果蔬运输振动损伤及其减振包装设计

李 萍，王若伊，林 顿，茅林春

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州310058)

我国是世界果蔬第一生产大国，但是由于采摘、分级、包装、贮藏、运输等环节的技术因素，造成大量损耗［1］，其中机械损伤是主要原因之一，运输过程中机械损伤造成的果蔬采后损失达25%～45%。采后损伤是果蔬生产中一个普遍性的问题，国外发达国家果蔬采后损伤也达到15%～20%［2］。运输过程中的振动是造成果蔬机械损伤的主要原因，为防止果蔬在运输过程中的振动损伤，需要对水果实施各种缓冲包装，通过模拟运输振动实验，是开发或改进果蔬减振包装技术的有效途径［3］。因此，本文重点介绍了果蔬减振包装技术有关的振动损伤形成机理、缓冲包装材料、模拟实验研究和减振包装设计方法。

1 振动损伤

果蔬在运输过程中易受静载、振动、挤压和冲击等载荷形式的作用，形成以塑性或脆性破坏为主的现时损伤和以粘弹性变形为主的延迟损伤［4］。果蔬固体物料一般属于非线性粘弹性体，在实际运输过程中，所受的载荷是随机载荷，主要为瞬时冲击载荷和低应力循环载荷，振动和碰撞是造成水果机械损伤的主要形式［5］。

在运输过程中果蔬受到长期的振动，会出现呼吸强度增加、膜透性增强、组织变软、强度下降等伤害［6］。果蔬的振动破坏有共振破坏和疲劳破坏两种形式。当外界激烈频率和果品包装系统固有频率相等或接近时，果蔬振动加速度峰值大比例放大，果蔬内部应力大大增强，当超过一定值时，果品开始损伤，称为共振破坏。在非共振条件下，当超过疲劳阀值的振动峰值数达到一定次数后也会出现果品损伤，称为疲劳破坏。当果蔬发生碰撞和冲击时，引起细胞微观结构的变化，使其迅速损伤产生褐变，同时碰撞力向深处传递以吸收碰撞能量，使果皮下组织较深处亦产生损伤［7］。

卢立新和周德志［8］认为疲劳振动是导致果品运输机械损伤的主要原因，并提出了果品振动疲劳累积损伤模型与模型参数确定方法，为进一步认识果品振动疲劳损伤机理提供技术基础。而康维民等［9］利用线形累积损伤理论(Palmgren-Miner)解释水果运输过程中造成损伤的机理，即在循环振动应力作用下，水果的损伤逐步积累最后达到疲劳破坏，造成果实振动损伤。振动影响组织表皮细胞的渗透和细胞壁的降解，进一步影响运输后果实的硬度和外部变化，不利于随后的商业化处理［10］。然而，Yang等［11］发现，机械振动刺激果蔬的生理反应，适度的机械振动频率有助于愈伤组织的生长，最佳频率为3Hz，温度呈阶梯性变化，有利于细胞壁和细胞膜的流动性，促进细胞增长和快速分化，细胞膜的电极在机械振动刺激后发生变化，细胞吸收和转移物质能力增强，促进愈伤组织的增长。了解振动损伤机理、以及振动对果蔬产生的破坏作用使我们对减振包装设计更为重视，为减振包装设计提供方向。

2 缓冲材料及其应用

2.1 常用缓冲材料

为防止果蔬在运输过程中的振动损伤，需要对水果实施各种缓冲包装，缓冲材料是减振包装的关键。缓冲材料(等)是指具有高滞后吸收能量的材料，能有效减少果品损伤。缓冲材料主要包括瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸浆模塑、缓冲包装纸、可降解泡沫塑料、再生泡沫塑料盒、发泡植物纤维等［12］。其中，瓦楞纸板是人们较早使用的一种缓冲包装材料，因其成本低、加工性能好、使用温度范围宽等优点，全球瓦楞纸、纸板的消费量约占三分之一［13］。发泡植物纤维是近几年来研究的一个热点，国内外都在努力开发这类材料。国外主要研究不添加化学发泡剂，通过水蒸气的作用发泡，形成颗粒型发泡纸浆;而国内则是采用发泡剂产生发泡，工艺较简单，但是生产和使用后对环境具有隐患，该技术还有待改进和提高［14］。

