局部按壓對不同成熟度番茄機械損傷的影響

章永年，張任飛，孫 曄，鄭恩來，孫國祥，汪小旵

（南京農業大學工學院，南京 210031）

0 引 言

中國番茄年產量高于5 000萬t，是世界上加工番茄第三種植大國和番茄制品第一出口大國[1-2]。番茄在自動化采摘過程中容易受到機械損傷而變質，影響番茄品質及食用價值，同時不同市場對番茄損傷程度要求不同[3]，因此需要建立番茄機械損傷的評估分類模型[4]，并探究按壓壓強對番茄機械損傷的影響規律，以確定在不同損傷要求下采摘番茄時按壓壓強的范圍。

番茄的機械損傷有以下3種評估方法[5]：①力學性質分析評估法：Li等[6-7]建立了非線性多尺度有限元模型，模擬番茄在不同載荷條件下的內部機械損傷情況，之后提出了一種基于有限元分析，結果定量評估番茄果實機械損傷的方法，建立了番茄果實壓縮10%變形的三維模型。該評估方法存在一些問題如損傷程度較低時無法判斷[8]、模型中番茄組織的定義不完全符合其解剖學特征以及番茄力學參數的測量誤差很難避免等[9]。②感官品質評價更為直觀有效，盧琦等[10]以果肉顏色和果實橫切面形狀作為番茄感官品質的評價標準；楊生保等[11]以入口感官和手捏感官來評價番茄的品質；雷靜等[9,12-13]較為全面從外觀、氣味、風味、色澤和腐爛程度等多個方面對番茄品質進行綜合評價，這樣的評價方式更加科學。③微觀結構分析法：分析番茄的微觀組織結構，并以此判斷番茄的品質則更加準確，也可以檢測出更加微小的損傷。Li等[14]搭建了微壓縮測試儀，并通過P-CAM攝像機拍攝番茄細胞的高速微壓縮試驗并得到其松弛參數；楊生保等[11]通過掃描電鏡技術觀察番茄果肉組織結構與細胞排列情況來評價番茄的品質。

隨著評估番茄損傷的理論不斷成熟，一些研究者從抓取策略的角度研究如何減少番茄的整體損傷。劉繼展等[8]發現折斷方式更易于實現機器人采摘，并通過擠壓試驗證明了番茄果實的抗擠壓能力隨成熟度的增加而減少；Li等[15]發現彎曲手指比板狀手指更適合抓取番茄；周俊等[16-17]通過黏彈性模型描述番茄的變形特征，發現變減速的抓取控制方式對番茄造成的損傷最小；梁喜鳳等[18]提出采摘時夾持果實串的果梗，能夠減少采摘過程中果實的損傷，但這種方法仍存在采摘點位置難以確定、采摘點位置信息的提取不夠精確等問題。番茄具有果梗離層處易折斷的特性，使用多指機械手采摘更為合適[14,19]。Yaguchi等[20-23]對多指機械手展開研究，分別介紹了其設計思路和優化策略，但其中對果實機械損傷的研究不夠深入。多指采摘機械手在抓取番茄時會造成番茄的局部損傷，對整體損傷的評估并不適用于這種情況。綜上所述，目前番茄機械損傷的評估還存在以下2個問題：①番茄局部機械損傷的研究較少，且番茄整體損傷評估方法不適用于評估多指機械手采摘時造成的局部機械損傷；②番茄機械損傷的評估沒有劃分損傷等級，而不同市場對番茄損傷程度的要求不同。所以本文對不同成熟度番茄的機械損傷分級，并建立番茄局部損傷評估分類模型，以解決在不同損傷要求下采摘番茄時按壓壓強的范圍無法確定的問題。

本文以4個損傷等級（LV）和損傷顯象天數（T）作為評價標準，研究局部按壓壓強對不同成熟度番茄機械損傷的影響規律，旨在建立番茄局部機械損傷評估分類模型，確定在不同損傷要求下采摘番茄時按壓壓強的范圍與損傷顯象天數，以滿足不同市場對番茄損傷程度的要求，為番茄多指采摘機械手的設計與開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用番茄為2020年11月采自南京市江寧區大生農業基地的蘇紅50。番茄橫徑范圍75～85 mm，高度范圍57～73 mm。番茄成熟度參考黃玉萍等番茄成熟度分級標準[24-25]：綠熟期（MG），全果深綠；白熟期（BR），外觀綠色漸消失，果頂出現淺紅色小于 10%；轉色期（TU），果實淡紅色，顯色60%～90%；粉紅期（PNK），果實為紅色，顯色近100%；紅熟期（RED），果實深紅色，果實略發軟。圖1為蘇紅50的4個成熟度：綠熟期、白熟期、轉色期、粉紅期。

