不同品种菠萝果皮穿刺力学特性研究

潘睿，薛忠，李海亮，肖景丰

（1.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091；2.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东 湛江 524091；3.农业农村部热带果树生物学重点实验室，广东 湛江 524091；4.中国热带农业科学院 南亚热带作物研究所，广东 湛江 524091；5.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002）

菠萝被誉为热带四大名果之一，广泛栽培于热带和亚热带地区［1］。近年来，受益于国家产业政策的扶持以及财政支持力度的不断加大，我国菠萝种植产业规模不断扩大。然而，受自然环境条件与经济发展水平的限制，我国菠萝相关装备的研发工作起步较晚，技术基础相对薄弱，菠萝采收、加工装备技术整体发展水平较低，科技创新能力不足。菠萝果实的生物力学特性研究是开展各类菠萝装备研究的基础，对采摘后的菠萝质地缺乏科学的评判标准［2］，限制了菠萝采收、加工装备技术的整体发展。因此，综合运用机械、生物、信息、环境等科学技术，明确菠萝果实的生物力学特征，优化改进现有菠萝采收、加工装备，具有重要的战略意义。

近年来，国内外学者大多采用质构仪对果蔬果实力学特性参数进行分析，质构常用方法主要为质地剖面分析及穿刺测定试验。其中穿刺测定试验主要通过参考果实自身特点选取测试探头、探头加载速率等参数直观取得果皮强度、韧性、脆性、果肉硬度等多项指标，有效避免人为因素干扰［3-6］。许玲等［7］以毛叶枣为研究对象，通过质构仪整果穿刺法测定不同成熟度毛叶枣果皮强度、脆性、韧性差异；房大伟等［8］以钙果为研究对象，通过穿刺试验明晰不同品种钙果、不同穿刺点位对其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮韧性以及果肉平均硬度的影响；梁静等［9］以13 种果桑为研究对象，揭示了不同品种浆果果皮硬度及果皮破裂深度相关性存在差异；张翔宇等［10］以葡萄为研究对象，选用10 种葡萄通过模拟牙齿咀嚼浆果受力过程，建立可表征浆果质构特性穿刺参数并分析各质构参数间的相关性；余佳佳等［11］以南丰蜜橘为研究对象，通过对蜜橘表皮的挤压、穿刺试验分析其应力—应变曲线，获得在采摘、运输、加工等环节蜜橘表皮可承受的最大挤压应力与穿刺压强。穿刺在西瓜、苹果、香梨等方面均有研究［12-14］，然而关于菠萝的研究主要集中于品种、栽培和深加工方面，针对其生物力学穿刺特性方面的研究鲜有报道。菠萝果皮生物力学性能研究在完成果皮穿刺力学特性试验的基础上，后续还需对果皮拉伸特性、压缩特性、剪切特性等机理进行深入研究，因此本研究采用较质构仪应用范围更广泛的万能材料试验机开展试验。

本研究基于WSW-50E 微机控制电子万能试验机对菠萝进行了穿刺力学特性试验，以探究不同品种、不同果眼位置的菠萝果皮抗穿刺损伤性能，分析菠萝品种、穿刺部位造成穿刺力学特性差异的原因，为菠萝采收、加工设备的设计及优化改进提供了参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用收获期无损伤无病害的‘巴厘’、‘金菠萝’、‘甜蜜蜜（台农16 号）’、‘金钻（台农17 号）’菠萝，2022 年5 月采摘于广东省湛江市徐闻县。采收后试样迅速用塑料袋包装，运回实验室置于冰箱内（4 ℃）冷藏。每次试验前取出试样，静置2 h。

1.2 试验仪器

试验仪器为WSW-50E 微机控制电子万能试验机（浙江礼显试验仪器制造有限公司）分辨率0.001 mm，测试速度范围0.005~500 mm·min-1，试验力测量范围100~5000 N；YP502N 型电子天平，测试精度0.01 g，称量范围0~500 g；电子数显游标卡尺，精度0.01 mm，测试距离0~150 mm；自制针状探头，探头直径4 mm。

