基于感壓膠片測量技術的蘋果靜壓接觸應力及損傷分析

馮 哲 吳 杰（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.教育部綠洲特色經濟作物生產機械化工程研究中心，新疆 石河子 832003）

近年來，中國蘋果產量逐年遞增［1］，據聯合國糧農組織統計［2］，2012年中國蘋果產量達3 800萬t，居世界首位，占世界總產量的63.3%。然而，蘋果成熟后在采摘、包裝、分級等自動化和機械化作業環節中不可避免受到靜載作用而發生機械損傷，造成果品損耗率達到30%以上［3，4］。因此，有必要開展蘋果靜壓接觸損傷規律研究，為各作業機具減損設計提供研究基礎。

研究表明，損傷面積是評估果實損傷程度和外觀品質分級的重要依據［5，6］，而損傷面積又與果實受載時的接觸應力分布有直接關系［7］。早期，果品受載時的接觸應力分布采用Hertz彈性接觸公式進行計算，但是果實的各向異性和粘彈特性使得測量結果誤差較大［8］。隨后，有學者分別采用柔性薄膜網 格 壓 力 傳 感 器［9］、I－Scan50測 試 系 統［10］和 超 聲 波 技術［11］對果品受載時的接觸應力分布進行了測量，但柔性薄膜網格壓力傳感器準確標定較困難；I－Scan50測試系統和超聲波技術所獲得的接觸應力存在一定的偏差，不能真正反映接觸應力的實際大小。近年來，隨著微膠囊顆粒緩釋控制技術的快速發展，感壓膠片測量技術以非破壞式的力學測量方法，可同時滿足靜載和動載下各種接觸面間應力分布的測量，并以可讀性很強的二維/三維彩色圖像顯示應力分布的特征輪廓。這一測試方法很快在醫學工程領域得到廣泛應用［12，13］。最近，開始出現感壓膠片測量分析果實受載時接觸應力分布的報道［14，15］，但是接觸應力分布的面積與果肉損傷面積的關系，哪部分造成果肉組織破壞的失效應力的分布面積更接近損傷面積，以及接觸應力的均值或峰值是否是造成果肉損傷的主要原因仍需要進一步探究，這也是實現果實損傷面積估測的重點。

本研究擬采用圖像處理技術對蘋果靜壓接觸損傷面積進行準確測量，同時采用感壓膠片測量分析蘋果靜壓接觸應力分布特性，以明確應力面積與損傷面積的關系，確定最接近損傷面積的應力范圍，實現蘋果靜壓接觸損傷面積的準確估測。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

紅富士蘋果：采自新疆阿克蘇紅旗坡農場同一果園，采樣期在2013年10月15日（蘋果成熟期），人工采摘，剔除有病蟲害、雹傷的蘋果及畸形果，其基本物性參數見表1。采后迅速冷藏，冷藏溫度為（2±1）℃，相對濕度（90±5）%。試驗前將蘋果試樣取出，在室溫環境下放置24h。

表1 蘋果試樣的基本物性參數Table 1 Physical properties of apple sample

1.1.2 主要儀器設備

壓力圖像數字化分析系統：FPD－8010E型，日本Fuji公司；

CCD專用掃描儀：PerfectionTMV300Photo型，日本Epson公司；

數顯果實硬度計：FT－327型，意大利BREUZZI公司；

糖度計：PR－101型，日本ATAGO公司；

數顯曲率半徑儀：RG512C5型，桂林市晶瑞電子有限責任公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：GZX－9140MBE型，上海博訊實業有限公司醫療設備廠。

1.2 方法

1.2.1 蘋果靜壓試驗 試驗時，將蘋果試樣放置在兩平行鋼板間進行靜載壓縮，平板與蘋果赤道部接觸。根據文獻［10］，紅富士蘋果果肉屈服應力臨界值在40～100N，本研究預備試驗中蘋果在50～60N時開始損傷，因此本研究選取壓力水平為50，52，54，56，58，60，70，80，90，100N。為了避免接觸位置曲率半徑對蘋果受載損傷面積的影響［16，17］，本研究保持蘋果受壓時接觸位置曲率半徑為（35.00±1.34）mm。每個水平試驗重復10次。