參考周亦斌等[26-27]的研究結果：番茄的堅實度、變形率等力學性質與成熟度有關，且對白熟期、轉色期、粉紅期 3個時期的番茄進行研究會更有意義。因為綠熟期的番茄雖已達商業成熟，但此時的色澤和口感欠佳，而紅熟期的番茄已經開始變軟，不易運輸，所以對于番茄的采摘工作大多在番茄的白熟期、轉色期、粉紅期 3個時期。因此本次試驗選取這3個時期的番茄各130個作為研究對象。

1.2 儀器與設備

按壓試驗所用儀器為艾普計量儀器有限公司的GY-4水果硬度計如圖2a所示。觀察番茄細胞情況所用設備為日立有限公司的掃描電鏡Hitachi SU-8010如圖2c所示。抓取試驗所用設備為大寰機器人科技有限公司的DH-3關節型三指電爪如圖2d所示。

1.3 試驗方法

1.3.1 按壓試驗

很多學者研究了番茄赤道面附近受到按壓時的損傷情況，而在三指機械手進行采摘時，往往會按壓番茄的頂端[28]，所以選取番茄頂端進行按壓試驗，通過掃描電鏡觀察發現施加在番茄上的壓強相差10 kPa以內時，對番茄產生的影響較小，所以選取的按壓壓強（P）時以10 kPa為間隔，范圍為50～340 kPa。

選取同一成熟度的番茄10個，在每個番茄頂端取3個受力點，其兩兩相隔120°，如圖2b所示，受力點選在番茄頂端表面凸起的部分，并避開番茄腔壁的正上方。以上述壓強依次對10個番茄的30個受力點進行單次按壓，人工采摘番茄的平均速度為20個/min，故設置單次按壓時間為3 s，每次按壓結束后依次做好標號，更換番茄組別，重復上述步驟；最后每組選取10個番茄進行10次破壞性試驗，記錄下各成熟度番茄被壓破瞬間的壓強大小。每個成熟度各選10個番茄作為對照組，將所有番茄在常溫常壓下（20 ℃）放置30 d[5,29-31]，每天對番茄進行觀察，將第一次觀察到番茄損傷的天數記作顯象天數（T），并記下每個番茄的顯象天數。

1.3.2 掃描電鏡試驗

番茄受損組織樣品經階梯脫水后在臨界點干燥儀（Hitachi ES-2030，日立有限公司）中進行干燥處理，將制備好的樣品粘在導電膠上，放入離子濺射儀（Hitachi E-1010，日立有限公司）中進行鍍膜，濺射金屬厚度 20 nm，然后將其粘貼在掃描電鏡樣品臺上，在5.0 kV加速電壓下進行觀察，拍照。

1.3.3 抓取試驗

每個成熟度挑選100個番茄。并將其分成4組，每組25個，以表1中番茄各損傷等級的壓強分布區間為標準，分別在每個區間隨機選擇按壓壓強，通過DH-3關節型三指電爪對番茄進行夾持試驗，夾持力由指面面積與所選壓強相乘得到，手爪夾持方式與夾持位置如圖3所示，將試驗番茄在常溫常壓下放置30 d（20 ℃）統計試驗中損傷等級與模型相符的番茄個數，計算相符番茄所占比率（相符番茄個數/25），得到試驗結果與番茄局部機械損傷評估分類模型的吻合度。

1.4 番茄機械損傷評價指標

觀察按壓試驗中番茄的損傷現象，結合掃描電鏡圖像分析機械損傷成因，按嚴重程度對番茄機械損傷進行分級，其損傷等級如圖4所示。

1.4.1 番茄損傷等級(LV)

