对应的显象天数（T）和损伤等级（LV）如表2所示。

表2 部分按压压强下的显象天数与损伤等级Table 2 T and LV under partial compression pressure

2.2.1 一级损伤

在一级损伤中，各成熟度番茄所受压强（P）如图6b所示，其最小值、集中区间、中位数按成熟度由低到高依次是 351、360～370、366 kPa；340、350～370、355 kPa；328、330～345、337 kPa，以中位数作为代表压强。

腐烂天数（TD）的范围为：3～7 d，其与所受压强（P）没有明显关系，如图6b所示。因为番茄破损后容易被空气中的真菌或细菌感染而腐烂[23]，如图5b所示，受外力因素的影响相对较小。番茄集中发生腐烂的天数按成熟度由低到高依次是：5，4，3 d。

由此可以得出：在一级损伤中，按压压强和腐烂天数之间相关性不大，腐烂天数随番茄成熟度升高而减小。

2.2.2 二级损伤

记录各成熟度番茄的褶皱天数（TR），其中小于对照组褶皱天数的为二级损伤。

在二级损伤中，各成熟度番茄的按压压强（P）如图6c所示，其中位数按成熟度由低到高依次是 265，245，225 kPa，以中位数作为代表压强[35]。

褶皱天数（TR）的范围为：7～17 d，并通过MATLAB计算TR和P相关系数，得到白熟期的相关系数为−0.240 2，转色期的相关系数为−0.698 1，粉红期的相关系数为−0.430 6，然后通过MATLAB拟合其变化趋势线，如图5c所示，3组番茄都呈现出了TR随P增大而减小的趋势。番茄集中发生褶皱的天数按成熟度由低到高依次是：15，12，10 d。

由此可以得出：在二级损伤中，褶皱天数随番茄成熟度和按压压强升高而减小，与按压压强的相关性在转色期中最强。

2.2.3 三级和四级损伤

在图6c中高于虚线的点为试验组中褶皱天数高于对照组褶皱天数的番茄，认为其褶皱不是由按压引起的，并将其归入三级或四级损伤，其中有压痕的为三级损伤，无压痕的为四级损伤。

如图6d所示，在三级损伤中，按压压强区间和中位数按成熟度由低到高依次是：140～180、165；90～140、115；80～100、90 kPa，以中位数作为代表压强；在四级损伤中，按压压强区间按成熟度由低到高依次是：＜140，＜90，＜80 kPa。

2.2.4 番茄局部机械损伤评估分类模型构建

通过综合上述数据，可以得到不同成熟度番茄在各损伤等级（LV）中按压压强（P）的分布，如图6d所示。各成熟度番茄的压强区间按损伤等级四级至一级为：白熟期：50～140，＞140～180，＞180～350，＞350～410 kPa；转色期：50～90，＞90～140，＞140～340，＞340～370 kPa；粉红期：50～80，＞80～100，＞100～320，＞320～350 kPa；以中位数作为代表压强，一级损伤代表压强按成熟度由低到高依次为：366、355、337 kPa，比二级损伤代表压强265，245，225 kPa均提高了30%左右；出现三级损伤的代表压强按成熟度由低到高依次为：165，115，90 kPa。

由此可以得出：各成熟度番茄的损伤程度随按压压强（P）升高而增大，P与LV呈现出较强的对应性，证明了损伤分级的合理性。结合不同成熟度番茄在各损伤等级中按压压强的分布以及按压压强对番茄损伤的影响规律，构建番茄局部机械损伤评估分类模型，用以评估受到按压后番茄的损伤等级，为番茄多指采摘机械手的设计与开发提供参考。

2.3 抓取试验损伤分析

在抓取试验中，结果与评估分类模型相符的番茄个数与吻合度如表3所示。在抓取试验中，平均吻合度按成熟度由低到高依次是：96%，95%，95%，各损伤等级的吻合度均不小于 95%，试验结果与评估分类模型吻合度较高，验证了损伤评估分类模型的正确性。

表3 各成熟度番茄机械损伤评估分类模型吻合度Table 3 The coincidence degree between the test results and the damage assessment and classification model for each maturity tomato

3 结 论

不同市场对番茄损伤程度的要求不同，零售番茄要求最高，加工浓缩番茄酱要求较低。本文研究了市场占有量较大的苏红 50，对不同成熟度番茄损伤分级，并建立的番茄局部损伤评估分类模型，以确定在不同损伤要求下采摘番茄时按压压强的范围与损伤显象天数，为番茄多指采摘机械手的设计与开发提供参考。本文试验方法为其他番茄品种的损伤研究提供参考。

1）各成熟度（白熟期、转色期、粉红期）番茄的损伤程度随按压压强升高而增大，随成熟度的升高而减小：一级损伤压强区间按成熟度由低到高依次为：＞350～410、＞340～370、＞320～350 kPa；二级损伤压强区间按成熟度由低到高依次为：＞180～350，＞140～340，＞100～320 kPa；三级损伤的压强区间按成熟度由低到高依次为：＞140～180，＞90～140，＞80～100 kPa。

2）各成熟度番茄的显象天数随成熟度升高而减小：腐烂天数范围为3～7 d，相较于褶皱天数范围7～17 d提前了 50%左右。腐烂天数与按压压强相关性很小，褶皱天数随按压压强升高而减小。

3）在抓取试验中，结果与评估分类模型的平均吻合度按成熟度由低到高依次是：96%，95%，95%，各等级吻合度均不小于 95%，试验结果与评估分类模型吻合度较高，验证了损伤评估分类模型的正确性。