基于机械损伤的宽皮柑橘贮藏期间力学特性研究

刘琳　陈红　李磊　彭帅　刘艺璇

摘要：对宽皮柑橘（Citrus reticulata）贮藏期间力学特性变化进行了研究，定期对柑橘进行压缩试验，并测定贮藏期间柑橘果实的质量、硬度、弹性模量、破坏极限力和總变形破坏能。结果表明，随着贮藏时间的延长，柑橘果实的质量损失逐渐增大;硬度呈减小趋势，但贮藏7 d与贮藏10 d差异不显著;弹性模量、破坏极限力和总变形破坏能均先增大后减小，在贮藏7 d时达到最大值，贮藏1 d与贮藏4 d差异均不显著，贮藏10 d与贮藏1 d均有显著差异。各力学指标相关性分析表明，贮藏时间与质量损失呈高度正相关，与果实硬度和弹性模量呈高度负相关，与破坏极限力和总变形破坏能不相关。

关键词：机械损伤;宽皮柑橘（Citrus reticulata）;短期贮藏;力学特性;相关性分析

中图分类号：S666         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0124-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.029           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on mechanical properties of Citrus reticulata blanco

during storage based on mechanical damage

LIU Lin，CHEN Hong，LI Lei，PENG Shuai，LIU Yi-xuan

（College of Engineering，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： In order to provide references for mechanical damage of Citrus reticulata Blanco， the changes of mechanical properties of Citrus reticulata Blanco during storage were studied. The short-term storage of the variety was carried out. The compression tests were carried out regularly. The quality， hardness， modulus of elasticity， rupture limit and total deformation damage energy of the citrus fruit during storage were determined. The results showed that with the prolongation of storage time， the quality loss of citrus fruits increased gradually; the hardness decreased， but there was no significant difference between storage for 7 days and storage for 10 days; the elastic modulus， rupture limit and total deformation damage energy increased at first and then decreased， and reached the maximum value at 7 days of storage. There was no significant difference between storage for 1 day and storage for 4 days， and there was significant difference between storage for 10 days and storage for 1 day. At the same time， the correlation analysis of various mechanical indexes showed that storage time was highly positively correlated with mass loss， negatively correlated with fruit hardness and modulus of elasticity， but not with rupture limit and total deformation damage energy.

Key words： mechanical damage; Citrus reticulata; short-term storage; mechanical properties; correlation analysis

柑橘口感酸甜、柔软多汁、营养丰富，是人们普遍喜爱的水果。但由于柑橘果皮柔软易裂，表皮细胞易擦伤，在贮藏过程中较易受到损伤，从而诱使病原体入侵，造成腐烂损失[1-3]。而柑橘本身的力学特性是柑橘是否受到机械损伤的重要因素之一，因此，研究柑橘在贮藏过程中的力学特性，能为柑橘采后贮藏中的机械损伤及减损研究提供一定的理论参考。

目前对柑橘贮藏研究较多的是不同的前处理（保鲜剂[4]、涂膜[5]、果蜡[6]等）或不同的贮藏环境（主要为温度[7]）对果实生理特性、营养物质以及相关酶活性等的影响，鲜见柑橘贮藏期的力学特性变化研究。主要研究了贮藏性能较差的宽皮柑橘（Citrus reticulata）在短期贮藏时间内的力学特性变化，并分析了各个力学指标之间的相关性，旨在为柑橘贮藏的机械损伤及减损研究提供有益的参考依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试验选用的宽皮柑橘为2016年12月及2017年11—12月采自武汉市江夏区宁港柑橘总场的中熟温州蜜橘（成熟期为11月中下旬）。果实完全成熟，表面呈橙黄色，无破损，相同试验批次成熟度一致，无病虫害。

1.2  仪器

CX-I2000电子秤，东莞市南城长协电子制品厂;TMS-Pro质构仪，美国FTC公司;FHT-05果实硬度计，广州兰泰仪器有限公司。

1.3  方法

由于宽皮柑橘（中晚熟系温州蜜橘）采摘及上架期一般集中在11—12月，温度亦集中室温常压（20±5 ℃，1.013×103 MPa）下，故将同一批次的柑橘分成5组，每组20个，分别避光贮藏1、4、7、10、14 d后进行整果压缩测试，测定其质量、硬度、弹性模量、破坏极限力、总变形破坏能等力学特性指标，各指标测量方法如下，结果取平均值。