1.3 试验方法

1.3.1 形态指标测定

每个品种菠萝选取30 个测定单果质量、果形指数，以单果为1 次重复。用电子秤测定单果质量；用游标卡尺测量菠萝果实的最大横径和最大纵经，以果实的最大纵径与最大横径比值表示果形指数［15］从而确定试验样品选取规格。果形指数0.6~0.8 为扁圆形，0.8~0.9 为圆形或近圆形，0.9~1.0 为椭圆形或圆锥形，1.0 以上为长圆形［9］。

1.3.2 穿刺试验方法

利用WSW-50E 微机控制电子万能试验机进行穿刺试验，如图1 所示。穿刺测试探头选择直径4 mm 的圆柱形不锈钢探头，仪器参数设定：测试前速度2 mm·s-1，测试时速度5 mm·min-1，测试后速度10 mm·s-1，负载触发力0.05 N。选取每个品种菠萝各18 个，将每个测试菠萝放置于万能试验机的载物台中心，试样被穿刺位置分别选取赤道线处A（果眼中心）、B（2 个果眼之间）、C（果眼边）、D（3 个果眼交界点）、E（4 个果眼交界边），如图2所示每测定5 个点位为1 组，将同一个测试菠萝以果芯为中心轴旋转观察，选取延赤道线相同果眼性状处进行重复试验，试验次数共3 组，测定结果取平均值。

图2 穿刺点位Fig.2 Puncture points

1.3.3 穿刺参数定义

在进行菠萝果皮穿刺试验后，万能试验机会将探头感知力（N）、探头移动时间（s）、加载深度（mm）、应力（Mpa）以及应变（%）自动输出为excel表格。

因菠萝果皮在穿刺弹性变形阶段，其应力σ与应变ε成正比例关系。根据胡克定律计算不同品种菠萝不同穿刺点位弹性模量：

根据输出结果，以穿刺果实过程中探头移动时间（s）为横坐标，测试探头所在位置对应感知力（N）为纵坐标作图，得到菠萝果皮穿刺曲线（以‘巴厘’为例，下同），以曲线力最大值作为果皮硬度F（N）；加载至力最大值的运行距离为果皮破裂距离S（mm），如图3 所示。

图3 穿刺曲线图Fig.3 Puncture curves

以果皮所受应变ε（%）为横坐标，所受应力σ（Mpa）为纵坐标作图，绘制果皮应力-应变曲线，如图4 所示。对曲线进行拟合得到式（2）：

图4 韧性曲线Fig.4 Toughness curve

对式（2）不定积分求其原函数后计算［0，xn］区间曲线定积分面积得出果皮韧性(Mpa)：

1.4 数据处理

应用Excel 2016 整理试验结果，并进行平均值、标准差值计算，采用Origin 2019 绘图，采用SPSS 25.0 进行单因素ANOVA 分析处理。

2 结果与分析

2.1 果实基本物性参数

测试时温度为20 ℃，相对湿度为70%，测取不同品种菠萝单果质量、果实横径、果实纵径的平均值，根据测定数值可计算得‘巴厘’果形指数为1.32；‘金菠萝’果形指数为1.49；‘金钻’果形指数为1.35；‘甜蜜蜜’果形指数为1.18。试验样品选取规格如表1 所示。

表1 试验样品选取规格Table 1 Selected specifications of test samples

2.2 果皮硬度

果皮硬度即探头穿破果皮所需力的大小，不同品种菠萝在不同点位下的穿刺试验结果如图5所示。通过分别计算5 个穿刺点位的力平均值，可得出4 个品种菠萝果皮硬度F 排序均为A>C>B>D>E。

