果蔬壓縮力學(xué)性質(zhì)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

武新慧，郭玉明

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

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果蔬壓縮力學(xué)性質(zhì)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

武新慧，郭玉明

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

摘要：研究果蔬的壓縮力學(xué)性質(zhì)可為果蔬加工、運(yùn)輸、檢測(cè)包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝優(yōu)化依據(jù)。為此，以幾種常見(jiàn)果蔬為研究對(duì)象，在INSTRON生物材料性能試驗(yàn)機(jī)上搭載了電子顯微鏡圖像采集系統(tǒng)，在進(jìn)行果蔬試樣壓縮力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)測(cè)試的同時(shí)，對(duì)壓縮變形過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)圖像采集與分析，獲得了果蔬的壓縮強(qiáng)度極限、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。同時(shí)，結(jié)合電子顯微鏡采集到的壓縮過(guò)程果蔬細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形圖像，通過(guò)觀察壓縮過(guò)程果蔬細(xì)胞的變形、微結(jié)構(gòu)變位及滲水等情況，分析了果蔬材料的屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及材料破壞與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的關(guān)聯(lián)，了解了果蔬壓縮力學(xué)性質(zhì)與壓縮過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：果蔬；細(xì)觀結(jié)構(gòu)；壓縮力學(xué)性質(zhì)；變形響應(yīng)

0引言

研究果蔬的壓縮力學(xué)性質(zhì)在果蔬加工、貯藏、運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇和相關(guān)加工裝備設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提高和品質(zhì)檢測(cè)等方面具有應(yīng)用意義[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于果蔬壓縮力學(xué)性質(zhì)的研究主要是通過(guò)果蔬壓縮試驗(yàn)，測(cè)得其力-位移曲線[3]或者應(yīng)力-應(yīng)變曲線[4]，分析其曲線變化規(guī)律及受力變形特點(diǎn)，獲得彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)[5]。同時(shí)，也有關(guān)注果蔬的細(xì)觀結(jié)構(gòu)[6]的研究，用顯微鏡[7]、掃描電鏡[8]等儀器設(shè)備獲得果蔬受力變形后的細(xì)觀組織圖像，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)得的力學(xué)性質(zhì)和宏觀變形破壞現(xiàn)象，從微觀層面分析果蔬變形破壞機(jī)理。但是，這些研究只表達(dá)了果蔬受力變形最終狀態(tài)或中間某一時(shí)刻的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位與力學(xué)特性相關(guān)關(guān)系，沒(méi)能連續(xù)地進(jìn)行果蔬受力變形過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。因此，本文在INSTRAN材料力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)上搭載了動(dòng)態(tài)顯微鏡觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蔬加載的同時(shí)采集了果蔬微觀結(jié)構(gòu)變位的圖像信息，進(jìn)行了蘋果、梨、馬鈴薯、白蘿卜、胡蘿卜、茄子的壓縮試驗(yàn)，并分析了細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1材料和方法

1.1　材料的選取及貯藏

本文選取山西本地產(chǎn)的果蔬為試驗(yàn)材料。水果包括蘋果、梨，均采自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹(shù)所；蔬菜包括馬鈴薯、白蘿卜、胡蘿卜、茄子，均為市場(chǎng)采購(gòu)，挑選新鮮成熟、無(wú)機(jī)械損傷、同一品種大小相近的樣本。將樣本分別用保鮮袋保存，儲(chǔ)藏于4℃冷藏柜中保鮮，備用。

1.2　儀器與設(shè)備

本試驗(yàn)使用的主要儀器及設(shè)備有： 5544電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)INSTRON公司)，最大載荷為2kN；CMM-15E透反射金相顯微鏡(上海光學(xué)儀器廠)，總放大倍數(shù)為40X-2000X，顯微圖像可由CCD實(shí)時(shí)記錄并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏觀察實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像，圖像分辨率為320×240，存儲(chǔ)速率為24幀/s；DHG-9023A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(無(wú)錫三鑫精工試驗(yàn)設(shè)備有限公司)，溫度調(diào)節(jié)范圍為50～200℃；MP2002電子天平(上海精密儀器儀表有限公司)，稱量范圍200g，可讀性0.01g。

1.3　試驗(yàn)方法

1.3.1樣品制備

將試驗(yàn)材料從冷藏柜中取出，待其恢復(fù)室溫后去皮洗凈，切成10mm×10mm×15mm的矩形試樣，每種試樣均切20個(gè)，已切好的樣品及待切樣品均用聚乙烯薄膜密封保存，備用。