顺应当代环保及绿色理念，许多新型缓冲材料不断产生。成培芳等以淀粉/纤维作为原料制备可降解缓冲包装材料［15］。Shi等［16］和 Lu 等［17］分别以向日葵茎秆和毛竹竹浆作为开发生物缓冲包装材料的原料，与发泡聚乙烯材料相比较，其物理特性和缓冲系数表现出更好的防护性能，并且安全无污染，可以替代石化产品作为新型的生物缓冲包装材料。

2.2 缓冲材料的减振作用

研究各种缓冲材料的减振效果，有助于设计和开发减振包装。不同缓冲材料类型、缓冲材料的厚度、包装结构吸收振动冲击的能量不同，减振效果表现不同。缓冲材料对果蔬振动保护的作用主要在于缓冲衬垫对冲击能量的吸收、冲击对缓冲衬垫的压缩变形［18］，缓冲材料的种类、厚度、包装结构对其减振效果都有一定的影响。了解各种因素对减振效果的影响对减振包装设计具有很强的理论指导作用。

2.2.1 材料种类 具有高滞后吸收能量的材料，如塑料、纸板、泡沫、植物纤维等，均能够减少运输中振动损伤的程度，但是不同的缓冲材料对果蔬减振效果不同。Raghav和Gupta［19］用宽松的水稻秸秆和纸碎片作为水果层之间的缓冲材料，发现没有缓冲包裹的水果比包裹的水果腐烂速度要快得多，说明水果层之间的缓冲材料有利于减少运输振动损伤。以竹篮为包装材料时芒果损伤程度严重，以泡沫网包裹的瓦楞纸箱对芒果具有最优的保护作用［20］。纸包裹和泡沫网都能大大减少黄花梨的运输振动，泡沫网缓冲材料对于保持黄花梨贮运品质效果更好，而纸包装的黄花梨酶活性比泡沫网箱高出许多，但是硬度反而降低［21］。Jarimopas 等［22-23］发现塑料和纸板均具有降低冲击损伤作用，但是纸板的减振效果优于塑料板，缓冲能量与苹果的大小无关。Chonhenchob和Singh［24］认为纸板缓冲和泡沫网缓冲材料具有相似的保护作用，但是纸板包装更有利于番木瓜的成熟。但是Çakmak等［25］认为在中长期高速运输过程中，纸板包装运输增加了果品内部的温度，导致果品品质的降低，而聚苯乙烯包装盒可以减小这种负面反应。李春飞等［26］也发现，采用瓦楞纸板衬垫、发泡塑料网作缓冲包装时，均可有效地降低苹果损伤率，发泡塑料网对苹果的整体保护特性优于瓦楞纸板衬垫。

2.2.2 材料厚度 不同厚度的缓冲材料产生不同的缓冲作用，在一定范围内，缓冲材料的厚度越大，缓冲吸收能量越大，减振效果好［27］。多层瓦楞纸板能量吸收显著大于单层，多层瓦楞纸板抗冲击能力强［28］，双壁瓦楞纸板箱较单壁有利于减少苹果的损伤率［29］。当缓冲材料厚度超过一临界值时，甜罗望子损伤率不再发生变化，以30%5mm大小的泡沫球与甜罗望子混合在15cm直径、20cm高度的瓦楞纸箱中，甜罗望子的损害率最小［30］。

2.2.3 包装结构 包装结构的不同对缓冲性能也有一定的影响，卢立新等研究表明，瓦楞纸板衬垫与隔档可以减小梨损伤率达15%～25%，瓦楞纸板衬垫、隔档以及网罩的联合包装形式可以使梨损伤率减小35%～45%。实际物流过程中，果品常常堆积多层，研究发现多层苹果的总损失体积与其吸收总能量存在线性关系，而其中的单个苹果不存在线性关系，卢立新建立了多层果实跌落冲击模型［31］。包装箱所处堆码层数对果实的振动损伤有重要的影响，最上层包装箱内梨果实的损伤最大，最下层梨果实的损伤次之，中间层梨果实的损伤最小;在同一包装箱内，最上层梨果实损伤最大，中间两层次之，最下层最小［32］。但是李春飞等［27］研究发现，瓦楞纸板内部隔档可以减小苹果的损伤率，同一种缓冲包装的中间层苹果的损伤率最大，底层苹果损失率次之，顶层苹果损伤率最小。双壁瓦楞纸板箱较单壁减振效果较好［29］，多层瓦楞纸板作为缓冲介质夹层结构减振效果较好，因为多层波纹夹层结构振动能量吸收显著大于单层结构，多层瓦楞纸板具有重复抗冲击能力，减小果实的振动损伤程度［28］。

