水果加工分拣技术与损伤研究的现状与展望

蔡静，周昕，周锦云，张俊*

(浙江省农业科学院 a食品科学研究所农业部果品采后处理重点实验室 浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室，b畜牧兽医研究所，浙江 杭州 310021)

我国是水果生产大国，果品种类繁多、产量高，是仅次于粮食、蔬菜的第三类经济种植产品[1]。水果在采摘后进入市场前需经过一系列加工工序，包括分级分拣、包装、运输、贮藏、加工等，其中分拣处理可使产品规格一致，便于包装、贮运、加工和销售，是采后处理重要的一环[2-3]。

目前采用各类传感器、视觉、图像识别技术的分级设备可以根据水果的重量、果径、酸甜度、表面损伤、内部品质等方面进行自动分级，但是在分拣过程中，由于机械造成的水果损伤还是较为严重，有些甚至达到了水果总损耗量的30%以上，发展低损、高效的水果加工分拣技术是现代化水果采后加工产业发展的关键之一[4]。

1 水果分拣设备

水果分拣设备从机械结构角度可分为滚筒式、轧辊式、杠杆式和机械臂式等，能根据不同品种水果特性进行针对性分拣处理。

1.1 滚筒式

滚筒式分拣设备主要用于水果果径分拣，这类设备结构简单，由多个连续排列的滚筒组成，每个滚筒上设有等直径的圆孔，且从输入端到输出端，圆孔直径按照从小到大的顺序有序排列(图1)。工作过程中，水果在滚筒上运动时通过其与滚筒表面的摩擦力不断前进，水果在经过滚筒表面圆孔时，按照从小到大规格掉落到孔内，完成分拣作业需求。此类设备机械机构简单、制造成本较低、分拣效率较高。但是如果水果形状差异较大，分拣结果会存在很大偏差，影响分拣效果；由于水果在流水线上不断运动、部分水果由于规格过大或不规则，一直不能进入筛孔，水果在运动过程中振动、碰撞、挤压，容易造成水果机械损伤，影响水果外观品质。目前滚筒式分拣设备主要应用于橘类水果的分拣。

图1 滚筒式分拣设备

1.2 轧辊式

轧辊式分拣设备也是用于不同果径水果分拣，这类设备是在一条输送线上设置多个轧辊，轧辊从水果输入端匀速向输出端运动并自转，轧辊间距在水果前进过程中逐渐增大，水果从小到大逐渐掉落至下方对应分拣轨道中，分拣轨道末端放置收纳箱(图2)。在分拣过程中，轧辊转动对水果产生的摩擦，易造成水果表皮组织挤压损伤；当水果掉落到分拣轨道时，水果会受到一定的冲击损伤，影响水果品质。

图2 轧辊式分拣设备

1.3 杠杆式

称重式水果分拣装置基于杠杆原理，早期设备在杠杆两端分别设置托盘和平衡砝码，托盘与杠杆铰接，平衡砝码底部支撑确保杠杆处于水平位置，若重量满足条件，杠杆失去平衡发生倾斜，完成分拣卸料工序(图3)。目前称重分拣都采用传感器采集水果重量信息，由控制系统发出控制指令，由执行机构分拣。分拣时发生倾斜，向输送线的一侧倒出托盘中的待分拣水果，水果瞬时下落有一定高度和瞬时速度，可能会对水果造成冲击损伤，这种设备主要用于橙、柚子等外表不容易受到损伤的水果。

图3 基于杠杆原理的称重分拣设备

1.4 机械臂式

机械臂式分拣技术是结合视觉、控制、计算机、机械等学科的交叉技术，具有速度快、效率高、效果好等特点，此类技术已经广泛应用于各个领域中[5]。机械臂末端执行机构配合视觉对水果实现定位，通过抓取或吸附动作对水果进行分拣作业(图4)。末端执行机构可能会对水果造成摩擦损伤，外表皮破损，品质受到影响；如末端执行器夹取不稳，会造成果实掉落，发生冲击损伤和振动损伤，这些损伤的水果若发生在分拣作业完成后，且没有及时剔除，很容易引起水果质变[6-8]。