1.3.2含水率測(cè)定

每種樣本隨機(jī)選取1個(gè)，洗凈去皮后切取一小塊試驗(yàn)部位樣本用于測(cè)量物料的含水率。稱量所取得的樣本質(zhì)量，隨后切成細(xì)絲放入已烘干恒定質(zhì)量的玻璃器皿中，置于100℃恒熱鼓風(fēng)干燥箱中4h，待其質(zhì)量恒定后稱重。含水率的計(jì)算公式為

(1)

式中Mw—含水率；

mw—物料中所含水的質(zhì)量；

ms—物料中所含干物質(zhì)的質(zhì)量。

1.3.3壓縮力學(xué)試驗(yàn)

用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)每種試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，同時(shí)用電子顯微鏡觀察壓縮過(guò)程中試樣側(cè)表面細(xì)觀圖像變化情況。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)(ASAE)推薦標(biāo)準(zhǔn)，控制試驗(yàn)室溫為20℃，相對(duì)濕度為(50±5)%，每種試樣測(cè)定20次[9]。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮速度控制為1mm/min，壓縮試驗(yàn)前預(yù)加載速度為5mm/min，預(yù)加載載荷0.1N，設(shè)定荷載率達(dá)到40%時(shí)試驗(yàn)自動(dòng)停止。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　果蔬壓縮力學(xué)性能

表1給出了幾種不同果蔬以及果蔬不同部位試樣的壓縮力學(xué)性能值。表1中，含水率由式(1)計(jì)算得到，最大載荷Fmax、載荷最大時(shí)的位移L、楊氏彈性模量E均由INSTRON萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)計(jì)算生成。強(qiáng)度極限σ的計(jì)算公式為

(2)

式中Fmax—最大壓縮載荷；

A—試件的初始橫截面積。

由于壓縮位移-壓縮載荷曲線上沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)，通常認(rèn)為當(dāng)生物物料的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞時(shí)物料屈服。因此，當(dāng)顯微圖像上看到細(xì)胞滲水時(shí)，認(rèn)為細(xì)胞屈服。生物屈服強(qiáng)度σ′由式(3)計(jì)算得到。式中，屈服載荷F′為當(dāng)電子顯微鏡觀察到果蔬試樣表面細(xì)胞出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓縮載荷。那么，則有

(3)

式中F′—屈服載荷。

圖1為幾種果蔬試件的壓縮位移-壓縮載荷曲線。隨著壓縮位移的增大，壓縮載荷隨之增大，直到試件發(fā)生斷裂時(shí)(見(jiàn)圖2)壓縮載荷急速下降，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為試件破裂點(diǎn)。由于茄子屬于海綿體生物材料，因此沒(méi)有破裂點(diǎn)，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷不斷增加。幾種不同果蔬的強(qiáng)度極限不同，梨的強(qiáng)度極限為0.40MPa，在幾種果蔬中最小。因此，在運(yùn)輸加工時(shí)也最易受外力作用而損傷，然后隨著壓縮位移的增大，壓縮載荷減小。各向異性的果蔬不同的測(cè)試部位表現(xiàn)出的壓縮力學(xué)性質(zhì)也有所不同：胡蘿卜芯部的強(qiáng)度極限達(dá)到了2.16MPa，而果肉部分僅為1.48MPa。幾種果蔬中胡蘿卜的強(qiáng)度極限最大，不容易受外力損傷，因此也更易保存。

表1　果蔬壓縮力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)值

2.2　果蔬壓縮細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位圖像

在用INSTRON電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的過(guò)程中，用電子顯微鏡觀察記錄試樣表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化情況。圖3～圖5分別為蘋果、馬鈴薯、茄子試樣不同壓縮階段的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化圖。

圖1　果蔬壓縮載荷-壓縮位移曲線

圖2　馬鈴薯試件斷裂面

圖3　蘋果試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖

圖4　馬鈴薯試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖

圖5　茄子試件細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖

圖3～圖5中：

(a)為果蔬試件側(cè)表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。可以看到：沒(méi)有經(jīng)過(guò)加載的蘋果、馬鈴薯試樣細(xì)胞結(jié)構(gòu)完整、呈現(xiàn)出腔結(jié)構(gòu)、細(xì)胞飽滿、邊緣清晰、形狀規(guī)則，排列整齊、緊湊。

(b)為果蔬試件加載但未屈服時(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。此時(shí)，蘋果的壓縮位移為1.135mm、壓縮載荷為3.192N，馬鈴薯的壓縮位移為0.418mm、壓縮載荷為5.478N，茄子的壓縮位移為1.278mm、壓縮載荷為1.024N。圖中可以看出：果蔬細(xì)胞變形、排列不規(guī)則、結(jié)構(gòu)疏松、變形嚴(yán)重，但未見(jiàn)水分明顯滲出。

