水果加工分揀技術與損傷研究的現狀與展望

蔡靜，周昕，周錦云，張俊*

(浙江省農業科學院 a食品科學研究所農業部果品采后處理重點實驗室 浙江省果蔬保鮮與加工技術研究重點實驗室，b畜牧獸醫研究所，浙江 杭州 310021)

我國是水果生產大國，果品種類繁多、產量高，是僅次于糧食、蔬菜的第三類經濟種植產品[1]。水果在采摘后進入市場前需經過一系列加工工序，包括分級分揀、包裝、運輸、貯藏、加工等，其中分揀處理可使產品規格一致，便于包裝、貯運、加工和銷售，是采后處理重要的一環[2-3]。

目前采用各類傳感器、視覺、圖像識別技術的分級設備可以根據水果的重量、果徑、酸甜度、表面損傷、內部品質等方面進行自動分級，但是在分揀過程中，由于機械造成的水果損傷還是較為嚴重，有些甚至達到了水果總損耗量的30%以上，發展低損、高效的水果加工分揀技術是現代化水果采后加工產業發展的關鍵之一[4]。

1 水果分揀設備

水果分揀設備從機械結構角度可分為滾筒式、軋輥式、杠桿式和機械臂式等，能根據不同品種水果特性進行針對性分揀處理。

1.1 滾筒式

滾筒式分揀設備主要用于水果果徑分揀，這類設備結構簡單，由多個連續排列的滾筒組成，每個滾筒上設有等直徑的圓孔，且從輸入端到輸出端，圓孔直徑按照從小到大的順序有序排列(圖1)。工作過程中，水果在滾筒上運動時通過其與滾筒表面的摩擦力不斷前進，水果在經過滾筒表面圓孔時，按照從小到大規格掉落到孔內，完成分揀作業需求。此類設備機械機構簡單、制造成本較低、分揀效率較高。但是如果水果形狀差異較大，分揀結果會存在很大偏差，影響分揀效果；由于水果在流水線上不斷運動、部分水果由于規格過大或不規則，一直不能進入篩孔，水果在運動過程中振動、碰撞、擠壓，容易造成水果機械損傷，影響水果外觀品質。目前滾筒式分揀設備主要應用于橘類水果的分揀。

圖1 滾筒式分揀設備

1.2 軋輥式

軋輥式分揀設備也是用于不同果徑水果分揀，這類設備是在一條輸送線上設置多個軋輥，軋輥從水果輸入端勻速向輸出端運動并自轉，軋輥間距在水果前進過程中逐漸增大，水果從小到大逐漸掉落至下方對應分揀軌道中，分揀軌道末端放置收納箱(圖2)。在分揀過程中，軋輥轉動對水果產生的摩擦，易造成水果表皮組織擠壓損傷；當水果掉落到分揀軌道時，水果會受到一定的沖擊損傷，影響水果品質。

圖2 軋輥式分揀設備

1.3 杠桿式

稱重式水果分揀裝置基于杠桿原理，早期設備在杠桿兩端分別設置托盤和平衡砝碼，托盤與杠桿鉸接，平衡砝碼底部支撐確保杠桿處于水平位置，若重量滿足條件，杠桿失去平衡發生傾斜，完成分揀卸料工序(圖3)。目前稱重分揀都采用傳感器采集水果重量信息，由控制系統發出控制指令，由執行機構分揀。分揀時發生傾斜，向輸送線的一側倒出托盤中的待分揀水果，水果瞬時下落有一定高度和瞬時速度，可能會對水果造成沖擊損傷，這種設備主要用于橙、柚子等外表不容易受到損傷的水果。

圖3 基于杠桿原理的稱重分揀設備

1.4 機械臂式

機械臂式分揀技術是結合視覺、控制、計算機、機械等學科的交叉技術，具有速度快、效率高、效果好等特點，此類技術已經廣泛應用于各個領域中[5]。機械臂末端執行機構配合視覺對水果實現定位，通過抓取或吸附動作對水果進行分揀作業(圖4)。末端執行機構可能會對水果造成摩擦損傷，外表皮破損，品質受到影響；如末端執行器夾取不穩，會造成果實掉落，發生沖擊損傷和振動損傷，這些損傷的水果若發生在分揀作業完成后，且沒有及時剔除，很容易引起水果質變[6-8]。

