白蘿卜常規(guī)力學(xué)特性試驗(yàn)

!呂俊龍 楊 薇 郭 徽（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南省 昆明 650500）

白蘿卜作為根菜類蔬菜，儲(chǔ)藏量大、營養(yǎng)價(jià)值高，是中國的主要蔬菜之一［1］。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究［2］證實(shí)，白蘿卜有促進(jìn)消化、降低血脂、軟化血管等眾多功效，所以白蘿卜及其提取物，在調(diào)節(jié)冬春蔬菜供應(yīng)上有著重要的作用。在云南，白蘿卜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了其蔬菜產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)及農(nóng)民的增收；但是其生產(chǎn)效率低、衛(wèi)生條件差；這使得云南的白蘿卜很少進(jìn)入國內(nèi)外的終端市場(chǎng)［3］。在國外，蘿卜的生產(chǎn)加工已有很大發(fā)展，主要是腌漬干蘿卜、蘿卜絲等加工［4］。

目前，國內(nèi)外對(duì)農(nóng)業(yè)物料力學(xué)特性的研究逐漸增多，如Martin、Bajema、雷得天、徐樹等［5－8］均對(duì)馬鈴薯進(jìn)行了力學(xué)特性的相關(guān)研究，建立了力—變形關(guān)系曲線，計(jì)算出了其破損應(yīng)力、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)，并分析了影響其力學(xué)特性指標(biāo)的各種因素；王榮等［9］對(duì)葡萄和番茄的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)整體葡萄和番茄的力—位移、剛度與變形的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定與分析；張洪霞等［10］通過對(duì)蘿卜的力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究，獲得其常規(guī)的力學(xué)參數(shù)，為其加工處理提供必要的理論依據(jù)。

國內(nèi)外針對(duì)白蘿卜加工的研究進(jìn)展緩慢，相關(guān)文獻(xiàn)［10］較少且所考察的因素不夠全面。本研究擬以加載部位、方向、速度和含水率為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)，以彈性模量為試驗(yàn)指標(biāo)，分析各因素對(duì)白蘿卜常規(guī)力學(xué)特性的影響，為白蘿卜的采收分級(jí)、運(yùn)輸儲(chǔ)藏、質(zhì)量檢測(cè)和實(shí)際生產(chǎn)加工提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

白蘿卜：品種為春白玉，購于云南市場(chǎng)。選取大小基本一致，無病蟲害的新鮮白蘿卜進(jìn)行試驗(yàn)。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101－2型，上海試驗(yàn)儀器廠有限公司；

電子式拉力試驗(yàn)機(jī)：WDS－2C型，濟(jì)南思達(dá)測(cè)試技術(shù)有限公司；

電子分析天平：BL310型，精度0.001g，德國賽多利斯集團(tuán)；

游標(biāo)卡尺：量程0～150mm，精度0.02mm，成都成量工具有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

白蘿卜樣品初始濕基含水率按照中國GB 5009.3—2010《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定，其范圍為93.90～96.34g/100g，平均值為95.12g/100g。每組試驗(yàn)取6個(gè)樣品，結(jié)果取平均值。

白蘿卜力學(xué)特性試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)［11］：① 在其它參數(shù)固定的情況下對(duì)加載部位（上部、中部、下部）進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析，找出最具代表性的部位作為下次試驗(yàn)的樣品；② 加載方向的試驗(yàn)，方法同上，依此類推。試驗(yàn)樣品的尺寸為40mm×40mm×40mm，每個(gè)樣品試驗(yàn)后可在電子式拉力試驗(yàn)機(jī)的顯示屏上觀察到試樣的力—變形曲線，見圖1。

圖1 白蘿卜壓縮的力—變形曲線Figure 1 The compressional force－deformation curve of white radish

由圖1可知，圖中ab段表示力值隨變形量的增大而增大，在變形達(dá)到b點(diǎn)時(shí)，力值達(dá)到最大，即峰值或破裂力Fmax的值，b點(diǎn)對(duì)應(yīng)下的變形量即是達(dá)到破裂力時(shí)對(duì)應(yīng)的變形量ΔL，此時(shí)可觀察到試樣有一道明顯的裂縫和出水現(xiàn)象，說明白蘿卜已經(jīng)破損；此后設(shè)備仍對(duì)白蘿卜進(jìn)行壓縮，力值隨著變形量的增大而減小，這一點(diǎn)可以從圖1中bc段看出；cd段則表明壓縮到c點(diǎn)時(shí)，試樣已被破壞，設(shè)備便停止繼續(xù)壓縮開始自動(dòng)返回，這一返回的過程，力急劇變小直到為零，而變形量則為c點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變形量。

