獼猴桃電商包裝隨機振動響應及果品損傷研究

孫一鳴，馬先潤，張立軍，吳子鳴，吳映桐，王立軍,2，宋海燕,2*

獼猴桃電商包裝隨機振動響應及果品損傷研究

孫一鳴1，馬先潤1，張立軍1，吳子鳴1，吳映桐1，王立軍1,2，宋海燕1,2*

（1.天津科技大學 輕工科學與工程學院，天津 300457； 2.中國輕工業食品包裝材料與技術重點實驗室，天津 300457）

研究獼猴桃在5種不同電商包裝形式內的振動響應和損傷情況，為獼猴桃電商包裝提供理論基礎和科學指導。以“紅陽”獼猴桃為研究對象，對目前市場常見的5種形式的獼猴桃電商包裝（EPE襯墊、EPS襯墊、PET帶蓋托盤、瓦楞隔板和EPE網套）分別進行掃頻振動和隨機振動試驗研究，獲得各包裝內獼猴桃的共振頻率、振動傳遞率、果品損傷面積、硬度、質量損失率、可溶性固形物含量等參數，分析包裝形式對獼猴桃果實振動響應和振后損傷的影響。PET帶蓋托盤和EPE網套包裝下獼猴桃的共振頻率較小，在20～30 Hz，處于公路運輸振動范圍內，易發生共振受損。瓦楞隔板包裝的獼猴桃共振頻率最大，在50～75 Hz內，受到的振動能量較低。5種包裝下獼猴桃的振動傳遞率從大到小為EPE網套、EPE襯墊、瓦楞隔板、EPS襯墊、PET帶蓋托盤，PET帶蓋托盤包裝的振動傳遞率最低，為1.68，隔振效果最好；EPE網套和EPE襯墊包裝的振動傳遞率較高，為3.16～3.72，隔振效果較差。振后24 h果實硬度下降了13.5%～48.7%、軟化率提高了9.0%～40.4%、質量損失率提高了6.7%～100.0%、可溶性固形物含量（SCC）提高了3.2%～15.0%、損傷面積為981～6 931 mm2。5種包裝中PET帶蓋托盤包裝對果實的保護效果最佳，瓦楞隔板和EPE網套包裝的保護效果較差。

獼猴桃；電商包裝形式；振動響應：振動損傷：生理特性

獼猴桃是一種口感酸甜、老少皆宜、深受消費者喜歡的水果，是人體維生素C、膳食纖維、鉀和維生素E的優質來源[1-2]。因為獼猴桃為呼吸躍變型果實，采摘后果實硬度下降迅速，在運輸過程中極易受到機械損傷，造成經濟損失[3]。所以研究獼猴桃在電商包裝中的振動響應和損傷狀況是非常有必要的。

當前，在果品電商包裝和機械損傷領域，已有較多研究。在探究不同包裝材料對水果機械損傷的影響方面，王妮睿等[4]通過比較PET聚對苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）襯墊、聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）襯墊和紙屑襯墊包裝的振動傳遞率及振動后果實受損程度，發現紙屑襯墊的緩振效果最好，并發現包裝緩沖結構是獼猴桃表面損傷指數和振動傳遞率最大的影響因子；夏銘等[5]通過隨機振動試驗，比較EPS襯墊、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）襯墊和自制的珍珠棉襯墊包裝的保護效果，發現減振包裝能顯著減少獼猴桃損傷和延緩果實衰老，并發現珍珠棉襯墊對減少獼猴桃果實損傷和延緩果實衰老的效果最優；薛潔等[6]采用單層珍珠棉襯墊、單層PVC蛋托和雙層珍珠棉襯墊分別包裝獼猴桃進行長距離運輸，分析運輸后的果實貨架品質，發現雙層珍珠棉襯墊包裝減振效果最優，可以有效延緩獼猴桃運輸后的品質劣變。目前大多研究所采用的包裝形式不夠具有代表性，研究結果缺乏指導意義，對各種包裝的振動特性和包裝內果實的振動響應缺少科學分析。

