果蔬運輸受振動·沖擊作用研究進展

摘要介紹果蔬在運輸過程中的振動、沖擊損傷，綜述了果蔬振動沖擊碰撞試驗在實驗室模擬時所需考慮的因數，并探討了果蔬振動沖擊損傷體積與各可控因素之間的相關性，此外，也對目前果蔬碰撞參數指標進行了簡要說明。研究可為振動沖擊作用下果蔬損傷機理的探究做出參考，也為果蔬的運輸包裝業提供理論依據。

關鍵詞果蔬；沖擊損傷；碰撞參數；機理

中圖分類號S229+.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）26-326-04

Abstract This article mainly presents the damage mechanism of fruit and vegetable during transportation， and takes a summary regarding factors that need to be considered in vibration and impact test when making a simulation at lab. In addition， this paper also probes into the relativity between damage volume and manageable factors， makes brief directions with respect to the current parameter indexes belong to fruit and vegetable collision. Not only can the above act as a reference to the research on damage mechanism of fruit and vegetable under the action of impact， but also be able to provide theoretical basis for transport packing profession.

Key words Fruits and vegetables； Impact damage； Collision parameter； Damage mechanism

由于食品問題的不斷出現，人們對食品的安全和果蔬品質愈來愈重視。而由于果蔬種植的區域不同和收獲的季節不同，在商品走向世界各地市場過程中必然對其新鮮度、營養價值有所損壞。水果的口感和蔬菜的品質與其自身的損傷程度直接相關，損傷在流通過程中多種多樣，而機械損傷則是最重要的一環[1]。目前，一般認為機械損傷是指果蔬從采摘到食用過程中受到靜力或動力作用下產生的果體變形或果肉變質的現象。由于果蔬是粘彈性體，所以損傷呈現時損傷和延時損傷2種[2]。其實果蔬的損傷不分國度，而減少損傷的方法就是發展果蔬科技，從而降低在流通過程中的損傷。有文獻指出，發達國家果蔬采后損傷也達到15%～20%，約是我國損傷的一半[3]。如何把果蔬的損失減到最小，使得經濟效益最大化，科研人員就機械損傷進行了大量試驗以及探究。

目前認為機械損傷主要形式有2種：振動損傷和沖擊損傷。果蔬的振動損傷研究者甚多，康維民等通過對梨進行振動模擬試驗研究，認為每一次振動對果蔬都有損傷，并且損傷是可以積累的，當累積損傷超過自身損傷安全值時，果蔬呈現振動損傷。隨后他又進行了卡車運輸水果的模擬試驗研究，得出了草莓、葡萄、梨等不同水果的S—N曲線，發現振動加速度和振動次數有相關性，可通過振動加速度求振動次數，反之亦然[4-6]。郭彥峰等認為，還有一種振動損傷形式：共振條件下振動加速度超過商品的破損邊界而產生的振動損傷[7]。 另外， 康維民等根據梨振動的S—N曲線，得出梨失去商品性前所允許的振動次數與振動加速度的關系，使得振動損傷機理研究更近了一步[8]。在果蔬沖擊損傷機理探究方面，李小昱等對蘋果的沖擊損傷做了較全面的研究。通過對水果進行跌落試驗，分析了蘋果損傷體積與最大加速度之間的關系，并探討了碰撞表面彈性模量的改變對碰撞時間、碰撞能量的影響，通過線性回歸建立了蘋果損傷預測模型。之后又進行了單擺式蘋果碰撞試驗，得出了吸收能量與蘋果損傷有一定的相關性，并且損傷體積與碰撞時兩蘋果的接觸面積呈次方的線性關系[9]。王俊等對桃下落的沖擊動力學特性進行研究，選用質量、高度、堅實度作為試驗因數，得到了不同因數下果品撞擊鋼板時的時域響應曲線和頻域響應曲線。通過分析得出質量與響應主頻率值呈負相關，堅實度與響應主頻率值呈正相關，且它們都影響顯著[10]。從表現形式上看，果蔬的損傷可分為內傷和外傷，外傷一般顯而易見，而內傷很難看出來，很多時候機械損傷開始時候看不到，一段時間以后會表現出來。一方面是因為表皮和皮下組織被破壞，細菌侵入，發生腐敗；另一方面是因為損傷部分與氧氣接觸，被氧化以后顏色變暗，發生延時損傷[1]。由于運輸過程中振動、沖擊、摩擦等物理作用交錯混合，測得的損傷一般是多種物理作用下的混合損傷。目前采用模擬運輸試驗，將運輸條件下各種影響因數作為輸入在試驗中重現。筆者著重總結了目前國內果蔬的振動和沖擊損傷研究，并對模擬試驗進行綜述。