彈性模量按式（1）計(jì)算：

式中：

E——彈性模量，MPa；

σ——應(yīng)力，MPa；

ε——應(yīng)變；

Fmax——試樣受到的破裂力，N；

A——試樣受力面積，mm2；

L——試樣初始長度，mm；

ΔL——試樣破裂時(shí)對(duì)應(yīng)的變形量，mm。

2 結(jié)果與分析

白蘿卜的力學(xué)特性試驗(yàn)條件如未特殊注明，試驗(yàn)樣品的含水率均是初始濕基含水率（95.12g/100g），加載速度均為10mm/min，加載方向均為軸向。

2.1 加載部位對(duì)白蘿卜彈性模量的影響

圖2 白蘿卜不同部位的彈性模量Figure 2 The elastic modulus in different parts of white radish

由圖2可知，白蘿卜中部的平均彈性模量為2.16MPa，上部為2.11MPa，下部為2.07MPa；說明白蘿卜不同部位的力學(xué)性能存在差異，其中部的抗壓能力較強(qiáng)，下部較弱，故后續(xù)試驗(yàn)均采用白蘿卜的中部作為樣品。

2.2 加載方向?qū)Π滋}卜彈性模量的影響

由圖3可知，白蘿卜軸向壓縮時(shí)彈性模量為2.19MPa，徑向彈性模量為1.98MPa，差異較明顯；這與張洪霞等［10］研究所得的蘿卜不同方向存在差異的結(jié)果是一致的；由此可以得出，白蘿卜是各向異性的，且白蘿卜軸向抗壓能力比徑向抗壓能力強(qiáng)，故后面均按軸向施力的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 白蘿卜在不同加載方向的彈性模量Figure 3 The elastic modulus in different loading directions of white radish

2.3 加載速度對(duì)白蘿卜應(yīng)力、彈性模量的影響

由表1可知，加載速度的改變會(huì)對(duì)應(yīng)力、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，但其影響沒有加載方向?qū)αW(xué)性質(zhì)的影響大。由表2可知，在α為0.05的情況下，F(xiàn)＝0.715＜Fcrit＝2.759，說明加載速度對(duì)彈性模量的影響不顯著。

表1 白蘿卜在不同加載速度的應(yīng)力、彈性模量Table 1 The stress，elastic modulus in different loading speeds of white radish

表2 加載速度對(duì)彈性模量的方差分析Table 2 The ANOVA of loading speeds to the elastic modulus

2.4 不同含水率下白蘿卜的應(yīng)力、彈性模量

由表3可知，含水率的變化會(huì)對(duì)白蘿卜的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。由圖4可知，彈性模量、應(yīng)力值隨含水率的降低呈線性增大，這與前人［12，13］得出的一些農(nóng)業(yè)物料彈性模量隨著含水率降低而增大的結(jié)果一致。究其原因，隨著含水率降低，白蘿卜逐漸變干、變硬甚至脆化，使干物質(zhì)變得更加緊湊堅(jiān)固，其抗壓能力變得越來越強(qiáng)，彈性模量也越來越大。由表4可知，含水率與應(yīng)力、彈性模量呈明顯的線性關(guān)系。

表3 白蘿卜在不同含水率下的應(yīng)力、彈性模量Table 3 The stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

圖4 白蘿卜應(yīng)力、彈性模量隨濕基含水率的擬合曲線Figure 4 The fitting curves of elastic modulus and stress of white radish with moisture content on wet basis

表4 白蘿卜不同含水率下應(yīng)力、彈性模量的回歸方程Table 4 The regression equation of stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

3 結(jié)論

（1）白蘿卜中部的彈性模量最大，即其抗壓能力最強(qiáng)，上部次之，下部最弱；白蘿卜是各向異性的，且軸向抗壓能力比徑向抗壓能力強(qiáng)。

（2）含水率與彈性模量、應(yīng)力呈明顯的線性關(guān)系，均隨著含水率的減小而增大。

（3）白蘿卜在分級(jí)裝箱、運(yùn)輸及儲(chǔ)藏過程中建議豎著裝箱，避免其徑向受力。

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