在研究振動加速度、振動頻率、振動時間等因素對果實運輸后貨架品質的影響方面，康維民等[7]研究了塑料包裝箱盛裝的梨的各方向振動加速度傳遞率，發現頂層塑料箱在左右、前后方向受到的加速度傳遞率遠大于上下方向的，并且在相同加速度條件下，振動頻率越小，梨越容易產生損傷；謝丹丹等[8]采用5、10和20 Hz這3種振動頻率模擬了不同運輸路況的振動強度，研究獼猴桃果實在振動過程中的生理和品質響應，發現5～10 Hz的振動頻率對獼猴桃貨架品質沒有顯著影響，但20 Hz振動頻率能加速獼猴桃貨架品質劣變。Lin等[9]通過對成熟桃果實的振動試驗發現，在振動后第1天，果實瘀傷面積、腐爛率和總酚含量之間存在顯著的線性相關性，并得出振動能夠立刻影響水果的總酚代謝。但目前在振動對果實品質影響的作用機理、果實生理特性的變化規律方面尚未進行深入的探究。

基于此，本研究通過充分的市場調研，選出5種市場常見的獼猴桃電商包裝形式：聚乙烯泡沫塑料（Expandable Polyethylene, EPE）襯墊、EPS襯墊、PET帶蓋托盤、瓦楞隔板、EPE網套。以“紅陽”獼猴桃為包裝對象，進行掃頻振動和隨機振動試驗，分析各種包裝內獼猴桃的振動特性及響應，探究不同包裝形式對果實生理特性的影響，以期為獼猴桃電商包裝提供科學的指導。

1 試驗

1.1 材料

主要材料：“紅陽”獼猴桃，質量為（120±5）g，購自成都市山依湖生態農業開發有限公司，挑選果形端正、大小均勻、無機械損傷的果實作為試驗樣品。

從電商平臺購入5種常用的獼猴桃禮盒包裝，如圖1所示，分別為EPE襯墊（P1）、EPS襯墊（P2）、PET帶蓋托盤（P3）、瓦楞隔板（P4）、EPE網套（P5）。

圖1 5組獼猴桃包裝形式

1.2 儀器與設備

主要測試設備：GY-4型水果硬度計，艾普計量儀器有限公司；手持折光儀，上海力辰邦西儀器科技有限公司；DC-600-6振動試驗臺，蘇州蘇試試驗儀器有限公司；電子分析天平，上海梅特勒托利多有限公司。

1.3 振動試驗方法

1.3.1 掃頻振動

1）根據ISTA 6-AMAZON.COM 2018試驗方法[10]，設置包裝件3種擺放方式（圖2）：正放（面3放在振動臺薄表面）、側放（面4放在振動臺薄表面）、豎放（面6放在振動臺薄表面）。加速度傳感器水平固定在包裝內部中間位置和邊角位置的果實上，按照3種擺放方式，分別對EPE襯墊（P1）包裝進行掃頻試驗，頻率范圍為3～100 Hz，加速度為0.5。

2）根據ASTM D4169-16試驗方法[11]對5種不同的電商包裝形式進行掃頻試驗，頻率范圍為3～100 Hz，加速度為0.5。加速度傳感器水平固定在包裝內部中間位置和邊角位置的果實上，測量果實收到的響應加速度值。

1.3.2 隨機振動

根據GB/T 4857.23—2021試驗方法[12]進行隨機振動試驗，譜型選取標準中的中國公路運輸道路譜，嚴酷等級Ⅱ，加速度為0.58，振動時間為180 min。模擬運輸距離為1 080 km，振動強度為一般水平，模擬中國公路電商運輸的常見情況，具有代表性。加速度傳感器水平固定在中間位置的獼猴桃果實上，測量獼猴桃在模擬運輸中的振動響應。

