基于穿刺试验苹果力学性质的研究

冯慧敏，郭玉明，武新慧

(山西农业大学 工学院，山西 太谷　030801)



基于穿刺试验苹果力学性质的研究

冯慧敏，郭玉明，武新慧

(山西农业大学 工学院，山西 太谷030801)

摘要：质地是检测水果品质的重要标准，物性分析仪测得的力学指标可以准确地反映水果的品质特性。试验采用物性分析仪对苹果进行穿刺试验，测得不同测试形态、不同加载速率下试样的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度等力学性质。结果表明：不同的测试形态对试样的力学特性有显著影响，对苹果整果试样纵向和轴向截面穿刺得到的力学指标较稳定。由整果纵向穿刺力学指标的相关性分析得出：除了果肉平均硬度，其他各力学指标间均有极强的相关性。

关键词：穿刺；力学性质；试样形态；加载速率；苹果

0引言

水果的力学性质对于水果品质鉴定及加工装备的多尺度建模与设计有着重要的影响[1,2]。苹果作为我国产出的重要水果类型，在采收、运输、贮藏及加工等过程中受到机械损伤及成分变化，其品质会发生一定的改变。通过对力学指标的测定可以建立起不同状态下其品质和力学特性间的相关关系，为其品质检测提供理论依据[3,4]。近年来，通过物性分析仪对产品品质的检测研究越来越多[5-8], 众多研究对于水果品质的测试条件并没有统一的规范，不同的测试环境试样的力学特性会有差异。国内外学者对苹果品质测定的研究也有很多：张文会等[9]分别用P/2 和P/100 探头测试苹果质地，测得的力学特性可以反映出不同品种间苹果质地的差异性；Hossein Barikloo等[10]对“金冠”和“红富士”进行动态冲击试验，并建立了苹果弹簧参数“K”和阻尼参数(C)与冲击速度(V)，接触时间(T)和等效曲率半径(R)作为独立变量的多元回归方程；李小昱等[11]通过苹果的压缩试验，表明加载速率与压头型式对苹果力学特性有显著影响；杨玲等[12]应用质地多面分析法(TPA测试)对‘华红’苹果采后质地变化进行了研究分析，并建立各质地参数间的相关性，表明TPA测试能准确反映‘华红’果实在贮藏过程中果肉的质地变化规律。为了探究不同测试条件对试样力学性质的影响，试验选取苹果作为研究对象，对不同形态试样进行穿刺试验，得到不同测试状态下果肉的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度等指标，探究测试试样形态和加载速率对果肉力学性质的影响，对各力学特性指标进行相关性分析。

1试验材料与方法

1.1试验材料及设备

为避免个体间差异造成的试验误差，从市场买回一批新鲜水晶富士苹果作为试验材料；采用T.A.XT-Plus物性测试仪进行测试。

1.2试验方法与步骤

1)试样制作。为研究试样大小对试验的影响，同时避免个体间的差异，从5个形状接近的不同个体选取苹果果肉，分别制成10mm×10mm×20mm与20mm×20mm×10mm的试样；选取2个完整的苹果分别将顶部和侧面切出平整的表面做轴向的果肉穿刺，试验重复测试3次。

2)苹果果肉机械特性的测定。试验运用物性分析仪在不同的加载速率下对试样进行穿刺试验，选取P/2探头，设置测试前速率为1mm/s，测试后速率为10mm/s，穿刺深度为5mm，测试速率分别为0.01、0.05、0.1、0.5、1、2mm/s。对于切块试样，穿刺部位为试样中心，整果穿刺部位为靠近果皮处5～20mm的圆周。在对样品穿刺过程中，随着探头刺入深度增加，载荷值也不断增大。当载荷值达到果肉组织细胞的屈服极限时，载荷值会出现明显的生物屈服点；探头继续刺入使得果肉组织细胞破裂，此时测试得到果肉的破裂力和破裂深度，直到探头刺入深度达到5mm测试结束。测试分别得到不同形态下苹果果肉的生物屈服力(N)，破裂力(N)，破裂深度(mm)，破裂能(N·mm)和果肉的平均硬度(N)。其中，破裂能为破裂点下方变形曲线与横坐标位移围成的面积。果肉平均硬度为由探头刺入果肉下降至5mm载荷的平均值。

2试验结果与分析

2.1不同加载速率下测试参数的分布

试验测得加载速率分别为0.01 、0.05 、0.1 、0.5、1、2mm/s时，4种不同形态试样的各力学特性值。用Origin软件绘制出在不同测试形态下，苹果果肉的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能和果肉平均硬度在不同加载速率下的分布规律，结果如图1所示。

(a)

(b)

(d)

(e)