按壓試驗中的番茄在放置過程中出現了 4種狀態：發生腐爛，表皮褶皺（內部組織發生變化，質地變軟、變色等），有壓痕，無壓痕，如圖4所示。

參照Li等[13]對番茄品質的評價方法，按番茄受損嚴重程度從高到低對 4種狀態進行分級，將發生腐爛定義為一級損傷，發生腐爛的番茄已經不再具有食用價值；將表皮褶皺定義為二級損傷，番茄仍具有食用價值，可用于生產濃縮番茄醬[32-33]；將只是有壓痕的番茄定義為三級損傷，因為壓痕只影響到了番茄的外觀，其營養價值并未受到影響；將無壓痕定義為四級損傷，其與正常番茄基本沒有差異。番茄各級損傷的損傷原因、損傷情況和損傷影響如表1所示。

表1 番茄的各等級損傷信息Table 1 Tomato damage information of each level

番茄被壓破前會經歷非破壞性彈性變形、生物屈服變形、細胞破裂變形3個階段[1]，番茄細胞的微觀結構如圖5所示。番茄受力過載后，其表皮破裂，細胞受到菌絲入侵，如圖5a、5b所示，對應發生腐爛的現象；細胞破裂變形階段發生在表皮破裂前，此時細胞發生破裂，如圖5c所示，對應表皮褶皺的現象；生物屈服變形階段產生了永久性組織損傷，細胞皺縮，不可恢復，如圖5d所示，對應有壓痕的現象；非破壞性彈性變形階段產生的損傷可恢復，細胞被壓縮后，可以基本恢復至與健康細胞相同的狀態，如圖5e、5f所示，對應無壓痕的現象。

1.4.2 損傷顯象天數(T)

對于番茄而言，能夠完好存放的天數直接決定了番茄的商業價值[14]，將損傷顯象天數作為番茄機械損傷的衡量標準，更加準確有效[5]。將番茄發生腐爛的天數記作腐爛天數（TD），表皮出現褶皺的天數記作褶皺天數（TR）。

2 結果與分析

通過對試驗結果的分析，得到對照組番茄褶皺天數隨成熟度的變化規律、按壓壓強對試驗組番茄腐爛天數和褶皺天數的影響規律以及番茄各損傷等級的壓強分布，如圖6所示。

2.1 對照組番茄的顯象天數分析

未受力的蘇紅 50番茄在 20 ℃環境下儲藏時，會出現表皮褶皺的現象，各成熟度番茄的褶皺天數（TR）如圖6a所示。以每組數據的中位數代表本成熟度的TR，其按成熟度由低到高依次是：21、14、13 d。對照組番茄出現表皮褶皺為放置過程中的自然損傷[34]，并非本文探究的機械損傷，之后以此數據作為對照，劃分二級和三級損傷。可以看出：表皮褶皺天數隨著成熟度的升高而降低。

2.2 按壓壓強對番茄各損傷等級的影響

各成熟度番茄在按壓試驗中部分壓強（P）對應的顯象天數（T）和損傷等級（LV）如表2所示。

表2 部分按壓壓強下的顯象天數與損傷等級Table 2 T and LV under partial compression pressure

2.2.1 一級損傷

在一級損傷中，各成熟度番茄所受壓強（P）如圖6b所示，其最小值、集中區間、中位數按成熟度由低到高依次是 351、360～370、366 kPa；340、350～370、355 kPa；328、330～345、337 kPa，以中位數作為代表壓強。

腐爛天數（TD）的范圍為：3～7 d，其與所受壓強（P）沒有明顯關系，如圖6b所示。因為番茄破損后容易被空氣中的真菌或細菌感染而腐爛[23]，如圖5b所示，受外力因素的影響相對較小。番茄集中發生腐爛的天數按成熟度由低到高依次是：5，4，3 d。

由此可以得出：在一級損傷中，按壓壓強和腐爛天數之間相關性不大，腐爛天數隨番茄成熟度升高而減小。

2.2.2 二級損傷

記錄各成熟度番茄的褶皺天數（TR），其中小于對照組褶皺天數的為二級損傷。

在二級損傷中，各成熟度番茄的按壓壓強（P）如圖6c所示，其中位數按成熟度由低到高依次是 265，245，225 kPa，以中位數作為代表壓強[35]。

褶皺天數（TR）的范圍為：7～17 d，并通過MATLAB計算TR和P相關系數，得到白熟期的相關系數為?0.240 2，轉色期的相關系數為?0.698 1，粉紅期的相關系數為?0.430 6，然后通過MATLAB擬合其變化趨勢線，如圖5c所示，3組番茄都呈現出了TR隨P增大而減小的趨勢。番茄集中發生褶皺的天數按成熟度由低到高依次是：15，12，10 d。