1.3.1  质量  由于蒸腾作用和呼吸作用会导致果蔬内部水分大量流失，导致整果质量减少。每个柑橘的质量不同，具有随机性，为便于统计数据分析，柑橘整果质量随贮藏时间的变化关系采用质量损失量来衡量。

ΔMk=M0-Mk   （1）

式中，ΔMk為贮藏k d后柑橘整果质量损失量，单位为g;Mk为贮藏k d后柑橘整果质量，单位为g;M0为贮藏初始柑橘整果质量，单位为g。

1.3.2  硬度  采用FHT-05果实硬度计测量柑橘整果的硬度。选用探头直径3.5 mm，探头插入深度10 mm，测量范围0.2～5.0 kgf/cm2，实测极限峰值6.5 kgf/cm2。采用抽样方法，同一批次柑橘中随机抽取3%～5%的柑橘进行整果硬度测量，每个柑橘试样沿赤道部均布插压5～8次，计算平均值作为结果。

1.3.3  弹性模量  参考标准ASAE S368.4 DEC2000

（R2008）测量柑橘整果弹性模量[8]。该标准适用于测定凸形食品质地的力学特性，静态载荷下食品的抵抗力以衡量其机械损伤，以及水果、蔬菜、种子和粮食等凸形食品材料的准静态下的载荷-变形行为。利用该试验标准用式（2）可计算出食品的表观弹性模量。用TMS-Pro质构仪测得柑橘的载荷-变形曲线（图1），该曲线存在明显破裂极限点，但无明显生物屈服点，其中PI为曲线拐点，以拐点处的载荷FPI和变形DPI计算试样的弹性模量。

Ea=■[KU（■+■）1/3+KL（■+■）1/3]3/2  （2）

式中，Ea表示弹性模量，单位为MPa;FR表示载荷，单位为N;D为位移，单位为mm;ν表示泊松比，整果泊松比为0.43;RUmax和RUmin表示试样凸面与上平板接触点的最大和最小曲率半径;RLmax和RLmin表示试样凸面与下平板接触点的最大和最小曲率半径;KU和KL由上、下两平板与试样凸面接触点的曲率半径确定的常数;Rmax和Rmin表示试样凸面与压缩仪器接触点的最大和最小曲率半径。KU和KL的值经式（3）计算出cosθ后，由表1中数据线性插值确定。

cosθ=（■-■）/（■+■）  （3）

1.3.4  破坏极限力  由图2可知，在柑橘整果的载荷-变形曲线中无明显生物屈服点，但有反映柑橘整果受压缩载荷而破裂的极限峰值点R，将此点定义为柑橘整果的破坏极限，测量统计其力的大小，命名为破坏极限力FRmax，单位为N。计算指标时取同一批次柑橘的10个样本的平均值。

1.3.5  总破坏变性能  由图2可知，总变形破坏能为柑橘整果的载荷-变形曲线中破坏极限点R对应的变形XR、变形曲线与X轴围成的面积。计算之前采用MATLAB中的Curve Fitting Tool对变形曲线进行不完全4次多项式拟合，选用Levenberg-Marquardt算法，控制拟合系数大于0.99，其曲线拟合表达式如下。

ER=■FRmaxdx=■（p1x4+p2x3+p3x2+p4x）dx  （4）

式中，ER为总变形破坏能，单位为N·mm;xR为破坏极限点R对应的变形，单位为mm;FRmax为破坏极限力，单位为N;p1、p2、p3、p4为拟合系数。

计算指标时取同一批次柑橘的10个样本的平均值。

2  结果与分析

2.1  质量

图3为柑橘在贮藏时间内质量损失变化情况。由图3可知，柑橘试样的质量随贮藏时间的增长而逐渐下降，质量损失量ΔMk逐渐增大;表2方差分析结果表明，贮藏时间对柑橘质量损失有极显著影响（P<0.01）;由LSR多重比较结果表明，不同贮藏时间之间柑橘的质量损失量有明显差异，而且随贮藏时间增长而明显增加（P<0.05）。

2.2  硬度

图4为贮藏期内柑橘的硬度变化情况。由图4可知，柑橘试样的硬度随贮藏时间的增长而逐渐下降。表2方差分析结果表明，贮藏时间对柑橘的硬度有极显著影响（P<0.01）;由LSR多重比较结果表明，贮藏7 d和贮藏10 d的结果无明显差异（P>0.05），与其他贮藏时间的柑橘硬度有明显差异（P<0.05）。