图5 不同穿刺点位果皮硬度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头穿刺时果皮形变的距离，因果皮富有弹性，对探头力的缓冲作用较大，穿刺过程需吸收更多的能量才能被破坏，因此探头的运行距离增大，即果皮破裂深度增大。由表2 可看出，4 个品种菠萝不同穿刺点位果皮破裂深度均在8~10 mm 区间范围内，变异系数均小于0.15。虽因品种不同导致果皮果眼形态结构存在差异［16］，但4 种菠萝A 点果皮破裂深度仍均为最大，而其它穿刺点位深度排序不一致。

表2 不同穿刺点位果皮破裂深度Table 2 Rupture depth of pericarp at different puncture sites单位：mm

2.4 果皮弹性模量

根据式（1）计算不同穿刺点位不同品种菠萝果皮的弹性模量如表3所示。根据表中结果，‘巴厘’果皮弹性模量区间为0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠萝’果皮弹性模量区间为0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金钻’果皮弹性模量区间为0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮弹性模量区间为0.010 2~ 0.014 8 Mpa。4 种菠萝不同穿刺点位弹性模量大小与其果皮破裂深度排序相反；弹性模量越低，果皮弹性模量变形相对越大，果皮破裂深度越大。

表3 不同穿刺点位果皮弹性模量Table 3 Elastic modulus of pericarp at different puncture sites单位：Mpa

2.5 果皮韧性

果皮韧性反映了菠萝果皮抗穿刺的能力。由表4 结果所示，‘巴厘’在不同点位穿刺时，A 点位的韧性最大，E 点位韧性最小；‘金菠萝’在不同点位穿刺时，A 点位的韧性最大，B 点位韧性最小；‘金钻’在不同点位穿刺时，A 点位的韧性最大，E点位韧性最小；‘甜蜜蜜’在不同点位穿刺时，A 点位的韧性最大，B 点位韧性最小。4 个品种菠萝A点位韧性均最大，果皮韧性变化规律与果皮破裂深度在不同点位穿刺时的规律相似，同时与不同穿刺点位果皮弹性模量排序相反。果皮韧性越大，在相同的载荷作用下产生弹性变形较大，破裂距离较大，弹性模量较小，表明菠萝果皮物性参数具有各向异性。

表4 不同穿刺点位果皮韧性Table 4 Pericarp toughness at different puncture sites单位：Mpa

2.6 品种与穿刺点位对菠萝穿刺力学性能的影响

由表5 可见，4 个品种对果皮硬度的影响均呈极显著（P<0.01）；‘金菠萝’对果皮破裂深度的影响呈极显著（P<0.01），其他它品种不显著；‘巴厘’对果皮韧性的影响呈极显著（P<0.01），‘甜蜜蜜’对果皮韧性呈显著性影响（P<0.05），其它品种不显著。

表5 菠萝果皮穿刺试验结果单因素ANOVA 分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of pineapple peel puncture test results

A、B、D、E 4 个穿刺点位对果皮硬度的影响均呈极显著（P<0.01），C 点对果皮硬度呈显著性影响（P<0.05）；E 点对果皮破裂深度呈显著性影响（P<0.05），其它穿刺点位不显著；E 点对果皮韧性的影响均呈极显著（P<0.01），C 点对果皮韧性呈显著性影响（P<0.05），其它点位不显著。

3 讨论

硬度对果实品质、果实贮藏特性和贮藏效果的影响极大［17］。已有研究表明，穿刺不同方位试样果皮，对其果皮硬度、韧性、破裂深度等参数影响显著［8，18-19］。菠萝果皮不同部位生物力学参数存在差异的主要原因是果皮表面螺旋排列的子房尖刺与凹陷导致的。在相同加载速率、相同穿刺截面的条件下，不同点位穿刺试验结果表明，不同品种菠萝在不同点位下的果皮硬度F排序均为A>C>B>D>E，相关性分析结果表明4 个品种不同穿刺部位对果皮硬度的影响均显著。由于不同品种菠萝的果眼生长的速度和停止时间不同，其果眼随果实膨大而加深、扩张，不论哪种类型的品种，开花时的花萼内侧面基本处于直立状态；开花后，宿萼因背面一侧生长量较大而导致向内弯曲，萼基角逐渐变小［16］，因此果眼、果眼交界处所需穿刺力不同，硬度F受不同穿刺部位影响显著，与蒋冰瑶等［12］试验结果相似。

