果蔬壓縮力學性質與細觀結構變位的動態(tài)響應

武新慧，郭玉明

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷　030801)

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果蔬壓縮力學性質與細觀結構變位的動態(tài)響應

武新慧，郭玉明

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷030801)

摘要：研究果蔬的壓縮力學性質可為果蔬加工、運輸、檢測包裝等生產環(huán)節(jié)提供設計參數(shù)及工藝優(yōu)化依據(jù)。為此，以幾種常見果蔬為研究對象，在INSTRON生物材料性能試驗機上搭載了電子顯微鏡圖像采集系統(tǒng)，在進行果蔬試樣壓縮力學性質試驗測試的同時，對壓縮變形過程進行了動態(tài)圖像采集與分析，獲得了果蔬的壓縮強度極限、彈性模量等力學性質指標。同時，結合電子顯微鏡采集到的壓縮過程果蔬細觀結構變形圖像，通過觀察壓縮過程果蔬細胞的變形、微結構變位及滲水等情況，分析了果蔬材料的屈服強度、壓縮強度及材料破壞與細觀結構變位的關聯(lián)，了解了果蔬壓縮力學性質與壓縮過程中細觀結構變位的動態(tài)響應。

關鍵詞：果蔬；細觀結構；壓縮力學性質；變形響應

0引言

研究果蔬的壓縮力學性質在果蔬加工、貯藏、運輸?shù)壬a環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)選擇和相關加工裝備設計，對產品質量提高和品質檢測等方面具有應用意義[1-2]。國內外學者對于果蔬壓縮力學性質的研究主要是通過果蔬壓縮試驗，測得其力-位移曲線[3]或者應力-應變曲線[4]，分析其曲線變化規(guī)律及受力變形特點，獲得彈性模量、屈服強度、抗壓強度等力學性能指標[5]。同時，也有關注果蔬的細觀結構[6]的研究，用顯微鏡[7]、掃描電鏡[8]等儀器設備獲得果蔬受力變形后的細觀組織圖像，結合試驗測得的力學性質和宏觀變形破壞現(xiàn)象，從微觀層面分析果蔬變形破壞機理。但是，這些研究只表達了果蔬受力變形最終狀態(tài)或中間某一時刻的細觀結構變位與力學特性相關關系，沒能連續(xù)地進行果蔬受力變形過程中微觀結構變位的動態(tài)響應分析。因此，本文在INSTRAN材料力學性能試驗機上搭載了動態(tài)顯微鏡觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對果蔬加載的同時采集了果蔬微觀結構變位的圖像信息，進行了蘋果、梨、馬鈴薯、白蘿卜、胡蘿卜、茄子的壓縮試驗，并分析了細觀結構變位的動態(tài)響應。

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的果蔬為試驗材料。水果包括蘋果、梨，均采自山西省農業(yè)科學院果樹所；蔬菜包括馬鈴薯、白蘿卜、胡蘿卜、茄子，均為市場采購，挑選新鮮成熟、無機械損傷、同一品種大小相近的樣本。將樣本分別用保鮮袋保存，儲藏于4℃冷藏柜中保鮮，備用。

1.2　儀器與設備

本試驗使用的主要儀器及設備有： 5544電子萬能材料試驗機(美國INSTRON公司)，最大載荷為2kN；CMM-15E透反射金相顯微鏡(上海光學儀器廠)，總放大倍數(shù)為40X-2000X，顯微圖像可由CCD實時記錄并通過計算機顯示屏觀察實時動態(tài)圖像，圖像分辨率為320×240，存儲速率為24幀/s；DHG-9023A型電熱鼓風干燥箱(無錫三鑫精工試驗設備有限公司)，溫度調節(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　試驗方法

1.3.1樣品制備

將試驗材料從冷藏柜中取出，待其恢復室溫后去皮洗凈，切成10mm×10mm×15mm的矩形試樣，每種試樣均切20個，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含水率測定

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

(1)