(c)為果蔬試件剛屈服時(shí)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。此時(shí)，蘋果試樣的壓縮位移為1.754mm、壓縮載荷為9.532N；馬鈴薯試樣的壓縮位移為0.961mm、壓縮載荷為17.685N；茄子試樣的壓縮位移為1.996mm、壓縮載荷為2.296N。圖中細(xì)胞滲水，認(rèn)為細(xì)胞結(jié)構(gòu)已破壞，水分從細(xì)胞中擴(kuò)散出來(lái)，已看不到明顯的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

(d)為果蔬試件屈服后繼續(xù)加載的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖。圖中已充滿水分，隨著電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的繼續(xù)加載，細(xì)胞破壞嚴(yán)重，水分大量滲出，已完全看不到細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并且細(xì)胞中的一些大分子物質(zhì)懸浮于滲出的水分中。

2.3果蔬壓縮力學(xué)性質(zhì)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位動(dòng)態(tài)響應(yīng)

分析

果蔬是由細(xì)胞組成的，細(xì)胞的組成、形狀、結(jié)構(gòu)、排列方式及各項(xiàng)生命功能都與果蔬的力學(xué)特性有關(guān)。果蔬細(xì)胞由細(xì)胞壁、細(xì)胞核、液泡等組成。由于細(xì)胞壁主要由一些可以承受較大抗拉強(qiáng)度的微絲和微管組成，因此起到了承受外部載荷、維持植物細(xì)胞形狀的作用[10-11]。當(dāng)果蔬受到外加載荷時(shí)，果蔬細(xì)胞壁可承受外部載荷，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)液體的壓力可以保證細(xì)胞壁受壓縮時(shí)不會(huì)失穩(wěn)，蘋果和馬鈴薯的細(xì)胞壁應(yīng)變可達(dá)到15%[12]。細(xì)胞之間是通過(guò)膠狀物連接的，膠狀物具有流變特性且可以傳遞壓力，因此當(dāng)表層細(xì)胞受力時(shí)，可將壓力傳遞到相鄰細(xì)胞[13]。隨著外部壓力的逐漸增大，由于細(xì)胞內(nèi)液體的壓力抵抗細(xì)胞變形，細(xì)胞內(nèi)壓隨之增大，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)壓超過(guò)臨界值時(shí)細(xì)胞破裂，此時(shí)果蔬細(xì)胞結(jié)構(gòu)崩塌，內(nèi)部水分及細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲透，果蔬達(dá)到生物屈服極限，受到機(jī)械損傷。

3結(jié)論

1)試驗(yàn)測(cè)試了蘋果、梨、馬鈴薯、白蘿卜、胡蘿卜、茄子的壓縮力學(xué)特性，得到了以上幾種果蔬的壓縮最大載荷、強(qiáng)度極限、楊氏彈性模量及生物屈服強(qiáng)度。

2)采集了壓縮過(guò)程中果蔬的細(xì)觀圖像，通過(guò)觀察壓縮過(guò)程果蔬細(xì)胞的變形、微結(jié)構(gòu)變位及滲水等情況，分析了果蔬材料的屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及材料破壞與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位的關(guān)聯(lián)。

3) 分析了果蔬壓縮過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變位對(duì)壓縮特性的影響機(jī)理及果蔬的細(xì)觀損傷機(jī)理。

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Abstract ID:1003-188X(2016)08-0160-EA

Dynamic Response of Compression Behavior and Meso-structure of Fruits and Vegetables

Wu Xinhui, Guo Yuming

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

Abstract：The study of compression behavior of fruits and vegetables can provide design parameters and process optimization for processing, transport, detection of fruits and vegetables. Apple, pear, potato, white radish, carrot and eggplant were chosen as the subject of the compression experiment. The microstructure and compression behavior of fruits and vegetables were gained by INSTRON tester and electronic microscope acquisition system. In this paper, analyzed the compression deformation and gained the yield stress, ultimate strength, elasticity modulus. We have observed the microstructure deformation image of cells, such as the deformation and seepage of fruit and vegetable cells. The relationship between yield stress and the microstructure when cells yield was determined and the influencing mechanism of compression behavior of fruits and vegetables by microstructure deformation was analyzed.

Key words：fruits and vegetables; microstructure; compress-mechanical property; deformation response

中圖分類號(hào)：S183；Q66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0160-04

作者簡(jiǎn)介：武新慧(1990-),女，太原人，博士研究生，(E-mail)wuxinhui0321@163.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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30771242, 31171450)；山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-14