与其它果蔬果皮相比，菠萝果眼深可达（1.08±0.03） cm［20］，果皮结构复杂且不同品种菠萝存在果眼深度不一致的现象。其它果蔬果皮由于果皮较薄，穿刺试验结果易受果肉物性参数干扰，导致其物性参数间规律与菠萝果皮有所不同。试验结果表明，4 种菠萝A 点果皮破裂深度均为最大，原因可能是在相同加载速度下探针需要更大的穿刺深度才能穿透A 点处果皮，穿透A 点所需加载深度明显高于其他穿刺点位。随着穿刺深度不断增加，探头处接触力不断增大，当达到最大受力时，果皮破裂导致受力突降，与杜昕美等［21］试验结果相似。

果皮韧性指果皮受到穿刺损伤后的抗压程度。穿刺试验结果表明，果皮韧性与果皮破裂深度大小排序一致、果皮弹性模量大小排序相反，不同品种菠萝A 穿刺点位处韧性均最大，而其它点位韧性大小受品种影响导致排序不同。与王启慧等［18］相关性分析结果不同的是，除‘巴厘’外的品种对果皮韧性的影响均不显著，除E 点、C 点外的穿刺点位对果皮韧性的影响均不显著，可能由于菠萝果皮构造较复杂，不同品种菠萝基因表达存在差异。

本研究通过对4 种菠萝果眼及果眼边界处穿刺试验和相关性分析，发现其结构与性状对果皮硬度、破裂深度、果皮弹性模量、果皮韧性存在影响且不同果眼边界处生物力学性能不一致，试验结果与预期一致。有研究表明果皮硬度、破裂力等物性参数可能受果实果皮厚度、半纤维素含量、含水率、果实成熟度等因素影响［22］，后续应针对果皮黏力、弹力、内聚性等做进一步分析。

本研究明晰了不同品种菠萝由于果眼性状不同导致其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮弹性模量变化区间以及果皮韧性不一致的客观规律，从微观角度分析菠萝果皮所承受的生物力学负荷，为动态作业过程中装备夹具、刀具等的适用性进行定量分析和综合评价提供参数，为后续建立菠萝果皮虚拟样本-产前产后作业环境的生物力学耦合模型及基于生物力学参数的菠萝机械碰撞损伤综合评价指标提供一定参考依据。

4 结论

综上所述，本研究通过对‘巴厘’、‘金菠萝（MD2）’、‘甜蜜蜜（台农16 号）’、‘金钻（台农17号）’4 种菠萝果皮进行穿刺特性试验，明确了菠萝品种不同对果皮硬度、破裂深度、果皮弹性模量、果皮韧性存在影响且不同果眼边界处生物力学性能不一致的现象，主要结论如下：

（1）4 个品种菠萝果皮硬度F 排序均为A>C>B>D>E，硬度F 受不同穿刺部位影响显著。

（2）不同穿刺点位果皮破裂深度均在8~10 mm 区间范围内，4 种菠萝A 点果皮破裂深度均为最大，而其他穿刺点位深度排序不一致。

（3）‘巴厘’果皮弹性模量区间为0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠萝’果皮弹性模量区间为0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金钻’果皮弹性模量区间为0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮弹性模量区间为0.010 2~0.014 8 Mpa。果皮破裂深度受不同穿刺点位弹性模量影响较大。

（4）菠萝果皮物性参数存在各向异性，不同穿刺点位处韧性大小与果皮破裂深度大小排序一致，而穿刺处果皮弹性模量越小，该点位韧性越大。

本研究为不同品种菠萝果皮硬度、果皮破裂深度、弹性模量以及韧性提供了一定的物性规律，为进一步探究不同生长发育阶段菠萝果皮生物力学性能提供了一定科学依据。同时为新型菠萝作业装备的优化设计和制造工艺提供一定理论基础。