从图1中可以看出：较低加载速率下测得果肉各力学特性数据稳定性差；当加载速率大于0.5mm/s时，随着加载速率的增大，除果肉硬度外，其它各力学指标都有稳定的增大趋势。这是由于较低速率下探头缓慢作用于果肉组织细胞，载荷作用下受力细胞的变形不一致；而加载速率较大时，探头作用下果肉细胞的变形速率要快，反映出被压果肉整体的变形情况。在穿刺的截面面积为100mm2和400mm2时，测得的数据稳定性较差，整果轴向截面穿刺试验测得的力学指标值除破裂深度外，其他均大于纵向截面测得的力学指标值。

2.2样品形态和加载速率对果肉力学特性的影响

为判定样品形态和加载速率对果肉力学特性影响的显著性，用SAS统计软件对试验数据进行方差分析。结果如表1～表5所示。

表1　苹果果肉生物屈服力方差分析表

表2　苹果果肉破裂力方差分析表

表3　苹果果肉破裂深度方差分析表

表4　苹果果肉破裂能方差分析表

表5　苹果果肉硬度方差分析表

通过方差分析可以看出：除了果肉硬度，试样的形态对苹果果肉各力学特性在0.01水平上均有显著影响。在0.01水平上，加载速率只对生物屈服力有显著影响。这一现象同样说明对果肉穿刺时，探头作用下果肉组织细胞受力变形的不稳定性。

2.3各力学指标间的相关性分析

应用SAS软件对不同测试形态下的加载速度与各力学特性进行相关性分析，在4种测试形态下，对试样的纵向穿刺得到的力学特性间相关性最强，结果如表6所示。

表6　纵向圆周面穿刺力学特性相关性分析

*代表显著性水平0.05，**代表显著性水平0.01。

从表6中可以看出：对试样进行纵向圆周面的穿刺测得数据要稳定；在0.01水平上，加载速率和破裂力、破裂深度及破裂能显著相关；破裂力、破裂深度及破裂能3个力学指标两两显著相关。

3结论

通过对不同形态苹果试样进行不同加载速率的穿刺测试，测得苹果果肉的各力学特性值会随着加载速率的增大而增大，不同的测试形态对苹果果肉各力学特性均有显著影响。对整果试样穿刺测得的数据要比切块试样的数据稳定，轴向的力学特性间也存在着差异性，试样的纵向圆周面穿刺测得的力学指标间有显著相关性。因此，需对物料的测试条件进行更深入的研究分析才能确定合适的测试参数；同时，应对不同测试形态下物料组织细胞的变形做进一步的研究测定以准确的反映物料间品质的差异，为不同的物料的品质鉴定提供理论依据。

参考文献：

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[3]陈燕,蔡伟亮,邹湘军,等.荔枝鲜果挤压力学特性[J].农业工程学报,2011(8):360-364.

[4]杨晓清,王春光. 河套蜜瓜机械特性与静载损伤关系的研究[J].农业工程学报,2008(3):31-37.

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[8]高海生,贾艳茹,魏建梅,等.用物性分析仪检测鸭梨和京白梨果实采后质地的变化[J].园艺学报,2012(7):1359-1364.

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[10]Hossein Barikloo, Ebrahim Ahmadi.Evaluation of impact effect and fruit properties on apple dynamic behavior[J].AJCS, 2013, 7(11):1661-1669.

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[12]杨玲,肖龙,王强,等.质地多面分析(TPA)法测定苹果果肉质地特性[J].果树学报,2014(5):977-985.

Study on Mechanical Properties of Apple Based on Puncture Tests

Feng Huimin,Guo Yuming, Wu Xinhui

(College of Engineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China)

Abstract：Texture is an important standard for quality detection of fruits, physical mechanical indexes of the analyzer can accurately reflect the quality characteristics of fruit. The mechanical properties including the yield stress, fracture, rupture depth, fracture energy and pulp average hardness of the different shape specimen under different loading rate were obtained from puncture test on apple by using texture analyzer. The results showed that: shape has a significant influence on the mechanical properties of specimens, mechanics indexes of whole sample are more stable when puncture in the longitudinal and axial section. In addition to the firmness, there is an extremely strong correlation between each of the other mechanical indexes which were obtained from the correlation analysis of mechanical indexes of the puncture in the longitudinal section.

Key words：puncture; mechanical properties; shape; loading rate; apple

文章编号：1003-188X(2016)01-0188-04

中图分类号：S12；Q66

文献标识码：A

作者简介：冯慧敏(1990-)，女，太原人，硕士研究生，(E-mail)fenghuimin2013@126.com。通讯作者：郭玉明(1954-)，男，山西平定人，教授，博士生导师，(E-mail)guoyuming99@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(30771242, 31171450)；山西省重点实验室基金项目(2013011066-9)

收稿日期：2014-12-27