1.2.2 蘋果靜壓接觸應力分布的測量方法 感壓膠片的測量原理見參考文獻［7］。壓縮時，將感壓膠片固定于平板與蘋果的接觸表面，保壓時間300s。測量時環境溫度保持20～35℃，相對濕度35%～80%。如圖1所示，靜壓試驗后，采用掃描儀和顏色校正板對感壓膠片進行掃描處理，讀取接觸應力分布特征圖，圖像分辨率為0.125（200dpi）。然后采用FPD－8010E壓力圖像數字化分析系統進行數值解析，將結果導入繪圖軟件Surfer 9進行平滑處理，獲得接觸應力值以及應力分布范圍。

圖1 蘋果靜壓接觸應力分布圖的處理Figure 1 Mapping of contact pressure distribution for apple under compression

1.2.3 果實損傷部位褐變處理及損傷面積測量方法 正常狀態下，細胞內多酚氧化酶（PPO）與細胞器內膜結合，受細胞膜保護和控制。當果蔬受到機械損傷時，受損部位細胞膜發生破壞，氧氣侵入，質體內多酚類物質在大量被激活的PPO的催化作用下促使醌的形成和積累，醌進一步氧化聚合形成褐色素而引起組織褐變，即酶促褐變。酶促褐變進程受空氣和反應環境的pH值影響，研究［18］發現大多PPO活性最適宜pH范圍為6.0～7.4。因此，調節pH值可加快受損部位酶促褐變反應，以獲得果實損傷部位明顯的褐變區域。

如圖2所示，根據上述果實褐變機理，將蘋果試樣受壓部位去皮，然后完全浸泡于10%pH 7.1的NaHCO3溶液4h，使損傷部位充分褐變并形成明顯邊界，然后取出后用吸水紙去除表面多余的溶液。隨后采集損傷區域的圖像，將其導入MATLAB R2008a進行灰度轉換和形態學運算，提取損傷輪廓區域，最后采用bwarea算法計算輪廓面積，得到蘋果靜壓損傷面積。

圖2 蘋果靜壓損傷區域的褐變處理及輪廓提取過程Figure 2 Process of apple enzymatic browning treatment and bruise contour extraction

2 結果與分析

2.1 蘋果靜壓損傷與應力分布的特征分析

圖3 蘋果靜壓損傷與應力分布的特征Figure 3 Characterizing bruise and contact pressure for apple under compression

不同壓力下蘋果接觸時的損傷和接觸應力分布的輪廓特征見圖3。蘋果靜壓接觸損傷輪廓接近橢圓形，但邊緣的不規則也很明顯，因此以往果實損傷研究中采用橢圓形假設測量計算損傷面積一定存在不同程度的誤差。此外，蘋果損傷區域局部有點狀或成片的白色分布，這可能是蘋果表面的凹陷引起接觸不充分，使該部位果肉組織僅發生輕微褐變損傷甚至未發生損傷。

從不同壓力下蘋果接觸應力分布特征圖觀察可以看出，應力分布輪廓更趨近于橢圓形，但與其對應壓力下的損傷面積輪廓并不吻合，應力分布的區域明顯要高于損傷區域，可以觀察到較低應力（＜0.10MPa）主要分布在應力分布的邊緣且面積很小，這很可能是未造成蘋果損傷的應力分布區域。由于感壓膠片對材料表面的粗糙程度反應敏感，蘋果表面直觀上存在不同程度凹凸使應力分布區域內部仍然會有零星分布的較低應力，這也與蘋果受壓所表現出的類似損傷特征相一致。

2.2 蘋果靜壓接觸應力分布特性分析

由圖4可知，蘋果靜壓時的應力均值隨壓力變化很小，主要在0.26～0.31MPa波動。說明，蘋果的應力均值對損傷面積無影響，換而言之，蘋果的損傷面積與應力均值無直接關系。

圖4 蘋果靜壓接觸應力均值隨壓力的變化Figure 4 Change of average pressure of apple with increasing compressive loads