1模擬運輸振動

由于我國現在的物流業不是很發達，目前果蔬主要以卡車運輸進入市場。公路運輸有其自身的特點，它成本小、運輸方便，但對果蔬的品質損失較大。大量的研究得出，造成果蔬損傷的原因是因為在運輸過程中果蔬的被迫振動，而這種被迫振動是由于道路不平、車輛自身振動等原因引起的[11]。振動損傷機理除了PalingrenMiner理論之外，康維民等從果蔬振動過程中損失的能量角度進行研究分析[8]，定量地得出了果蔬的損傷能量：

WC=NπcωA2 （1）

其中，WC為果蔬失去商品性時的損傷能量，N為果蔬失去商品性時的振動次數，c為果蔬粘彈性系數，ω、A為振動頻率和振幅。

現實中，果蔬的運輸情況比較復雜，在振動損傷機理探究中，需要大量的人力和物力，還受到外界隨機因素的影響。目前研究多采用模擬運輸，把現實中的振動物理參數引入試驗中，在振動試驗裝置上測出相關響應。振動裝置[12]如圖1所示。

圖1振動試驗裝置示意1.1振動頻率果蔬的機械損傷大都在動態過程中形成的，尤其是運輸過程中的低應力循環振動作用。在探索果蔬損傷機理的過程中，有文獻指出：車輛在運輸過程中自身的振動頻率分布在2～5 Hz[13]。而在大量科研成果中得出不同水果的固有頻率不同。西瓜的固有頻率在139.4～173.0 Hz[14]，梨果實的共振頻率在45.0～85.0 Hz[15]，蘋果的一階固有頻率為480.0 Hz左右[16]。通過數據對比，可以知道果蔬的振動損傷并不是由于運輸中產生的共振而造成的，而是低頻作用下長時間的疲勞損傷。康維民等在研究梨果實的振動損傷發現，在較小的振動頻率下果實的損傷比較明顯[8]。所以在實驗室進行模擬振動試驗時，要選擇較低的振動頻率區間。

1.2振動加速度造成果品振動損傷成因之一就是振動加速度[17]。但在模擬振動試驗所引入的加速度值受到很多因素的影響，比如，水果的種類和品種、包裝方式、運輸方式、堆積層數等。所以在進行模擬振動試驗時要不同情況不同對待。盡量符合實際運輸情況，其最大加速度的值為0.3～1.5 g[18-19]，為了提高試驗效率，盧立新等在進行公路模擬運輸試驗時，將振動加速度擴大5倍來接近現實[17]。

1.3振動時間在試驗后期要進行振動損傷的測定（一般以面積法和體積法為主），在盡量保證精準的情況下，一般以振動臺的10～40 min振動時間等效公路運輸的1 h或1 500 km，火車運輸3 h或4 500 km[20]。

1.4其他試驗因素在研究振動的過程中，不同的研究者根據具體情況引入了一些其他的影響因素。使得模擬試驗更加符合實際運輸（表1）。

2模擬沖擊

2.1模擬沖擊試驗裝置果蔬經濟是我國一些地區的支柱產業，而由于果蔬科技知識的短缺和果蔬物流行業的發展并不完備，造成的經濟損失不容忽視。其中果蔬在運輸過程中造成的機械損傷較嚴重，主要是因為道路凸凹不平和果蔬堆碼松散，增加了果蔬在車廂內上下跳動以及左右、前后碰撞沖擊的可能性。目前沖擊試驗裝置一般由沖擊試驗機、控制系統、加速度傳感器及測定解析裝置構成[8]。在跌落過程中貨物托架先快速向下運動然后再旋轉運動，由于托架的加速度大于商品的加速度，保證了托架與包裝試件的自由分離，實現果蔬的自由跌落。然后通過附在果蔬上的加速度傳感器測定沖擊時的加速度，最后進行數據處理。該裝置（圖 2 ）主要針對果品與不同碰撞表面的研究。其實在現實果蔬的運輸過程中，更多的是果蔬之間的相互碰撞，為了研究蘋果之間自由碰撞的吸收能量與體積損傷的關系，李小昱等設計了簡單的單擺式碰撞裝置（圖3），得到的損傷是隨機分配的，由于每個蘋果之間的屈服極限不同，每個蘋果之間的損傷也就不同[9]。

