溫度對胡蘿卜拉伸彈性模量的影響

楊 佳

（天津商業大學 機械工程學院，天津 300134）

胡蘿卜因含有豐富的營養價值而被越來越多的人所喜愛。果蔬受貯藏時間和環境溫度的影響，其品質和質地會發生變化[1-2]。傳統的低溫（4 ℃左右）儲運有利于保持胡蘿卜的品質，而較高溫度（20 ℃左右）的短期儲運不僅能保證新鮮胡蘿卜的安全性和品質，還能提高胡蘿卜的抗氧化活性和營養價值[3]。彈性模量是評價果蔬力學性能的重要指標，研究溫度對彈性模量的影響，以及如何實現果蔬力學性質的快速測量，能為果蔬存儲運輸以及生物力學性質研究等方面提供重要的技術支持[3-5]。

目前測量果蔬的彈性模量主要是接觸式測量。吳亞麗等[6]用壓痕法測定果蔬的彈性模量，建立了彈性模量與壓痕變形的數學模型。BAJEMA 等通過自制的壓力錘進行馬鈴薯靜態壓縮實驗，得到了溫度與馬鈴薯力學性能的關系[7-10]。由于果蔬材質的特殊性，使用接觸式測量會嚴重影響果蔬的力學性能，因此用非接觸式技術來測量果蔬的彈性模量是非常有必要的。

數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）方法是一種非接觸式的光測力學變形測量方法，相較于傳統測量方法，它具有適用范圍廣、環境適應性強、實驗過程簡單和測量精度高等優點。目前基于數字圖像相關方法，有關溫度對果蔬彈性模量影響的研究鮮有報道。本研究基于數字圖像相關方法測試胡蘿卜的彈性模量，探究了在胡蘿卜存儲環境溫度出現變化時，溫度對其彈性模量的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

外觀完好的新鮮胡蘿卜（購于天津物美超市），采購后立即運回實驗室。用清水洗凈后，用Leica 生物組織切片機將胡蘿卜樣本切成厚度為1 mm 的切片，再由啞鈴型刀具沖壓成啞鈴試樣，試樣中間寬度為4 mm，長度為50 mm，狹窄段平行長度為20 mm。胡蘿卜為各向異性材料，切取胡蘿卜時應為同一方向的取樣，其他方向切取的胡蘿卜試樣的彈性模量測試方法與本方法相同。胡蘿卜試樣如圖1 所示。在新鮮的啞鈴胡蘿卜試樣表面做黑、白兩種顏色的散斑標記。在進行彈性模量測試試驗前，分別對噴斑和未噴斑的胡蘿卜啞鈴試樣做拉伸試驗，得出的載荷-位移曲線幾乎沒有差別，驗證了噴斑對胡蘿卜本身的力學性能影響很小，可忽略不計。

圖1 試樣形狀與尺寸

1.2 儀器與設備

實驗系統如圖2 所示，英國Linkam TST350 拉伸系統，包括冷熱臺、溫度控制器、冷卻系統和溫度控制軟件。冷熱臺為氣密樣品腔室，內有溫度傳感器、力傳感器和拉伸裝置等。升溫過程為加熱帶有電阻絲的銀臺，通過熱傳導升溫。降溫過程是在氣密腔室先排出空氣，后通入液氮降溫。圖像采集系統，包括CCD（Charge Coupled Device）相機、1 ∶1的施耐德雙遠心鏡頭和環形光源等。

圖2 數字圖像相關實驗系統

1.3 試驗方法

將噴斑后的胡蘿卜啞鈴試樣裝到冷熱臺上，并用夾具固定。檢查密封條安裝無誤后蓋上腔蓋，形成密閉腔室。調節CCD 相機、遠心鏡頭和冷熱臺三者的相對位置，調節光源，使CCD 相機通過遠心鏡頭后能采集到清晰的胡蘿卜拉伸圖像，圖像幀頻為1 幀/s。在開始拉伸前對胡蘿卜試樣施加一定的預緊力，設置拉伸速率為10 mm/min，拉伸臺采集載荷位移信息為每秒采集一次。同時觸發拉伸和圖像采集按鈕，保證采集到的圖片與拉伸載荷位移參數一一對應。實驗結束后，打開冷熱臺腔蓋，觀察胡蘿卜試樣的斷裂位置，在試樣平行段斷裂試驗有效。

利用美國CSI 公司的Vic-2D 軟件將采集到的胡蘿卜拉伸圖像做DIC 計算。選定分析區域，設置子區的大小為41 像素×41 像素，步長為1，對每一張圖片作相關分析計算。在計算后的參考圖像上選擇相等的6 條虛擬引伸計作為標距。每條引伸計的間隔相同，得到該圖片的平均線應變ε。用拉伸系統測得此時的力值F，胡蘿卜啞鈴試樣橫截面積S為4 mm2，可計算出試樣的應力σ，以線應變ε為橫坐標，應力σ為縱坐標，繪制σ-ε曲線，通過對曲線彈性段進行線性擬合后的斜率即為彈性模量E。

為探究存儲環境出現波動時，溫度對胡蘿卜彈性模量的影響。試驗設計了升溫范圍為0 ～30 ℃，降溫范圍為0 ～-25 ℃，每間隔5 ℃保持10 min 后開始拉伸并采集圖像，每個溫度下重復測5 組試驗得到彈性模量，最終取其平均值為胡蘿卜在該溫度下的E。

2 結果與分析

在冷熱臺氣密腔內，改變胡蘿卜啞鈴試樣所處的環境溫度，溫度穩定并保持10 min 后采集胡蘿卜拉伸過程中的圖像，利用采集到的圖像在Vic-2D 軟件中進行DIC 計算分析，最終得到不同環境溫度下胡蘿卜的彈性模量E。分別繪制胡蘿卜彈性模量E隨溫度T的變化曲線，能更加直觀地觀察二者的關系，如圖2 所示。

由圖3 可知，當存儲環境溫度出現波動時，胡蘿卜的彈性模量也在發生變化。如圖3（a）所示，升溫至20 ℃過程中，胡蘿卜的彈性模量E隨著溫度T的升高而增大，但從20 ℃升溫至25 ℃過程中，胡蘿卜的彈性模量E突然減小，當溫度T繼續升高到30 ℃的過程中，其彈性模量E又出現微幅上升，胡蘿卜在25 ℃時彈性模量E出現拐點。如圖3（b）所示，降溫至-10 ℃過程中，胡蘿卜的彈性模量E隨著溫度T的降低而緩慢增大，當溫度降為-20 ℃時胡蘿卜彈性模量達到最大值，此時，胡蘿卜已失去品質保證，溫度由-20 ℃降為-25 ℃過程中，彈性模量又急劇減小。

圖3 溫度變化過程胡蘿卜彈性模量E 和溫度T 的關系

3 結論

本文以胡蘿卜為研究對象，基于數字圖像相關技術，提出了測試胡蘿卜啞鈴試樣拉伸彈性模量的方法，探究了在存儲環境溫度出現波動時，溫度對胡蘿卜拉伸彈性模量的影響，研究了胡蘿卜彈性模量E隨溫度T變化的關系。本研究測試方法也可探究其他果蔬在存儲環境出現溫度變化時對其力學性能的影響。