3 模拟振动实验

运输过程中不同路面造成的冲击和振动之间的加速度存在明显差异［33］，在模拟振动损伤时，必须把冲击和振动分开，达到实际振动随机性［34］。通过模拟运输实验，在实验室内再现实际运输环境，通过包装内果蔬的损伤情况来评定包装系统的减振效果，是目前开发或改进缓冲包装，解决果蔬运输损伤的最有效途径。康维民等通过模拟运输振动实验，确定了运输模拟实验的振动频率、振动加速度、振动时间参数［35］。Thompson 等［36］通过模拟振动运输开发了一套新的水果包装系统，当结合一个塑料翻盖或瓦楞纸板控制器时，这套包装运输系统几乎可以防止梨的所有振动损伤。

3.1 振动频率

通过模拟实际运输条件，在一定频率范围内进行振动扫描，确定共振频率。黄翔飞等发现，共振频率随着包装箱层数的增加而增大，箱内梨果实的共振频率随着激励源加速度的增加而减小［37］。在相同加速度条件下，振动频率越小，梨越容易产生损伤［38］。因此，果蔬损伤主要产生在低频范围内，Barchi等研究发现，在频率为13～25Hz范围内，枇杷损伤从底部到顶部逐渐加强［39］。Shahbazi等［40］模拟卡车运输西瓜的研究中也发现，在7.49和13.03Hz产生损伤率峰值。但是，Berardinelli等模拟梨运输振动损伤时发现，振动频率与振动加速度会产生交互作用，在出现振动加速度峰值的频率范围内，不同包装箱所处位置所受的振动加速度不同，因此在减振包装设计时，应考虑到多方面的影响因素［41］。

3.2 振动加速度

振动加速度分为稳定振动条件和随机振动条件下的加速度，随机振动条件下进行模拟振动实验，以随机振动加速度进行实际运输时间的振动，水果的振动损伤和实际运输条件下的相同。振动时间和振动加速度具有相关性，为提高实验效率，缩短实验时间，在进行模拟振动实验时，可以通过改变振动加速度来确定振动时间。模拟振动时间越长，梨果实损伤越大。振动时间对梨果实损伤也受到包装方式的影响，不同包装方式条件下，梨果实损伤随振动时间的变化不同［32］。

振动加速度越大，梨越容易受损伤［39］，西瓜振动损伤随着加速度的增加而增加，而且西瓜肉的损害明显高于西瓜皮［40］。货车前后部的振动加速度幅值最高峰分别是0.51、0.83m/s，车厢后部的振动加速度显著高于车厢前部，使得车厢后部的梨损伤要高于车厢前部同样高度堆放的。在车厢内同一位置，顶部塑料箱所受的振动加速度高于底部塑料箱，因此，装载顶部塑料箱内的梨损伤情况显著高于装在底部塑料箱的［42］。但是 Zeebroeck 等［43］研究发现在高峰值加速度时，位置从高往低，挤压不断加强，因此苹果受到的挤压损伤逐渐增加。

3.3 振动损伤检测

果蔬模拟损伤运输过程中往复振动产生的损伤，可以根据Palmgren-Miner理论和S-N曲线来定量评价［35］。果蔬因振动引起的机械损伤会产生一系列生理异常，影响果蔬的贮藏，如表皮腐烂、呼吸加强、乙烯释放量增多、电导率升高等［44］。Jiang和Shiina研究表明，以表皮破损程度、呼吸和乙烯、电导率和吸光度为指标，可以评价振动引起的果蔬损伤程度。由于果蔬损伤后能量吸收发生变化，可以通过能量吸收、声波和超声波、X射线、荧光、核磁共振等物理方法来检测振动损伤［45-46］。