2.3  弹性模量

图5为柑橘贮藏期内弹性模量变化情况。由图5可知，柑橘试样的弹性模量随贮藏时间的增长呈先上升后下降的趋势;表2方差分析结果表明，贮藏时间对柑橘的弹性模量有极显著影响（P<0.01）;LSR多重比较结果表明，贮藏4 d与1 d相比弹性模量无明显差异（P>0.05），而贮藏7 d的结果与前两者相比弹性模量明显上升，之后逐渐下降，贮藏10 d与1 d无明显差异（P>0.05），贮藏14 d后弹性模量明显比贮藏1 d时低（P<0.05）。

2.4  破坏极限力

图6为柑橘贮藏期内破坏极限变化情况。由图6可知，柑橘试样的破坏极限力FRmax随贮藏时间的增长呈先上升后逐渐下降的趋势;表2方差分析结果表明，贮藏时间对柑橘的破坏极限力不显著;LSR多重比较结果表明，贮藏4 d的破坏极限力与1 d相比无明显差异（P>0.05），而贮藏7 d的破坏极限力与前两者相比明显上升，之后逐渐下降，贮藏10 d后的破坏极限力与1 d相比无明显差异（P>0.05），但比贮藏1 d时低。

统计压缩试验中到达果实破坏极限力FRmax的频数分布如图7所示，破裂位移DRmax频数分布如图8。该批柑橘试样主要在受50～150 N发生破坏，占样本总数的82%，绝大多数在压缩20～30 mm时会发生破裂，占样本总数的92%。

2.5  总变形破坏能

图9为柑橘在贮藏期内总变形破坏能变化情况。由图9可知，柑橘试样的总变形破坏能随贮藏时间的增长呈先上升后逐渐下降的趋势;表2方差分析结果表明，贮藏时间对柑橘的破坏极限能影响不显著（P<0.01）;LSR多重比较结果表明，贮藏4 d的总变形破坏能与1 d相比无明显差异（P>0.05），而贮藏7 d的总变形破坏能与前两者相比明显上升（P<0.05），之后逐渐下降，贮藏10 d后的总变形破坏能与1 d相比无明显差异（P>0.05），但比贮藏1 d时低。

2.6  相关性分析

采用Pearson相关系数rp表征两变量之间的相关程度，rp∈[-1，1]，rp趋向于-1为负相关，趋向于+1为正相关，绝对值越大，显著性概率P越小，相关程度越高，当0.01

3  小结与讨论

宽皮柑橘在贮藏过程中会不断失水，果实的质量损失逐渐增大，硬度逐渐降低，参考其他理论研究，其贮藏过程分为两个阶段，第一阶段为贮藏0～7 d，此时柑橘果实由于呼吸作用和蒸腾作用不断失水，由于果皮最先失水皱缩，导致柑橘整体变硬，力学特性有所上升。在试验中，柑橘的弹性模量、破坏极限力、总破坏变形能在0～7 d出现上升，与理论相符;第二阶段为贮藏7 d之后，此时由于柑橘果肉营养物质开始消耗，柑橘内部组织变软，导致柑橘整体变软，力学特性下降。在试验中，柑橘的弹性模量、破坏极限力、总破坏变形能在贮藏7 d后下降，与理论相符。

研究对宽皮柑橘进行了贮藏期间的力学特性变化分析和相关性分析，随着贮藏时间的延长，柑橘的质量损失逐渐增加，硬度呈减小趋势，弹性模量、破坏极限和总变形破坏能均先增大后减小，在贮藏7 d时达到最大值，与前人的研究结果相似，部分力学特性表现出较大相关性。此研究可为柑橘贮藏的机械损伤及减损研究提供有益的参考依据。

参考文献：

[1] BERK Z. Citrus fruit processing[M].Amsterdam：Academic press，2016.

[2] LADANIYA M. Citrus fruit：Biology，technology and evaluation/Milind Ladaniya[M].London：Academic，2008.

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[5] 王丽霞，钟海雁，赵红梅，等.天草果实壳聚糖涂膜保鲜贮藏效果的研究[J].食品科学，2006，27（12）：757-760.

[6] 王日葵，邵蒲芬，周  炼，等.涂蜡对柑橘生理变化及商品性的影响[J].保鲜与加工，2005，5（2）：21-22.

[7] 周春华，胡西琴.温度预处理对柑橘果实活性氧代谢相关酶的影响[J].果树学报，2001，18（5）：267-271.

[8] ASAE S368.4 DEC2000 （R2008），Compression test of food materials of convex shape[S].