鮮棗輕微損傷力學(xué)特性的研究

劉蔣龍，張淑娟，申海霞，李軍宇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西晉中　030801）

鮮棗輕微損傷力學(xué)特性的研究

劉蔣龍，*張淑娟，申海霞，李軍宇

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西晉中030801）

為了探明輕微損傷對(duì)鮮棗力學(xué)特性的影響，以太谷壺瓶棗、梨棗、郎棗為研究對(duì)象，使用Instron萬(wàn)能材料物理試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鮮棗輕微損傷試驗(yàn)樣本制作，對(duì)樣本從損傷制作到變質(zhì)這一時(shí)間段的果皮強(qiáng)度、果皮破裂深度、果皮脆度、果皮韌性、果肉最大硬度、果肉平均硬度和果肉勻質(zhì)指數(shù)進(jìn)行了測(cè)定。通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的比較分析，發(fā)現(xiàn)輕微損傷對(duì)果皮脆度的影響最為明顯，并探明了鮮棗從開(kāi)始輕微損傷到變質(zhì)階段的力學(xué)特性及其變化規(guī)律，為鮮棗加工和運(yùn)輸相關(guān)研究提供了依據(jù)。

鮮棗；力學(xué)特性；輕微損傷；穿刺

紅棗，因富含氮、磷、鉀、鈣、鎂、蛋氨酸、亮氨酸、有機(jī)酸、多糖、黃酮、腺苷、VA和VC等各種人體所必需的營(yíng)養(yǎng)元素及化合物而廣受人們的喜愛(ài)［1-2］。然而，由于收獲、裝卸及運(yùn)輸過(guò)程中的擠壓、碰撞，難免會(huì)對(duì)其造成機(jī)械損傷。損傷處表皮未破損，但有輕微凹陷，色稍變暗，肉眼難于覺(jué)察，這種無(wú)汁液外溢的現(xiàn)象屬于輕微損傷［3］。由于損傷部位的組織受到破壞，損傷紅棗會(huì)在短期內(nèi)迅速變質(zhì)，并對(duì)周?chē)徑t棗造成影響，嚴(yán)重影響紅棗的貯藏時(shí)間及其品質(zhì)［4-5］。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從果蔬收獲、運(yùn)輸及加工過(guò)程中的碰撞、靜載與振動(dòng)的機(jī)械損傷方面對(duì)楊梅、蘋(píng)果、馬鈴薯、荔枝、香梨、番茄和大豆等果蔬的力學(xué)特性進(jìn)行了研究［6-17］，對(duì)紅棗輕微損傷力學(xué)特性的研究未見(jiàn)報(bào)道。

本文以太谷梨棗、壺瓶棗、郎棗為研究對(duì)象，使用Instron萬(wàn)能材料物理試驗(yàn)機(jī)制作鮮棗輕微損傷樣本，使用TA.XT plus型質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試了輕微損傷鮮棗從損傷制作到變質(zhì)階段的力學(xué)指標(biāo)，包括果皮強(qiáng)度、果皮破裂深度、果皮脆度、果皮韌性、果肉最大硬度、果肉平均硬度和果肉勻質(zhì)指數(shù)。通過(guò)對(duì)這些指標(biāo)的比較分析，尋求鮮棗輕微損傷的最優(yōu)評(píng)價(jià)參數(shù)，探明了鮮棗從開(kāi)始輕微損傷到變質(zhì)階段的力學(xué)特性及其變化規(guī)律。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

2015年9月下旬，在山西省太谷縣東莊、里美莊、北張村棗園分別采摘了試驗(yàn)用梨棗、壺瓶棗、郎棗。樣本采摘時(shí)全部完好無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)裂紋，并在4℃的條件下貯藏于冰箱中。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1損傷試驗(yàn)

使用Instron 5544型萬(wàn)能材料物理試驗(yàn)機(jī)先對(duì)梨棗、壺瓶棗、郎棗樣本進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速度10 mm/min，探頭直徑5 mm。發(fā)現(xiàn)鮮棗樣本的壓縮位移達(dá)到1.7～2.0 mm時(shí)，果皮發(fā)生破裂，汁液流出。本試驗(yàn)研究的是輕微損傷，即果品堅(jiān)實(shí)、平整，所形成的變形在載荷卸載后能基本恢復(fù)，故最終確定制作輕微損傷鮮棗樣本的壓縮位移為1.5 mm［4］。

1.2.2穿刺試驗(yàn)