圖4 機械臂分揀水果

2 水果損傷研究

2.1 損傷分類及原因

水果果皮對內部果肉起保護作用，由外果皮、中果皮和內果皮組成，不同種類的水果果皮組織結構和厚度不同[9]。水果在分揀過程中受到的損傷主要是機械損傷，這類損傷分為靜載損傷、沖擊損傷、振動損傷等。靜載損傷是指水果處于相對靜止狀態時，受到上層重物壓力或相互擠壓而產生的傷害，損傷主要發生在水果相互接觸區域；沖擊損傷大多由于慣性作用，當作用在水果上的沖擊力超過自身承受載荷強度而產生沖擊損傷，在分揀過程中抓取和放置水果時常產生沖擊損傷；振動損傷是水果在輸送過程中長時間反復作用的循環振動而形成的損傷。

2.2 水果損傷研究現狀

水果鮮食口感細膩、營養豐富、汁水充足，是人們較為喜歡的食用方式，但水果鮮果表皮柔軟、易損傷，損傷后會影響品質，甚至導致腐爛，直接造成經濟損失。

載荷與損傷:Jarimopas等[10-11]對蘋果在運輸和裝卸過程中的損傷進行了研究，指出蘋果損傷來自外界沖擊、載荷以及外界振動，蘋果局部損傷部位與載荷呈現線性關系，載荷作用于不同位置蘋果損傷程度存在差異；Accan等[11]通過推算得到靜載荷作用下蘋果的力學模型，發現蘋果承受的載荷作用受到靜載荷作用時間和蘋果表面硬度的影響。在實際生產加工過程中，水果由于易損性、脆性強等問題，該方法僅適用于實驗室基礎研究，無法在生產加工實際中應用。

速度與損傷:很多學者通過沖擊和自由落體等試驗方法對水果損傷建立擬合模型和曲線。Wang等[12-13]對水果不同表面的損傷面積與速度、加速度曲線之間建立了模型，驗證了水果損傷程度取決于掉落高度。這些研究對單體試驗依賴性較大，很難實現較多數量的水果進行同時試驗。

沖擊與損傷:XU等[14-17]針對水果沖擊載荷損傷進行了研究，得到了果品多次沖擊損傷閾值，研究發現，沖擊載荷、沖擊次數對損傷影響較大，若增加撞擊次數可能會對水果造成更大的傷害，當沖擊次數較少時，水果損傷程度可能很小甚至不會發生損傷。

振動與損傷:李萍[18]建立了黃花梨振動損傷模型，對黃花梨品質和振動時間建立關系模型，同時得出了損傷評價計算公式。胡洋[19]對皇冠梨進行了隨機振動試驗，發現堆積存放的多層皇冠梨損傷隨著時間變化呈現增大趨勢。周然[20]通過研究發現黃花梨在運輸過程中易發生摩擦而產生機械損傷，通過紙袋包裝降低外力對黃花梨的作用，可降低損傷程度。

損傷與力學:劉琳等[21]針對貯藏期的寬皮柑橘的機械損傷力學特性進行了試驗研究，將貯藏過程分為2個階段，柑橘力學特性隨著時間延長，表皮硬度逐漸減小，彈性模量、破壞極限、總變形破壞能先增大后減小，在7 d時達到最大。該研究對柑橘進行了破壞性試驗，對加工水果的損傷研究僅具有參考意義。

碰撞與損傷:部分學者[22-24]針對庫爾勒香梨果肉組織特性、黏彈性和碰撞損傷進行了深入研究，通過對比不同包裝材料下香梨的沖擊性能損耗，發現不同包裝材料必須限制沖擊性能在某特定數值下，才能避免香梨發生碰撞損傷。該研究主要針對包裝、運輸和分級作業，由于香梨表皮脆嫩，對包裝材料要求較高，不適用于大多數水果。

3 小結

水果在分揀作業時果皮易造成機械損傷，會造成較大經濟損失。針對不同品種的水果分揀需要對其進行針對性的損傷分析，根據物理特性研究其損傷機理，優化分揀作業以適應生產加工實際需求。由于水果種類繁多、差異性較大，需要有針對性研究，根據水果自身所能承受的極限載荷，實時監測水果的載荷，降低水果分揀加工時的損傷率，減少損耗，提高經濟效益。