式中Mw—含水率；

mw—物料中所含水的質量；

ms—物料中所含干物質的質量。

1.3.3壓縮力學試驗

用電子萬能試驗機對每種試樣進行壓縮試驗，同時用電子顯微鏡觀察壓縮過程中試樣側表面細觀圖像變化情況。根據(jù)美國農業(yè)工程學會(ASAE)推薦標準，控制試驗室溫為20℃，相對濕度為(50±5)%，每種試樣測定20次[9]。電子萬能試驗機的壓縮速度控制為1mm/min，壓縮試驗前預加載速度為5mm/min，預加載載荷0.1N，設定荷載率達到40%時試驗自動停止。

2試驗結果及分析

2.1　果蔬壓縮力學性能

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性能值。表1中，含水率由式(1)計算得到，最大載荷Fmax、載荷最大時的位移L、楊氏彈性模量E均由INSTRON萬能試驗機自動計算生成。強度極限σ的計算公式為

(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-壓縮載荷曲線上沒有明顯的屈服點，通常認為當生物物料的微觀結構開始破壞時物料屈服。因此，當顯微圖像上看到細胞滲水時，認為細胞屈服。生物屈服強度σ′由式(3)計算得到。式中，屈服載荷F′為當電子顯微鏡觀察到果蔬試樣表面細胞出現(xiàn)滲水現(xiàn)象時所對應的壓縮載荷。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(見圖2)壓縮載荷急速下降，此時所對應的點為試件破裂點。由于茄子屬于海綿體生物材料，因此沒有破裂點，隨著壓縮位移的增加，壓縮載荷不斷增加。幾種不同果蔬的強度極限不同，梨的強度極限為0.40MPa，在幾種果蔬中最小。因此，在運輸加工時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試部位表現(xiàn)出的壓縮力學性質也有所不同：胡蘿卜芯部的強度極限達到了2.16MPa，而果肉部分僅為1.48MPa。幾種果蔬中胡蘿卜的強度極限最大，不容易受外力損傷，因此也更易保存。

表1　果蔬壓縮力學指標試驗值

2.2　果蔬壓縮細觀結構變位圖像

在用INSTRON電子萬能試驗機對試樣進行壓縮試驗的過程中，用電子顯微鏡觀察記錄試樣表面細觀結構變化情況。圖3～圖5分別為蘋果、馬鈴薯、茄子試樣不同壓縮階段的細觀結構變化圖。

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　蘋果試件細觀結構圖

圖4　馬鈴薯試件細觀結構圖

圖5　茄子試件細觀結構圖

圖3～圖5中：

(a)為果蔬試件側表面細觀結構圖。可以看到：沒有經過加載的蘋果、馬鈴薯試樣細胞結構完整、呈現(xiàn)出腔結構、細胞飽滿、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的細觀結構圖。此時，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：果蔬細胞變形、排列不規(guī)則、結構疏松、變形嚴重，但未見水分明顯滲出。

(c)為果蔬試件剛屈服時的細觀結構圖。此時，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。圖中細胞滲水，認為細胞結構已破壞，水分從細胞中擴散出來，已看不到明顯的細胞結構。

(d)為果蔬試件屈服后繼續(xù)加載的細觀結構圖。圖中已充滿水分，隨著電子萬能材料試驗機的繼續(xù)加載，細胞破壞嚴重，水分大量滲出，已完全看不到細胞結構，并且細胞中的一些大分子物質懸浮于滲出的水分中。

2.3果蔬壓縮力學性質與細觀結構變位動態(tài)響應

分析

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

3結論

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

2)采集了壓縮過程中果蔬的細觀圖像，通過觀察壓縮過程果蔬細胞的變形、微結構變位及滲水等情況，分析了果蔬材料的屈服強度、壓縮強度及材料破壞與細觀結構變位的關聯(lián)。

3) 分析了果蔬壓縮過程中細觀結構變位對壓縮特性的影響機理及果蔬的細觀損傷機理。

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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：S183；Q66

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0160-04

作者簡介：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，博士生導師，(E-mail) guoyuming99@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(30771242, 31171450)；山西省重點實驗室基金項目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-14