使用Texture Exponent 32型質(zhì)構(gòu)儀對(duì)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。以鮮棗樣本從輕微損傷制作到變質(zhì)為研究階段，試驗(yàn)周期分為3個(gè)時(shí)間段，間隔24 h。每個(gè)品種設(shè)有損傷組與未損傷對(duì)照組，即全部試驗(yàn)樣本分為6個(gè)小組。梨棗、壺瓶棗、郎棗每個(gè)小組的樣本數(shù)量分別為18，20，20。損傷組樣本穿刺損傷點(diǎn)與周?chē)?0 mm之內(nèi)4個(gè)點(diǎn)，未損傷組樣本穿刺10 mm范圍內(nèi)5個(gè)點(diǎn)。

穿刺得到的力學(xué)性能指標(biāo)分屬于果皮與果肉兩類(lèi)。果皮指標(biāo)包括強(qiáng)度、破裂深度、脆度、韌性；果肉指標(biāo)包括最大硬度、平均硬度、勻質(zhì)指數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

將壺瓶棗、梨棗、郎棗損傷組樣本損傷點(diǎn)、未損傷組樣本第1點(diǎn)的穿刺試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

輕微損傷鮮棗的果皮指標(biāo)見(jiàn)表1，輕微損傷鮮棗的果肉指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1　輕微損傷鮮棗的果皮指標(biāo)

2.2指標(biāo)對(duì)照

輕微損傷鮮棗與正常鮮棗樣本的果皮指標(biāo)差值比較見(jiàn)圖1。

表2　輕微損傷鮮棗的果肉指標(biāo)

圖1　輕微損傷鮮棗與正常鮮棗樣本的果皮指標(biāo)差值比較

將鮮棗損傷組與未損傷組樣本的果皮指標(biāo)作差值比較，發(fā)現(xiàn)果皮強(qiáng)度與果皮脆度的差值均分布在X軸的上方，表明在果皮類(lèi)指標(biāo)中，輕微損傷對(duì)樣本的果皮強(qiáng)度與果皮脆度造成了明顯的差別，而對(duì)果皮破裂深度與果皮韌性的影響則相對(duì)較小。圖1 （a）、（c）中，壺瓶棗未損傷樣本與損傷樣本的果皮強(qiáng)度、果皮脆度差值越來(lái)越大，說(shuō)明隨著輕微損傷后時(shí)間的延長(zhǎng)，損傷組樣本的變質(zhì)程度越來(lái)越嚴(yán)重，而未損傷樣本的果皮品質(zhì)變化不明顯；梨棗和郎棗未損傷樣本與損傷樣本的果皮強(qiáng)度、果皮脆度差值先增大后減小，說(shuō)明隨著輕微損傷后時(shí)間的延長(zhǎng)，損傷組樣本的變質(zhì)程度逐漸嚴(yán)重，而未損傷樣本隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，水果品質(zhì)逐漸下降，果皮強(qiáng)度、果皮脆度也開(kāi)始減小。

輕微損傷鮮棗與正常鮮棗樣本的果肉指標(biāo)差值比較見(jiàn)圖2。

圖2　輕微損傷鮮棗與正常鮮棗樣本的果肉指標(biāo)差值比較

由圖2可知，果肉類(lèi)指標(biāo)中，只有勻質(zhì)指數(shù)的差值分布在X軸的上方，表明輕微損傷對(duì)鮮棗樣本的勻質(zhì)指數(shù)造成了明顯的差別，而對(duì)果肉最大硬度與果肉平均硬度的影響相對(duì)較小。圖2（c）中，壺瓶棗未損傷組與損傷組樣本的勻質(zhì)指數(shù)差值越來(lái)越大，說(shuō)明隨著輕微損傷的影響，損傷組樣本的變質(zhì)程度越來(lái)越嚴(yán)重，而未損傷樣本的果肉品質(zhì)變化不明顯。梨棗和郎棗未損傷組與損傷組樣本的勻質(zhì)指數(shù)差值逐漸減小，說(shuō)明隨著輕微損傷后時(shí)間的延長(zhǎng)，損傷組樣本的變質(zhì)程度逐漸嚴(yán)重，而未損傷樣本隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，水果品質(zhì)逐漸下降，果肉勻質(zhì)指數(shù)也開(kāi)始減小。

由上可得，輕微損傷對(duì)鮮棗樣本果皮脆度的影響最為明顯，可嘗試使用其進(jìn)行鮮棗樣本輕微損傷的描述。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)輕微損傷鮮棗的穿刺試驗(yàn)與結(jié)果分析，探明了鮮棗從開(kāi)始輕微損傷到變質(zhì)階段的力學(xué)特性及其變化規(guī)律，應(yīng)用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量了鮮棗樣本從輕微損傷到變質(zhì)階段的果皮強(qiáng)度、果皮破裂深度、果皮脆度、果皮韌性，以及果肉最大硬度、果肉平均硬度和果肉勻質(zhì)指數(shù)，發(fā)現(xiàn)輕微損傷對(duì)鮮棗樣本的果皮強(qiáng)度、果皮脆度和果肉勻質(zhì)指數(shù)3個(gè)指標(biāo)影響明顯。其中，果皮脆度的區(qū)別最為突出，可據(jù)此對(duì)鮮棗樣本的輕微損傷進(jìn)行描述，而對(duì)果皮破裂深度、果皮韌性、果肉最大硬度與果肉平均硬度的影響相對(duì)較小，區(qū)別不明顯。該研究為鮮棗加工和運(yùn)輸相關(guān)研究提供了依據(jù)。