通过实验室模拟公路运输果蔬所受的振动，可以从振动频率、振动加速度和振动时间等不同方面来研究果蔬振动损伤模型，有很强的理论指导意义和现实价值，有助于加强贮运中果蔬保鲜和减少果蔬损伤，同时也是减振包装设计步骤中关键的一环。

4 减振包装设计

减振包装，又称为防振、隔振包装，它是通过在包装内设计具有高阻尼特性的隔振垫层，使外界振动传递到被包装产品后，产品被激励的加速度不超过脆值，减小产品在功能和形态上的损伤。减振包装设计形式大致可以分为两类:一类是以防冲击破损为主的包装设计，应选择具有强压缩能力、高弹性的材料，适用于冲击破坏强度高于振动破坏强度的产品;另一类是以减振为主的包装设计，侧重强衰减能力、高阻尼特性材料，适用于由于长期运输振动易产生疲劳损伤、脆值低的产品［47］，例如振动敏感性强的水果和蔬菜，因此果蔬的减振包装设计常以防振为主要目标。

减振包装设计的核心在于调节防振衬垫的传送率来控制产品的共振响应，产品、容器以及高阻尼性材料构成产品包装系统，可以看作“质量-弹簧系统”模型［48］，当忽略外包装箱的弹性和缓冲材料的质量时，可视为单自由度线性模型。

果蔬减振包装设计必须按照一定的要求进行。首先，必须确定果蔬流通环境的条件，了解果蔬自身生理和力学特性，设计衬垫材料的结构和尺寸;然后，进行模拟振动损伤实验，确定振动环境条件，主要是振动频率、加速度及最大耐受时间;最后，确定在既定振动环境条件和损伤率下果蔬振动损伤脆值、疲劳损伤阈值，果品允许损伤率的确定要综合考虑果品自身特性、运输条件及综合成本等，确定衬垫材料的种类。在以上基础上，确定不至于引起果品过度损伤的系统振动传递率，选择合适的衬垫，设计合理的包装结构，最后进行振动模拟实验，进行实验校核［49-50］。

5 结语

从作用力与包装动力学的角度，明确果蔬在运输过程中的损伤机理，对减少在运输过程中由于振动载荷对果品产生的机械损伤，有着重要的理论价值和现实意义。目前国内外学者在这方面作了一些研究工作，同时取得了一定的成果与进展，但离工程应用距离尚远，对于实际减少果蔬的损伤仅具有浅表的指示作用，未能从根本上提供运输中果品机械损伤与减损包装的基本技术机理、技术参数。因此，作者认为，在今后的工作中还有一些问题值得深入研究。

首先，果蔬等作为生物产品，不同于一般的工业产品，具有其本身的力学特性，这些基本性质对理解和阐明机械损伤机理以及运输模型的建立都有非常重要的影响。其次，目前果蔬机械损伤的研究对象种类较少，主要集中在少数抵抗能力较强的果品上，大量易损伤的果蔬振动特性与减损包装研究还非常欠缺。再者，实施缓冲包装，是减少果蔬运输过程中机械损伤的关键，但是缓冲包装材料需考虑到其本身的特性，以及其与果蔬产品的相互作用，既要保证缓冲材料的抗震能力，又要兼顾其安全性、耐用性及回收利用。最后，为了验证缓冲包装的合理性，需要进行实验室模拟运输实验，如何再现在途运输以及系统地分析包装材料的抗震特性，都将成为日后工作的重点。

总之，当今机械化不断发展，果蔬所受到的冲击损伤大大减少，振动损伤成为影响贮运保鲜的重要影响因素，如何最大程度减少振动对果蔬的破坏作用，包括果蔬表皮的可见破坏以及内在的无形品质下降，成为日后工作的关键。除了建立果蔬减振包装的力学模型，开发新型环保材料、循环利用缓冲材料、实验室模拟运输校核减振包装设计的合理性，将有助于建立绿色包装体系，设计合理的减振包装方式，降低果蔬运输振动损伤。

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