基于穿刺試驗蘋果力學(xué)性質(zhì)的研究

馮慧敏，郭玉明，武新慧

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷　030801)

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基于穿刺試驗蘋果力學(xué)性質(zhì)的研究

馮慧敏，郭玉明，武新慧

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801)

摘要：質(zhì)地是檢測水果品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，物性分析儀測得的力學(xué)指標(biāo)可以準(zhǔn)確地反映水果的品質(zhì)特性。試驗采用物性分析儀對蘋果進行穿刺試驗，測得不同測試形態(tài)、不同加載速率下試樣的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度等力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：不同的測試形態(tài)對試樣的力學(xué)特性有顯著影響，對蘋果整果試樣縱向和軸向截面穿刺得到的力學(xué)指標(biāo)較穩(wěn)定。由整果縱向穿刺力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析得出：除了果肉平均硬度，其他各力學(xué)指標(biāo)間均有極強的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：穿刺；力學(xué)性質(zhì)；試樣形態(tài)；加載速率；蘋果

0引言

水果的力學(xué)性質(zhì)對于水果品質(zhì)鑒定及加工裝備的多尺度建模與設(shè)計有著重要的影響[1,2]。蘋果作為我國產(chǎn)出的重要水果類型，在采收、運輸、貯藏及加工等過程中受到機械損傷及成分變化，其品質(zhì)會發(fā)生一定的改變。通過對力學(xué)指標(biāo)的測定可以建立起不同狀態(tài)下其品質(zhì)和力學(xué)特性間的相關(guān)關(guān)系，為其品質(zhì)檢測提供理論依據(jù)[3,4]。近年來，通過物性分析儀對產(chǎn)品品質(zhì)的檢測研究越來越多[5-8], 眾多研究對于水果品質(zhì)的測試條件并沒有統(tǒng)一的規(guī)范，不同的測試環(huán)境試樣的力學(xué)特性會有差異。國內(nèi)外學(xué)者對蘋果品質(zhì)測定的研究也有很多：張文會等[9]分別用P/2 和P/100 探頭測試蘋果質(zhì)地，測得的力學(xué)特性可以反映出不同品種間蘋果質(zhì)地的差異性；Hossein Barikloo等[10]對“金冠”和“紅富士”進行動態(tài)沖擊試驗，并建立了蘋果彈簧參數(shù)“K”和阻尼參數(shù)(C)與沖擊速度(V)，接觸時間(T)和等效曲率半徑(R)作為獨立變量的多元回歸方程；李小昱等[11]通過蘋果的壓縮試驗，表明加載速率與壓頭型式對蘋果力學(xué)特性有顯著影響；楊玲等[12]應(yīng)用質(zhì)地多面分析法(TPA測試)對‘華紅’蘋果采后質(zhì)地變化進行了研究分析，并建立各質(zhì)地參數(shù)間的相關(guān)性，表明TPA測試能準(zhǔn)確反映‘華紅’果實在貯藏過程中果肉的質(zhì)地變化規(guī)律。為了探究不同測試條件對試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，試驗選取蘋果作為研究對象，對不同形態(tài)試樣進行穿刺試驗，得到不同測試狀態(tài)下果肉的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度等指標(biāo)，探究測試試樣形態(tài)和加載速率對果肉力學(xué)性質(zhì)的影響，對各力學(xué)特性指標(biāo)進行相關(guān)性分析。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料及設(shè)備

為避免個體間差異造成的試驗誤差，從市場買回一批新鮮水晶富士蘋果作為試驗材料；采用T.A.XT-Plus物性測試儀進行測試。

1.2試驗方法與步驟

1)試樣制作。為研究試樣大小對試驗的影響，同時避免個體間的差異，從5個形狀接近的不同個體選取蘋果果肉，分別制成10mm×10mm×20mm與20mm×20mm×10mm的試樣；選取2個完整的蘋果分別將頂部和側(cè)面切出平整的表面做軸向的果肉穿刺，試驗重復(fù)測試3次。

2)蘋果果肉機械特性的測定。試驗運用物性分析儀在不同的加載速率下對試樣進行穿刺試驗，選取P/2探頭，設(shè)置測試前速率為1mm/s，測試后速率為10mm/s，穿刺深度為5mm，測試速率分別為0.01、0.05、0.1、0.5、1、2mm/s。對于切塊試樣，穿刺部位為試樣中心，整果穿刺部位為靠近果皮處5～20mm的圓周。在對樣品穿刺過程中，隨著探頭刺入深度增加，載荷值也不斷增大。當(dāng)載荷值達到果肉組織細(xì)胞的屈服極限時，載荷值會出現(xiàn)明顯的生物屈服點；探頭繼續(xù)刺入使得果肉組織細(xì)胞破裂，此時測試得到果肉的破裂力和破裂深度，直到探頭刺入深度達到5mm測試結(jié)束。測試分別得到不同形態(tài)下蘋果果肉的生物屈服力(N)，破裂力(N)，破裂深度(mm)，破裂能(N·mm)和果肉的平均硬度(N)。其中，破裂能為破裂點下方變形曲線與橫坐標(biāo)位移圍成的面積。果肉平均硬度為由探頭刺入果肉下降至5mm載荷的平均值。