［1］王斌，薛建新，張淑娟.基于高光譜成像技術(shù)的腐爛、病害梨棗檢測(cè) ［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013， 44（增刊I）：205-209.

［2］薛建新，孫海霞，周靖博，等.基于機(jī)器視覺(jué)和近紅外光譜的壺瓶棗無(wú)損檢測(cè) ［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)（自然科學(xué)版），2012，32（6）：571-573.

［3］黃星奕，劉益權(quán)，趙杰文.基于近紅外圖像技術(shù)的水果輕微損傷檢測(cè) ［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（12）：229-231.

［4］周水琴，尚德勝，應(yīng)義斌，等.基于核磁共振成像的水果輕微損傷識(shí)別 ［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（8）：107-110.

［5］趙杰文，劉劍華，陳全勝，等.利用高光譜圖像技術(shù)檢測(cè)水果輕微損傷 ［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（1）：106-109.

［6］馬曉麗，陳曉英，閆語(yǔ)絲，等.楊梅果的機(jī)械損傷試驗(yàn)和生物力學(xué)特性 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（16）：282-287.

［7］桑永英，張東興，張梅梅.馬鈴薯碰撞損傷試驗(yàn)研究及有限元分析 ［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，13（1）：81-84.

［8］陳燕，蔡偉亮，鄒湘軍，等.荔枝鮮果擠壓力學(xué)特性 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（8）：360-364.

［9］吳杰，郭康權(quán)，葛云，等.香梨果實(shí)跌落碰撞時(shí)的接觸應(yīng)力分布特性 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（1）：250-254.

［10］Idah P A，Ajisegiri E S A，Yisa M G.An assessment of impact damage to fresh tomato fruits［J］.AU Journal of Technology，2007，10（4）：271-275.

［11］Altuntas，Mehmet Yildiz.Effect of moisture content on some physical and mechanical properties of faba bean（Viciafaba L.）［J］.Journal of Food Engineering，2007，78：174-178.

［12］李智國(guó)，劉繼展，李萍萍.機(jī)器人采摘中番茄力學(xué)特性與機(jī)械損傷的關(guān)系 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：112-116.

［13］楊曉清，王春光.河套蜜瓜機(jī)械特性與靜載損傷關(guān)系的研究 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（3）：31-37.

［14］高連興，焦維鵬，楊德旭，等.含水率對(duì)大豆靜壓機(jī)械特性的影響 ［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（15）：40-44.

［15］馬慶華，王貴禧，梁麗松.質(zhì)構(gòu)儀穿刺試驗(yàn)檢測(cè)冬棗質(zhì)地品質(zhì)方法的建立 ［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（6）：1 210-1 217.

［16］姜松，何瑩，趙杰文.水果黃瓜在貯藏過(guò)程中力學(xué)品質(zhì)變化的研究 ［J］.食品科學(xué)，2007，28（2）：322-326.

［17］程學(xué)勛，林潔文，黃敏，等.質(zhì)構(gòu)儀及其在食品研究中的應(yīng)用簡(jiǎn)介 ［J］.廣東化工，2012，39（9）：165-166，146.◇

Research on Mechanical Property of Bruise Jujube

LIU Jianglong，*ZHANG Shujuan，SHEN Haixia，LI Junyu
（College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Jinzhong，Shanxi 030801，China）

In order to ascertain the effect of bruise to jujube，make bruise test samples by means of universal bio-material tester for Huping jujube，Pear-jujube and Lang jujube from Taigu.Test the mechanical property including pericarp intensity，pericarp break distance，pericarp brittleness，pericarp toughness，maximal flesh firmness，mean flesh firmness and the number of peaks of the samples for the period from the making of bruise to metamorphism.Through the analysis to the index，bruise，the effect on the pericarp brittleness is most obvious from bruise，and mechanical property and change rule of jujubes from bruise to deterioration，which provided a theoretical reference for processing and transportation of jujubes.

jujube；mechanicla property；bruise；pericarp

S665.1

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.08.003

1671-9646（2016）08a-0008-03

2016-06-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31271973）；山西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2012011030-3）。

劉蔣龍（1992— ），男，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)及裝備。

張淑娟（1963— ），女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及裝備。