設置6個試驗組：對照組、EPE襯墊（P1）、EPS襯墊（P2）、PET帶蓋托盤（P3）、瓦楞隔板（P4）、EPE網套（P5）。對照組的獼猴桃在室溫環境下靜置，不進行振動試驗，其他包裝根據前述試驗方法，在室溫下進行3 h的隨機振動試驗，模擬電商包裝的實際運輸情況。振動后對各組獼猴桃果實進行機械損傷面積、質量損失率、硬度、可溶性固形物含量（SSC）等生理指標的測量。

1.4 水果生理指標測定

1.4.1 硬度及軟化率

在果實赤道處選取3個位置進行去皮測定[13]，使用GY-4型硬度計，探頭直徑為7.9 mm，測定深度為10 mm，硬度單位為kg/cm2。取3個位置的平均值作為一個試樣的硬度值，每次選取3個平行試樣進行測量。為直觀地表現獼猴桃果實硬度的變化情況，定義果實軟化率[14]為果實振動后降低的硬度與振動前硬度的比值。

1.4.2 質量損失率

使用電子分析天平測量3個平行試樣振動前后的質量[15]，定義質量損失率為振動后果實降低的質量與振動前質量的比值。

1.4.3 可溶性固形物含量

取果實混合汁液，滴在手持折光儀平板上，進行測定[16]，用百分比表示。為直觀地表現獼猴桃果實SSC的變化情況，定義果實的SSC變化率為果實振動后變化的SSC與振動前SSC的比值[17]。

1.4.4 機械損傷面積

隨機振動后獼猴桃在室溫下放置24 h，進行損傷面積的測量。損傷面積采用硫酸紙描繪方法[18]進行測量，如圖3所示。將透明硫酸紙覆蓋于損傷區域，用鉛筆在硫酸紙上繪制損傷輪廓。將繪制好輪廓的硫酸紙放在1 mm2的方格坐標紙上，通過損傷輪廓內的方格數量精確計算損傷面積，單位為mm2。

2 結果與討論

2.1 不同擺放方式對EPE襯墊（P1）包裝的獼猴桃振動響應的影響

對EPE襯墊中獼猴桃果實的掃頻振動響應測量結果如圖4所示。可以看出，3種擺放方式下獼猴桃共振頻率的振動傳遞率較為接近，在3.12～3.46，豎放時振動傳遞率最高，側放時振動傳遞率最低。不同擺放方式下獼猴桃的共振頻率明顯不同，豎放條件下獼猴桃的共振頻率最小，振動傳遞率最高時頻率為21.3 Hz，處于公路運輸振動頻率范圍內[19]，可能會出現共振，在相同振動等級下引起獼猴桃果實損傷較為嚴重。正放時獼猴桃的共振頻率最大，為36.7 Hz。造成此現象的原因是包裝擺放方式不同時，包裝內的獼猴桃受到振動激勵的方向不同，導致獼猴桃的共振頻率出現差異。因此，在獼猴桃電商物流運輸的過程中，應盡量保持包裝正放，避免包裝豎放或側放，以避免獼猴桃果實發生共振，減輕獼猴桃果實的振動損傷。

2.2 包裝形式對獼猴桃電商包裝振動傳遞率的影響

將獼猴桃受到的響應加速度與振動臺的激勵加速度的比值稱作振動傳遞率r，能更加直觀地反映緩沖包裝結構對內部獼猴桃的減振保護作用。各包裝的振動傳遞率如圖5所示。

式中：at為獼猴桃受到的響應加速度值（g）；a0為振動臺的激勵加速度值（g）。

注：P1為EPE襯墊，P2為EPS襯墊，P3為PET帶蓋托盤， P4為瓦楞隔板，P5為EPE網套。

由圖5可知，不同包裝形式下獼猴桃的共振頻率有顯著差異，各包裝各位置獼猴桃的共振頻率總體分布在22～73 Hz。其中PET帶蓋托盤（P3）和EPE網套（P5）包裝共振頻率偏小，在20～30 Hz內，處于公路運輸振動頻率范圍內，實際運輸過程中可能出現共振現象，應該對這2種包裝的結構進行優化設計，適當增大其共振頻率，能夠有效減少運輸振動中獼猴桃受到的共振損傷。EPE襯墊（P1）和EPS襯墊（P2）的共振頻率偏大，在35～60 Hz內；瓦楞隔板（P4）包裝的共振頻率最大，在50～75 Hz內。