2試驗結(jié)果與分析

2.1不同加載速率下測試參數(shù)的分布

試驗測得加載速率分別為0.01 、0.05 、0.1 、0.5、1、2mm/s時，4種不同形態(tài)試樣的各力學(xué)特性值。用Origin軟件繪制出在不同測試形態(tài)下，蘋果果肉的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度在不同加載速率下的分布規(guī)律，結(jié)果如圖1所示。

(a)

(b)

(d)

(e)

從圖1中可以看出：較低加載速率下測得果肉各力學(xué)特性數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差；當(dāng)加載速率大于0.5mm/s時，隨著加載速率的增大，除果肉硬度外，其它各力學(xué)指標(biāo)都有穩(wěn)定的增大趨勢。這是由于較低速率下探頭緩慢作用于果肉組織細(xì)胞，載荷作用下受力細(xì)胞的變形不一致；而加載速率較大時，探頭作用下果肉細(xì)胞的變形速率要快，反映出被壓果肉整體的變形情況。在穿刺的截面面積為100mm2和400mm2時，測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，整果軸向截面穿刺試驗測得的力學(xué)指標(biāo)值除破裂深度外，其他均大于縱向截面測得的力學(xué)指標(biāo)值。

2.2樣品形態(tài)和加載速率對果肉力學(xué)特性的影響

為判定樣品形態(tài)和加載速率對果肉力學(xué)特性影響的顯著性，用SAS統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析。結(jié)果如表1～表5所示。

表1　蘋果果肉生物屈服力方差分析表

表2　蘋果果肉破裂力方差分析表

表3　蘋果果肉破裂深度方差分析表

表4　蘋果果肉破裂能方差分析表

表5　蘋果果肉硬度方差分析表

通過方差分析可以看出：除了果肉硬度，試樣的形態(tài)對蘋果果肉各力學(xué)特性在0.01水平上均有顯著影響。在0.01水平上，加載速率只對生物屈服力有顯著影響。這一現(xiàn)象同樣說明對果肉穿刺時，探頭作用下果肉組織細(xì)胞受力變形的不穩(wěn)定性。

2.3各力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)性分析

應(yīng)用SAS軟件對不同測試形態(tài)下的加載速度與各力學(xué)特性進行相關(guān)性分析，在4種測試形態(tài)下，對試樣的縱向穿刺得到的力學(xué)特性間相關(guān)性最強，結(jié)果如表6所示。

表6　縱向圓周面穿刺力學(xué)特性相關(guān)性分析

*代表顯著性水平0.05，**代表顯著性水平0.01。

從表6中可以看出：對試樣進行縱向圓周面的穿刺測得數(shù)據(jù)要穩(wěn)定；在0.01水平上，加載速率和破裂力、破裂深度及破裂能顯著相關(guān)；破裂力、破裂深度及破裂能3個力學(xué)指標(biāo)兩兩顯著相關(guān)。

3結(jié)論

通過對不同形態(tài)蘋果試樣進行不同加載速率的穿刺測試，測得蘋果果肉的各力學(xué)特性值會隨著加載速率的增大而增大，不同的測試形態(tài)對蘋果果肉各力學(xué)特性均有顯著影響。對整果試樣穿刺測得的數(shù)據(jù)要比切塊試樣的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，軸向的力學(xué)特性間也存在著差異性，試樣的縱向圓周面穿刺測得的力學(xué)指標(biāo)間有顯著相關(guān)性。因此，需對物料的測試條件進行更深入的研究分析才能確定合適的測試參數(shù)；同時，應(yīng)對不同測試形態(tài)下物料組織細(xì)胞的變形做進一步的研究測定以準(zhǔn)確的反映物料間品質(zhì)的差異，為不同的物料的品質(zhì)鑒定提供理論依據(jù)。

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Study on Mechanical Properties of Apple Based on Puncture Tests

Feng Huimin,Guo Yuming, Wu Xinhui

(College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)

Abstract：Texture is an important standard for quality detection of fruits, physical mechanical indexes of the analyzer can accurately reflect the quality characteristics of fruit. The mechanical properties including the yield stress, fracture, rupture depth, fracture energy and pulp average hardness of the different shape specimen under different loading rate were obtained from puncture test on apple by using texture analyzer. The results showed that: shape has a significant influence on the mechanical properties of specimens, mechanics indexes of whole sample are more stable when puncture in the longitudinal and axial section. In addition to the firmness, there is an extremely strong correlation between each of the other mechanical indexes which were obtained from the correlation analysis of mechanical indexes of the puncture in the longitudinal section.

Key words：puncture; mechanical properties; shape; loading rate; apple

文章編號：1003-188X(2016)01-0188-04

中圖分類號：S12；Q66

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：馮慧敏(1990-)，女，太原人，碩士研究生，(E-mail)fenghuimin2013@126.com。通訊作者：郭玉明(1954-)，男，山西平定人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)guoyuming99@sina.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(30771242, 31171450)；山西省重點實驗室基金項目(2013011066-9)

收稿日期：2014-12-27