分类：论文范文 发表时间：2020-02-11 09:54
摘要：运输是果蔬流通过程中必经的一个环节，并且容易对果蔬造成损伤。果蔬在流通过程中承受着静载、挤压、振动、跌落和冲击等多种载荷形式的作用，产生了机械损伤。在归纳和分析国内外果蔬机械损伤相关研究成果的基础上，分析果蔬振动损伤机理，从静压损伤、振动损伤、冲击损伤3个类型研究果蔬机械损伤，综述研究机械损伤方面建立的模型及减缓果蔬损伤的对策，并对未来的研究方向进行展望，旨在为今后更深入的研究提供借鉴和参考。
关键词：果蔬；机械损伤；损伤机理；损伤模型；减损对策
果蔬在采前和采后都会受到不同程度的机械损伤，果蔬的机械损伤是指其在采收、分级包装、装卸搬运、贮藏、运输、加工和销售等各个环节因受到挤压、跌落、碰撞、摩擦作用而造成的果实变形、果皮和果肉破损的现象[1]。机械损伤会直接造成果实受伤部位的细胞结构破坏，导致水分和汁液流失，果肉组织迅速软化，并引起受伤部位的组织褐变[2]。机械损伤加速了微生物对果蔬的侵害，导致果蔬发生霉变，使果蔬的品质和经济效益大大降低。因此，如何采用科学有效的措施来减缓果蔬在采后、运输流通和销售过程中的机械损伤是值得高度关注和亟待解决的问题。开展果蔬机械损伤规律及其影响因素的研究，不仅要从果蔬流通的各个环节对影响振动损伤的物理因素如振动频率、挤压力大小、跌落高度等因素进行探究，加大包装的减损设计以及优化改进等措施，还要从影响机械损伤的细胞机理层面进行探究，从果蔬的组织力学及流变学特性入手对果蔬振动损伤的机理进行全面的解释。本文综述了果蔬振动损伤机理及不同类型的机械损伤特性研究，提出了减缓果蔬机械损伤的几点合理性对策，并对机械损伤研究过程中存在的问题进行了讨论和展望，旨在为学者后续研究果蔬机械损伤提供参考，使我国果蔬流通产业朝着健康的方向发展。
1果蔬振动损伤机理
1.1果蔬的组织力学特性
果蔬的组织力学特性是研究振动损伤的基础，果蔬微观层次的差异决定了宏观特性上的差异。细胞壁承受细胞外部的载荷和内部液体的压力；液泡膜在细胞壁和胞内的液体之间，阻止着胞内液体的流进流出[3]。机械损伤会打破细胞的分布情况，对细胞造成破坏。果蔬细胞的排列方向和气体空间的大小与分布也会对果蔬机械损伤程度产生影响，果蔬细胞组织结构和排列情况如图1所示。
果蔬的振动损伤理论和宏观力学现象只有回归到细胞层面进行研究才能更深刻地揭示其变化规律，果蔬受到振动、冲击、摩擦和挤压等外力作用可造成细胞组织宏观损伤、细胞微观损伤和细胞器的微观损伤[4]。当果蔬受挤压和冲击等外力作用时，发生塑形变形，细胞滑移、破裂，整体表现为软化和细胞液外渗。同时，细胞液的黏滞流动在低应力条件下产生机械损伤，细胞间的相对滑移趋势使细胞的果胶层在相互作用力的作用下受剪切和摩擦作用下逐步变性、分离和水解，从而导致局部组织坏死后易被微生物侵袭致腐烂[5]。
1.2果蔬的流变学特性
为深入对果蔬机械损伤的研究，分析掌握其流变学特性也颇为重要。流变学特性可通过弹性、黏性和塑形性质的反应变化来表现果蔬在机械损伤过程中变化，常用应力、应变在时间下的变化来表示。通过对果蔬流变特性的剖析，更加直观地展现了果蔬的组织变形情况和振动因素之间的关系[6]，从根本上明确了果蔬的力学性能和振动损伤机理。果蔬在静载作用下会出现变化见图2。在恒定载荷的作用下，应变随时间而逐渐增大的过程即蠕变过程[7]，用蠕变柔量J来表征。线性黏弹性体在应力σ（t）=σ0H（t）作用下，有J（t）=ε（t）/σ0。在恒定应变下，应力随时间而逐渐减小的过程为应力松弛现象，用松弛模量Y来表征。在应变ε（t）=ε0H（t）下，得到Y（t）=σ（t）/ε0。Chuma[8]通过试验绘制了一条橘子的力-变形曲线，并得到Burgers四单元模型不符合此表征的力-变形曲线的结论。Peleg[9]与Pitt[10]通过对装在纸板箱的苹果进行振动损伤试验，同样得到了类似的曲线形状，确定了模型中的相关参数并使模型和实际问题建立了对应关系。
2不同类型机械损伤特性研究
2.1静压损伤
静压损伤多发生在果蔬贮藏过程中的自然状态下，果蔬相互接触的区域承受上层重量压力及下层挤压力，导致塑形形变而产生损伤，承受压力时间越长果蔬的损伤越严重。静压损伤的研究一般采用外表层的黏弹性静载试验，根据流变特性研究果蔬的形变量受外载力大小和贮藏时间的影响程度大小，通常采用接触面积和直径的变化的数值作为参考来探究振动损伤规律。果蔬受力变形的基本形式表现为蠕变，对力学特性和静载损伤规律的研究至关重要，其中Burgers四单元模型在研究果蔬蠕变现象中更为广泛。杨晓清等[11]对影响哈密瓜静载蠕变损伤的因素进行了深入研究，利用虚拟样机技术建立了蠕变仿真模型并确立了相关参数，提出了低温低压储存哈密瓜可以减少其静压损伤的结论。在不同加载条件下对荔枝的挤压试验，研究表明：荔枝的抗挤压能力具有各向异性，且其纵向大于横向[12]。研究果蔬对内外部压力的断裂强度，对研究其膨胀压力和压缩刚度是至关重要的，有学者在对苹果和马铃薯组织的研究中，提出了应变能函数的一般形式，并找到了膨胀压力与拉伸比之间的关系，并认为果蔬组织是各向同性的、不可压缩的、均质的并具有超弹性行为[13]。