除EPS襯墊（P2）外，各包裝邊角位置獼猴桃的共振頻率較中間位置的偏大。其中EPE襯墊（P1）和瓦楞隔板（P4）包裝的邊角位置與中間位置共振頻率相差較大，說明其包裝整體性較差，位置差異明顯，應優化改進設計，增加其包裝襯墊的整體性。

圖6 各電商包裝峰值振動傳遞率

共振頻率下各包裝形式獼猴桃的峰值振動傳遞率[20]如圖6所示。由圖6可知，5種包裝形式下獼猴桃的振動傳遞率差異顯著，按從大到小排列為EPE網套（P5）、EPE襯墊（P1）＞瓦楞隔板（P4）＞EPS襯墊（P2）＞PET帶蓋托盤（P3）。PET帶蓋托盤（P3）包裝的振動傳遞率最低，比其他包裝形式低28.4%到55.4%；EPE網套（P5）和EPE襯墊（P1）包裝的振動傳遞率較高，原因是EPE網套（P5）包裝不能抑制獼猴桃的跳動現象，EPE襯墊（P1）中獼猴桃底部沒有緩沖材料，容易受到沖擊。綜上可知，PET帶蓋托盤包裝緩振效果最好，EPS襯墊（P2）包裝次之，EPE網套（P5）包裝緩振效果最差。在包裝易損的水果時，應優先選擇PET帶蓋托盤（P3）和EPS襯墊（P2）包裝。

2.3 不同包裝形式對獼猴桃振后果實品質的影響

機械損傷面積可以直觀地表現獼猴桃在模擬運輸的過程中所受到的振動損傷，能直接影響獼猴桃的經濟價值[21]。從圖7a中可以看出，5種包裝的獼猴桃果實振動后24 h的損傷情況差異明顯，PET帶蓋托盤（P3）包裝的獼猴桃損傷面積最小，為981 mm2；瓦楞隔板（P4）和EPE網套（P5）包裝的獼猴桃損傷面積較大，分別為6 931 mm2和6 524 mm2，較PET帶蓋托盤（P3）包裝損傷面積增大了606.5%和565%。造成此現象的原因主要是PET帶蓋托盤（P3）包裝中獼猴桃果實在托盤中不直接與外盒產生作用力，并有上層蓋板固定，在振動中極少出現跳動和摩擦的情況，對果實機械損傷的保護效果最佳；瓦楞隔板（P4）和EPE網套（P5）包裝對獼猴桃果實的位置固定效果較差，果實在振動過程中極易發生跳動與摩擦，導致出現較多的擦傷和瘀傷，對果實的保護效果較差。該發現與Wang等[18]的研究結論相符，果實在包裝內的運動空間越大，振動過程中產生的損傷面積越大。在獼猴桃包裝設計中應盡量按照果實尺寸設計包裝襯墊，減小果實在包裝中的活動空間。

質量損失率是衡量獼猴桃果實經濟價值的直接指標[22]。從圖7b中可以看出，各包裝內的獼猴桃經過模擬運輸之后質量損失率較對照組的有顯著增加。振動后24 h，各包裝的質量損失率比對照組的增加了6.67%～100%；振動后168 h，各包裝的質量損失率比對照組的增加了7.18%～97.2%。5種包裝中，PET帶蓋托盤（P3）包裝對獼猴桃質量損失率的影響最小，振后96 h，質量損失率比對照組增加了13.0%；瓦楞隔板（P4）、EPE襯墊（P1）和EPE網套（P5）均對獼猴桃質量損失率的增加有顯著影響，振動后96 h，比對照組增加了96.7%～116.3%。說明振動能夠加速獼猴桃的呼吸代謝，促進獼猴桃果實內部水分的流失，并加速果實中淀粉和可滴定酸等營養物質的損耗，導致果實質量下降。結果與薛潔[23]的試驗結論相符合，果實受到振動脅迫時提高呼吸速率導致活性氧自由基增加，進而破壞了細胞膜的完整性。