由圖5可知，不同范圍的接觸應力分布具有正態分布的特征。＜0.10MPa的低應力和≥0.50MPa的高應力的面積都很小，其中，＜0.10MPa的應力分布面積均值為16.9mm2，與接觸應力面積和損傷面積間的差值非常接近，進一步暗示，主要分布在受壓邊緣＜0.10MPa的應力面積應該反映了蘋果果肉未發生損傷的區域；≥0.50MPa的應力分布面積僅為1～13mm2，只在受壓區域零星分布，這應該是蘋果表面的凸起所引起局部較大應力，并不是造成蘋果損傷的主要原因。相比較而言，0.20～0.40MPa的應力面積分布始終最大，占應力總面積的72%，構成了蘋果褐變損傷的主要區域。

圖5 蘋果不同壓力時的接觸應力分布Figure 5 Contact pressure distribution of apple under different compressive loads

2.3 蘋果靜壓損傷面積與應力面積的關系

由圖6可知，當壓力≤52N時，蘋果雖存在一定的接觸應力面積但無損傷，這是因為蘋果表面盡管出現較小的壓陷，只是果肉彈性變形的反映，而其果肉細胞卻未發生破裂，因而無法釋放酚類物質使受壓部位果肉發生酶促褐變。但當壓力達到54N時，蘋果卻在應力面積未出現劇增的情況下，受壓部位出現酶促褐變而形成肉眼可辨的較大損傷，表明54N壓力時蘋果果肉細胞已發生破裂。根據54N壓力及相對應的應力分布面積計算可知，此時蘋果果肉的平均應力為0.29MPa，該值很可能就是蘋果果肉失效或細胞破裂的失效應力，這也與Chakespari等［19］獲得的蘋果組織靜壓破裂應力值較為接近。此外，從蘋果損傷面積與接觸應力面積隨壓力變化趨勢比較可以看出，兩趨勢線近乎于平行，蘋果應力總面積高出其損傷面積9%，其間距所表示的接觸應力面積和損傷面積差值約為19.2mm2，與上一節分析中＜0.10MPa應力分布的平均面積完全一致。由表2可知，分別采用≥0.05，≥0.10，≥0.15，≥0.20MPa的應力面積來估測蘋果損傷時，≥0.10MPa的應力面積最接近蘋果損傷面積，平均相對誤差率僅為1.66%，這與本課題組［7］采用≥0.20MPa的應力面積估測香梨靜壓損傷面積的誤差要低得多，圖7的統計結果也進一步表明，蘋果靜壓損傷面積與≥0.10MPa的應力面積呈高度線性正相關（R2＝0.99），應力面積（A）與損傷面積（AP≥0.10）的關系為：A＝ 0.98AP≥0.10＋1.95。

圖6 不同壓力下蘋果損傷面積與應力面積Figure 6 Changes of bruise area and contact pressure area of apple with increasing compressive loads

表2 應力面積與損傷面積結果比較Table 2 Comparisons of contact pressure area with bruise area

圖7 接觸應力面積與損傷面積的關系Figure 7 Relationship between contact pressure area of≥0.10MPa and bruise area

綜上所述，蘋果果肉失效的平均應力為0.29MPa，但損傷面積已超出了0.29MPa的應力分布范圍，達到了0.10MPa的，可能是果肉在0.29MPa應力作用下發生破裂后，會導致周圍相鄰組織的潰塌或破裂，而引起褐變的酚類物質的釋放則會進一步增強這種擴散效應，只有＜0.10MPa應力范圍的果肉組織可能相對完整，未受酚類物質褐變作用。從這些分析充分說明，蘋果果肉在受壓邊緣＜0.10MPa范圍的應力區域內未發生褐變損傷，只有≥0.10MPa的應力面積才是蘋果實際損傷區域。

3 結論

蘋果靜壓時，當壓力達到54N時開始出現酶促褐變損傷，果肉失效或細胞破裂的失效應力為0.29MPa。蘋果靜壓接觸時的應力均值與其損傷面積無直接關系；≥0.50MPa的應力分布面積極小，不是造成蘋果損傷的主要原因，0.20～0.40MPa的應力分布占72%，是蘋果損傷的主要區域。蘋果靜壓接觸應力總面積比其實際損傷面積高出9%，≥0.10MPa的應力面積最接近蘋果損傷面積，可采用回歸方程A＝0.98AP≥0.10＋1.95對蘋果靜壓損傷面積精確估測，平均誤差僅為1.66%，這可為蘋果靜壓損傷面積的有限元準確模擬預測提供重要依據。

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