由此可以得出：在二級損傷中，褶皺天數隨番茄成熟度和按壓壓強升高而減小，與按壓壓強的相關性在轉色期中最強。

2.2.3 三級和四級損傷

在圖6c中高于虛線的點為試驗組中褶皺天數高于對照組褶皺天數的番茄，認為其褶皺不是由按壓引起的，并將其歸入三級或四級損傷，其中有壓痕的為三級損傷，無壓痕的為四級損傷。

如圖6d所示，在三級損傷中，按壓壓強區間和中位數按成熟度由低到高依次是：140～180、165；90～140、115；80～100、90 kPa，以中位數作為代表壓強；在四級損傷中，按壓壓強區間按成熟度由低到高依次是：＜140，＜90，＜80 kPa。

2.2.4 番茄局部機械損傷評估分類模型構建

通過綜合上述數據，可以得到不同成熟度番茄在各損傷等級（LV）中按壓壓強（P）的分布，如圖6d所示。各成熟度番茄的壓強區間按損傷等級四級至一級為：白熟期：50～140，＞140～180，＞180～350，＞350～410 kPa；轉色期：50～90，＞90～140，＞140～340，＞340～370 kPa；粉紅期：50～80，＞80～100，＞100～320，＞320～350 kPa；以中位數作為代表壓強，一級損傷代表壓強按成熟度由低到高依次為：366、355、337 kPa，比二級損傷代表壓強265，245，225 kPa均提高了30%左右；出現三級損傷的代表壓強按成熟度由低到高依次為：165，115，90 kPa。

由此可以得出：各成熟度番茄的損傷程度隨按壓壓強（P）升高而增大，P與LV呈現出較強的對應性，證明了損傷分級的合理性。結合不同成熟度番茄在各損傷等級中按壓壓強的分布以及按壓壓強對番茄損傷的影響規律，構建番茄局部機械損傷評估分類模型，用以評估受到按壓后番茄的損傷等級，為番茄多指采摘機械手的設計與開發提供參考。

2.3 抓取試驗損傷分析

在抓取試驗中，結果與評估分類模型相符的番茄個數與吻合度如表3所示。在抓取試驗中，平均吻合度按成熟度由低到高依次是：96%，95%，95%，各損傷等級的吻合度均不小于 95%，試驗結果與評估分類模型吻合度較高，驗證了損傷評估分類模型的正確性。

表3 各成熟度番茄機械損傷評估分類模型吻合度Table 3 The coincidence degree between the test results and the damage assessment and classification model for each maturity tomato

3 結 論

不同市場對番茄損傷程度的要求不同，零售番茄要求最高，加工濃縮番茄醬要求較低。本文研究了市場占有量較大的蘇紅 50，對不同成熟度番茄損傷分級，并建立的番茄局部損傷評估分類模型，以確定在不同損傷要求下采摘番茄時按壓壓強的范圍與損傷顯象天數，為番茄多指采摘機械手的設計與開發提供參考。本文試驗方法為其他番茄品種的損傷研究提供參考。

1）各成熟度（白熟期、轉色期、粉紅期）番茄的損傷程度隨按壓壓強升高而增大，隨成熟度的升高而減小：一級損傷壓強區間按成熟度由低到高依次為：＞350～410、＞340～370、＞320～350 kPa；二級損傷壓強區間按成熟度由低到高依次為：＞180～350，＞140～340，＞100～320 kPa；三級損傷的壓強區間按成熟度由低到高依次為：＞140～180，＞90～140，＞80～100 kPa。

2）各成熟度番茄的顯象天數隨成熟度升高而減小：腐爛天數范圍為3～7 d，相較于褶皺天數范圍7～17 d提前了 50%左右。腐爛天數與按壓壓強相關性很小，褶皺天數隨按壓壓強升高而減小。

3）在抓取試驗中，結果與評估分類模型的平均吻合度按成熟度由低到高依次是：96%，95%，95%，各等級吻合度均不小于 95%，試驗結果與評估分類模型吻合度較高，驗證了損傷評估分類模型的正確性。