2.2.1果蔬質量/跌落高度/沖擊材料/成熟度（堅實度）。由能量守恒可知，果蔬的碰撞就是機械能向其他形式能的一個轉化過程。靜載作用下多以功的形式存在，而動力作用下果蔬碰撞前多以動能形式體現，也就決定了果蔬的質量和跌落高度與損傷之間的相關性，其實果蔬的損傷還與其他因素有關，比如發生碰撞的材料彈性模量等。王劍平等在梨的撞擊加速度學特性研究中發現，梨的朝向對梨的碰撞參數影響很小，而高度、質量、堅實度等物理參數對損傷影響顯著。其實跌落高度越大，力峰值越大，損傷也就越大。質量大的梨在碰撞過程中撞擊過程緩慢，損傷較大，質量小的梨和它相反。同等試驗條件下，成熟的梨較不成熟的梨損傷較小。他還進行了不同高度的碰撞試驗，發現下落高度不同，碰撞曲線有差異，高度增加，力峰值明顯增大[23]。王俊在桃的下落沖擊試驗中研究了響應頻譜特性與不同下落高度、質量和堅實度的關系，通過數據測定并分析表明，不同下落高度對響應主頻率沒有較大影響，而質量、堅實度的影響則顯著[10]。李小昱在研究蘋果碰撞損傷時，采用了不同的跌落高度和4種彈性模量不同的撞擊材料作為沖擊因數，結果發現蘋果在鋼板上的碰撞時間最短，蘋果損傷最大。在厚的墊子上碰撞時間較長，損傷較小，即緩沖材料可吸收一定的碰撞能量[9]。這為果蔬的包裝提供理論基礎，只要選擇合適的彈性模量材料，可以一定程度上降低運輸過程中的果蔬損失。吳杰為研究香蕉的損傷機理，他采用感應膠片對不同跌落高度下香蕉與不同彈性模量的4種材料碰撞，然后測定接觸應力的分布。研究表明，接觸應力的分布與果蔬碰撞材料有關，香梨與瓦楞紙碰撞后測得接觸應力分布為放射狀形，應力分布面積小于損傷面積；與鋼板碰撞，接觸應力分布輪廓邊緣呈橢圓形，應力分布面積幾乎和損傷面積一致[24]。成熟度對果蔬機械損傷的影響，目前還沒有統一說法，多數研究認為成熟度越高，果實易發生損傷。研究人員通過對番木瓜的研究發現，成熟度高的番木瓜較成熟度低的果實在外力作用下機械損傷較嚴重，并且其愈傷能力也下降[25]。也有少部分研究表明，成熟度高了機械傷敏感性反而低了，是因為成熟后彈性模量變小了。研究人員認為，蘋果的堅實度與其機械損傷正相關，果品的損傷程度與果品的曲率半徑和碰撞程度有很大關系[26]。

2.2.2貯藏時間/水果品種/溫度/水分含量。從生物學角度看，每個果蔬都是生命體，那么采后的果蔬物理特征必然與外界因素有關。王俊等在研究桃的沖擊試驗中發現，沖擊加速度峰值隨著貯藏時間的延長而降低。隨著貯藏時間的延長，在頻域響應曲線中可以看出，頻率幅值下降。其原因是梨桃在貯藏過程中，果膠質分解為可溶性果膠，果肉內部組織變松弛，彈性模量增大[10]。孫驪等從物料特性角度采用二次正交旋轉組合試驗方法研究了存放過程中蘋果的沖擊破裂特性，把蘋果質量、蘋果硬度作為損傷評價指標，并且還發現蘋果硬度和蘋果含水率在存放過程中隨存放天數延長均下降[27]。果蔬的損傷與自身的種類和品質有關，因為不同的個體之間機械特性存在差異性[28]。吳主蓮對紅富士和秦冠2種截然不同的蘋果品種進行研究，沖擊試驗后，紅富士蘋果損傷嚴重，而秦冠蘋果損傷較輕，具體表現在果實的傷口長度、寬度和深度。主要是因為不同品種之間果實大小、果肉硬度以及果皮結構上存在差異。二者的果實大小、果形指數、表皮結構、果肉硬度均有差異，在果形指數方面，紅富士小于秦冠。果形指數越大，碰撞接觸面積越大，碰撞時正應力小，果實損傷就越小[29]。吳杰等在研究儲藏時間和儲藏溫度對香梨的機械特性影響時發現，低溫條件下果肉的彈性模量大，堅實度大；隨著溫度的升高，破壞應力和破壞能減小。這是因為溫度高，果實成熟快，在酶的作用下組織發生分解，果體軟化[24]。溫度會影響果蔬的呼吸作用等生理代謝活動，這就對果蔬內部有機物的降解和消耗有一定影響，從而會影響果蔬的力學特性。溫度可以分為環境溫度和果實溫度，有文獻表明，不同果蔬之間受溫度影響不同。桃在低溫環境下機械損傷較少，而蘋果在較高溫度下產生的損傷較少。Zhang等以金冠和紅冠蘋果為材料，進行了溫度對果品機械損傷敏感性的研究，發現果實在0 ℃下蘋果的機械損傷比21 ℃下高[30]。類似的Mowatt以澳洲青蘋為材料，研究了溫度與水果損傷的相關性，發現0 ℃條件下比10 ℃的果實的損傷直徑提高了11%[31]。