果實硬度是決定水果口感和質地，以及檢測水果損傷程度的重要指標，主要受果膠和纖維素等物質的影響[24]。損傷面積與體積越大，硬度下降越多。分析圖7c、圖7d可以看出，5種包裝的獼猴桃振動后果實硬度均有不同程度下降。振后24 h，EPE網套（P5）包裝的獼猴桃軟化率相較于對照組增大了40.4%，PET帶蓋托盤（P3）相對增大了9.0%；振后96 h，EPE網套（P5）包裝的獼猴桃軟化率相對增大了37.2%，PET帶蓋托盤（P3）相對了增大10.3%。造成此現象的原因是劇烈振動導致了果肉細胞組織被破壞，同時加速了果膠類物質的水解和酶的催化作用，細胞壁水解酶使細胞壁的支撐力下降，果肉硬度也隨之下降，并加快了果實的軟化速度。這與謝丹丹等[8]提出的振動引起有關細胞壁酶活性的增加，導致細胞壁降解的理論相一致。

可溶性固形物就是果實體內水溶性的干物質，主要是糖、有機酸、單寧等，是檢測獼猴桃果實品質和貯藏效果的重要指標。振動對各包裝獼猴桃的可溶性固形物含量的影響如圖7e、圖7f所示，可以看出經過隨機振動，獼猴桃果實的SSC均有所上升。其中EPE網套（P5）和EPE襯墊（P1）包裝對SSC變化率的影響最為顯著，振后24 h，SSC變化率比對照組增大了15.0%和8.0%，PET帶蓋托盤（P3）包裝的影響最小，SSC變化率比對照組增大了3.2%；振后96 h，EPE網套（P5）包裝的SSC變化率比對照組的增大了19.7%，PET帶蓋托盤（P3）包裝的SSC變化率比對照組的增大了6.9%。說明振動過程加速了果實的后熟過程，加快了淀粉轉化成糖的生理過程，使得可溶性固形物含量上升。這與夏銘等[5]得出的試驗規律相符，保護效果好的包裝襯墊更有利于維持果實SSC的穩定性。

綜上可知，隨機振動對獼猴桃果實的機械損傷、質量損失率、硬度、SSC等生理特性均有顯著影響，加速了果實的后熟過程，促進了果實的呼吸代謝和腐爛變質。5種包裝對獼猴桃果實的保護效果差異明顯，PET帶蓋托盤（P3）包裝的綜合保護效果最佳，EPS襯墊（P2）次之，EPE網套（P5）包裝的保護效果最差。在進行獼猴桃電商包裝的選擇時，對于成熟度較低、不易受損傷的果實，可選用EPE襯墊（P1）或EPE網套（P5）包裝；對于成熟度較高、極易受損傷的果實，應盡量選用PET帶蓋托盤（P3）或EPS襯墊（P2）進行包裝。

圖7 振動后獼猴桃機械損傷及生理指標測量結果

根據試驗結果的分析，對5種包裝形式的緩沖結構設計提出優化改進建議：EPE襯墊（P1）的結構應盡量采用挖孔式設計，保證獼猴桃果實的底部有足夠的緩沖材料，同時應增大襯墊材料的空間利用率，避免材料的浪費；EPS襯墊（P2）存在材質過脆的問題，在振動過程中容易發生破裂、掉渣的情況，應適當增加襯墊結構強度，保證襯墊的緩沖性能；瓦楞隔板（P4）和EPE網套（P5）包裝對獼猴桃包裝的保護性能較差，不建議單獨使用此結構直接對獼猴桃果實進行包裝，可以采取兩者相結合的方式，使用瓦楞隔板固定果實位置的同時，使用EPE網套對果實進行保護，能夠起到較好的緩沖作用。