2.2振动损伤
动载作用引起的碰撞损伤和振动低应力疲劳损伤构成振动损伤[17]。国内外大部分研究主要从稳态振动和随机振动两方面研究，稳态振动试验更易操作，但果蔬实际运输状态均为随机振动，因而模拟实际运输工况往往更具现实意义和价值。为模拟运输振动引起的振动损伤，已对多种果蔬进行了试验研究，振动损伤严重影响果蔬生理指标的变化，在以“赛买提杏”为对象的运输振动试验中，振动胁迫明显加快杏果的乙烯生成量、呼吸速率、膜透性和可溶性固形物含量的上升，使得叶绿素、抗坏血酸和硬度显著下降[18]。梨果实可溶性固形物含量随振动加速度的增加而增加，随振动频率的增加而减小[19]。郝永菲[20]模拟二级公路实际运输情况下的自由振动，显示常温运输中的振动影响了梨果的外观，同时促进了果实的代谢，加速梨果实的后熟与衰老。
3果品运输振动损伤的模型建立
多年来国内外学者研究并建立了多种果蔬振动损伤模型。更多的研究是对果蔬个体进行建模，探究损伤与其他诸如贮存时间、跌落高度、堆叠层数、振动时间等之间的关系并分析参数。比如果蔬的种类、储藏时间与其蠕变特性相关，而载荷加载位置对其产生的影响并不明显[34]，可建立四元件模型并对参数求解[35]。果蔬跌落试验可通过回归分析得到关系方程，因而可对苹果跌落损伤进行预测[36]。卢立新等[37]通过振动损伤试验得到冲击力、峰值加速度、最大冲击变形量、冲击结束后的残余变形等量随跌落高度的增加而逐渐增大，而冲击弹性恢复系数逐渐降低，果蔬损伤加重。又基于果实动态冲击本构关系、赫兹接触理论和Kuwabara模型分别建立了苹果是否考虑损伤工况的动态力学模型，得到了黏弹性损失系数和跌落损伤破损的边界曲线[38-40]。对多层苹果进行的跌落试验构建了跌落冲击响应的动态流变模型，且试验结果与理论模型结果能较好吻合[41]。王芳[42]建立的西瓜蠕变参数随储藏时间变化的数学模型可用于预测西瓜的质地与储藏时间。潘嘹[43]挖掘了低能量多次冲击条件下的加速度、回弹高度、累积吸收能量与冲击次数之间的关系，建立了动态模型，得到了果品低能量多次冲击损伤阈值。现以梨果实在3cm高度下的冲击次数回弹高度曲线为例，得到关系式（如图4）：E1=E0+E+E2式中：E1为冲击初始动能，J；E0为冲击损失能量，J；E为果品吸收能量，J；E2为回弹能量，J。
4减缓果蔬机械损伤对策
4.1加强包装保护
果蔬常在储藏、运输、销售等过程中受到各种冲击力。可进行减振包装，减少果蔬受到的冲击碰撞。减振包装是通过放置高阻尼的材料，使外力在传输到果蔬产生的加速度峰值低于脆值，从而减小果蔬损伤。减振包装材料一般可分为两类：一类是为防冲击破损，应选择具有高弹性和压缩能力强的材料，适用于冲击破坏强度比振动破坏强度高的产品；另一类是为了减振，使用衰减能力强、阻尼高的材料，适于长期运输、因振动而易产生疲劳损伤的产品[47]。
4.2加大对运输路况的改善
车辆运输状况不同，对果蔬造成的影响也不同。运输路面状况是否良好直接影响车辆的振动，且有一定随机性。车辆紧急启动或在道路中遇障碍物紧急制动等引起的振动，会产生位移干扰[57]。在一级公路和高速公路下分别进行黄花梨运输振动模拟试验，发现平均速度相同时在一级公路上的加速度峰值要高于高速公路上加速度的峰值，因为高速公路的运输路面情况比一级公路更良好[58]。另外，当研究的车速较低，约为20km/h时，在乡村土路上测得的加速度峰值是各路况中最高的。那么若要减缓果蔬运输途中的振动损伤，定要采用适当的运输方式，也可改善车辆的运输环境。
5结论与展望
研究果蔬运输振动损伤特性对于减少果蔬机械损伤有着重要意义。纵观国内外学者研究现状，以下研究还需进一步加强。1）建立果蔬质量评估和机械损伤程度预测的统一度量标准。可根据果蔬构造的不同以硬度、脆性等特性分为几类来进行标准制定，使具有可靠性和实用性。2）加强对高价值果蔬的抗损研究。研究对象多为常见且价值较低的果蔬，而对于一些价值较高且抗损能力较弱的果蔬欠缺深入探究，导致高价值果蔬因缺少抗损技术支撑而在运输过程中损伤较为严重，无法发挥其经济效益。
参考文献：
[1]王荣.葡萄与番茄力学特性及机械损伤的研究[D].北京:中国农业大学,2003
[2]王艳颖,胡文忠,庞坤,等.机械损伤对富士苹果采后软化生理的影响[J].食品研究与开发,2008,29(5):132-136
[3]黄祥飞.果品振动损伤特性及其减损包装的研究[D].无锡:江南大学,2008
[4]李立民.运输过程中机械振动对果蔬贮藏品质的影响[D].天津:天津商业大学,2016
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