安徽農業科學2015年3損傷評價指標

隨著食品問題的出現，人們對果蔬的品質要求愈來愈高。果蔬的品質與其本身是否發生損傷直接相關。對果蔬的損傷評價直接方法有：測損傷體積、損傷面積、深度或綜合評價指標。其依據是果肉變褐部位的幾何尺寸來說明己經形成的損傷情況。而沖擊損傷情況一般以計算損傷體積為主，目前認為，果蔬碰撞后發生損傷的部分按橢球體的體積進行計算[32]。為了研究的方便，不少研究者把振動沖擊損傷的體積與果蔬發生損傷時的物理參數建立聯系。并用該物理參數來代替沖擊的損傷體積。果蔬是粘彈性物料，所以在運輸過程中對振動和沖擊損傷有一定的包容量。當果蔬發生變形超過了生物的屈服極限，生物開始出現細胞的破壞，果蔬的損傷也就形成。果蔬受到的載荷沒有達到生物屈服極限時，其細胞系統不會發生損壞，商品也就不會腐敗。目前大多數研究者把沖擊作用時的力峰值、加速度峰值、到達最大力的時間以及沖擊作用總時間等進行重要研究。王俊等在研究桃的沖擊動力學中對不同成熟度、不同質量等試驗因素下進行加速度的測定，并得到一定的結果[10]。同樣的，王劍平等對桃的碰撞進行研究，通過對加速度、碰撞總時間、到達力峰值時間的數據進行整理，發現該3個試驗因子與損傷體積的相關性不盡相同[23]。除此之外，李小昱等[9]和盧立新[2]等從吸收能量的角度研究了蘋果沖擊損傷，得出了發生碰撞的2個蘋果可用吸收能量的線性表達式來表征2個蘋果的總損傷體積的結論，從而為研究果蔬碰撞中損傷體積測定提供新方法。沖擊能的計算公式E=（1-e2）mgh，其中m是果品的質量，h是跌落的高度，g是重力加速度，e是果品發生碰撞時的速度與碰撞后反彈速度的比值[33]。

國外對果蔬的機械損傷研究較早，研究方法多樣。而國內對果蔬的沖擊損傷研究較晚，方法單一，深度不夠。果蔬的沖擊損傷研究不僅可以提高瓜農瓜商的利益，還可以豐富我國果蔬機械損傷的內容。果蔬的機械損傷研究不能單純的效仿研究工程材料方法，粘彈性體有其自身的特點，其生物屬性肯定不同于工程材料。那么，在評判果蔬的損傷以及品質檢測更需要方便、實用的方法，這還需要一些研究者的不懈努力。

4存在的問題

國內外學者在果蔬運輸振動損傷及其品質評價指標方面的研究取得了一定的成果，但是也存在一些尚待研究的方面：①多以單個果蔬為試驗對象，對于堆積狀態果蔬的振動損傷的研究較少。②由于對于果蔬損傷機理尚不明確，目前多數研究對于果蔬振動損傷的原因歸結為疲勞損傷，而很少涉及振動中的沖擊、靜載、剪切等作用。③未建立統一的振動后品質評價指標，不同種類的果蔬采取了不同的評價指標，但是這些指標是否有共性尚不清楚。④多數品質評價指標是有損檢測，這不利于便攜式無損檢測裝置的研發。

5結論及展望

果蔬機械損傷的研究在我國具有起步晚、方法單一的特點。水果的研究多集中在無損檢測方面，動靜力學方面研究深度很淺。果蔬作為某些地區的支柱產業，如何減少機械損傷是一個很嚴肅的問題。果蔬經濟也是社會主義經濟的一部分，人們必須重視。目前的研究大多是進行試驗模擬，沒有在實際流通環節中對動力學的特征參數的測定，作為生物物料，果蔬的流變特性的研究較少。研究對象主要是針對蘋果、梨、西瓜等果實。還有不少關于緩沖材料的彈性模量對沖擊時果蔬的損傷影響研究。并通過線性回歸進行損傷體積進行預測。但在實際應用中不是很方便。

目前學者們在果蔬運輸沖擊損傷方面研究取得了一定的成果，但是也存在一些尚待研究的方面：①大都是對果蔬進行沖擊試驗模擬運輸，而沒有考慮在現實運輸中振動、摩擦等其他損傷形式。②多以簡單裝置對單個果蔬進行試驗，堆積、多層狀態機械損傷研究較少。③多集中在動力學研究，很少關于果蔬的流變特性研究。④在損傷后品質評價指標方面多以損傷面積和損傷體積等有損檢測為主，無損檢測研究較少。

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