3 結語

1）5種包裝中，PET帶蓋托盤和EPE網套包裝的獼猴桃共振頻率偏小，處于公路運輸頻率范圍內，容易產生共振，應該對這2種包裝的結構進行優化設計，適當增大其共振頻率。

2）5種包裝的獼猴桃的振動傳遞率從大到小排列為EPE網套、EPE襯墊、瓦楞隔板、EPS襯墊、PET帶蓋托盤。PET帶蓋托盤包裝的振動傳遞率最低，對獼猴桃的緩振效果最好；EPE網套和EPE襯墊包裝的振動傳遞率較高，緩振效果較差。

3）振動導致獼猴桃硬度顯著下降、果實軟化加速、質量損失率和SSC升高、機械損傷面積增大等。不同包裝對獼猴桃的保護效果差異顯著，EPE帶蓋托盤包裝對獼猴桃果實的綜合保護效果最佳，瓦楞隔板和EPE網套對果實的保護效果較差，實際運輸中應盡量選用PET帶蓋托盤包裝。

本文可為獼猴桃電商包裝優化設計及獼猴桃振動損傷研究提供理論基礎和科學指導。

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Random Vibration Response and Damage of Kiwifruit E-commerce Packaging

SUN Yi-ming1, MA Xian-run1, ZHANG Li-jun1, WU Zi-ming1, WU Ying-tong1, WANG Li-jun1,2, SONG Hai-yan1,2*

(1. School of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China; 2. Key Laboratory of Food Packaging Materials and Technology of China Light Industry, Tianjin 300457, China)

The work aims to study the vibration response and damage of kiwifruit in five different packaging forms, so as to provide theoretical basis and scientific guidance for the e-commerce packaging of kiwifruit. "Hongyang" kiwifruit was taken as the research object, and the five forms of kiwifruit e-commerce packaging (EPE liner, EPS liner, PET capped tray, corrugated separator and EPE net) commonly used in the current market were studied by sweep frequency vibration and random vibration tests. The parameters such as resonance frequency, vibration transmission rate, damage area, hardness, weight loss rate and soluble solids content (SSC) were obtained, and the effects of packaging form on the vibration response and post-vibration damage of kiwifruit were analyzed. The results showed that the resonance frequency of kiwifruit in PET capped tray and EPE net was small, which was 20 ～ 30 Hz and within the vibration range of road transportation, such packaging was prone to resonance damage. The resonance frequency of kiwifruit packaged in corrugated separator was the largest, and the vibration energy was lower in the range of 50 ～ 75 Hz. The vibration transmission rate of kiwifruit under five kinds of packaging was: EPE net > EPE liner > corrugated separator > EPS liner > PET capped tray. The vibration transmission rate of PET capped tray packaging was the lowest, which was 1.68, and the vibration isolation effect was the best. The vibration transmission rate of EPE net and EPE liner packaging was higher, which was 3.16 ～ 3.72, and the vibration isolation effect was poor. Within 24 h after vibration, the fruit hardness decreased by 13.5% ～ 48.7%, softening rate increased by 9.0 ～ 40.4%, weight loss rate increased by 6.7% ～100.0%, SCC increased by 3.2%～15%, and damage area was 981 ～ 6 931 mm2. Among five kinds of packaging, the PET capped tray has the best protection effect on fruit, and corrugated separator and EPE net are poor in protection effect.

"Hongyang" kiwifruit; e-commerce packaging; vibration response; vibration damage; physiological characteristics

TS206.4

A

1001-3563(2023)19-0067-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.19.009

2023-03-23

國家自然科學基金（32202116）

責任編輯：曾鈺嬋