图4 机械臂分拣水果

2 水果损伤研究

2.1 损伤分类及原因

水果果皮对内部果肉起保护作用，由外果皮、中果皮和内果皮组成，不同种类的水果果皮组织结构和厚度不同[9]。水果在分拣过程中受到的损伤主要是机械损伤，这类损伤分为静载损伤、冲击损伤、振动损伤等。静载损伤是指水果处于相对静止状态时，受到上层重物压力或相互挤压而产生的伤害，损伤主要发生在水果相互接触区域；冲击损伤大多由于惯性作用，当作用在水果上的冲击力超过自身承受载荷强度而产生冲击损伤，在分拣过程中抓取和放置水果时常产生冲击损伤；振动损伤是水果在输送过程中长时间反复作用的循环振动而形成的损伤。

2.2 水果损伤研究现状

水果鲜食口感细腻、营养丰富、汁水充足，是人们较为喜欢的食用方式，但水果鲜果表皮柔软、易损伤，损伤后会影响品质，甚至导致腐烂，直接造成经济损失。

载荷与损伤:Jarimopas等[10-11]对苹果在运输和装卸过程中的损伤进行了研究，指出苹果损伤来自外界冲击、载荷以及外界振动，苹果局部损伤部位与载荷呈现线性关系，载荷作用于不同位置苹果损伤程度存在差异；Accan等[11]通过推算得到静载荷作用下苹果的力学模型，发现苹果承受的载荷作用受到静载荷作用时间和苹果表面硬度的影响。在实际生产加工过程中，水果由于易损性、脆性强等问题，该方法仅适用于实验室基础研究，无法在生产加工实际中应用。

速度与损伤:很多学者通过冲击和自由落体等试验方法对水果损伤建立拟合模型和曲线。Wang等[12-13]对水果不同表面的损伤面积与速度、加速度曲线之间建立了模型，验证了水果损伤程度取决于掉落高度。这些研究对单体试验依赖性较大，很难实现较多数量的水果进行同时试验。

冲击与损伤:XU等[14-17]针对水果冲击载荷损伤进行了研究，得到了果品多次冲击损伤阈值，研究发现，冲击载荷、冲击次数对损伤影响较大，若增加撞击次数可能会对水果造成更大的伤害，当冲击次数较少时，水果损伤程度可能很小甚至不会发生损伤。

振动与损伤:李萍[18]建立了黄花梨振动损伤模型，对黄花梨品质和振动时间建立关系模型，同时得出了损伤评价计算公式。胡洋[19]对皇冠梨进行了随机振动试验，发现堆积存放的多层皇冠梨损伤随着时间变化呈现增大趋势。周然[20]通过研究发现黄花梨在运输过程中易发生摩擦而产生机械损伤，通过纸袋包装降低外力对黄花梨的作用，可降低损伤程度。

损伤与力学:刘琳等[21]针对贮藏期的宽皮柑橘的机械损伤力学特性进行了试验研究，将贮藏过程分为2个阶段，柑橘力学特性随着时间延长，表皮硬度逐渐减小，弹性模量、破坏极限、总变形破坏能先增大后减小，在7 d时达到最大。该研究对柑橘进行了破坏性试验，对加工水果的损伤研究仅具有参考意义。

碰撞与损伤:部分学者[22-24]针对库尔勒香梨果肉组织特性、黏弹性和碰撞损伤进行了深入研究，通过对比不同包装材料下香梨的冲击性能损耗，发现不同包装材料必须限制冲击性能在某特定数值下，才能避免香梨发生碰撞损伤。该研究主要针对包装、运输和分级作业，由于香梨表皮脆嫩，对包装材料要求较高，不适用于大多数水果。

3 小结

水果在分拣作业时果皮易造成机械损伤，会造成较大经济损失。针对不同品种的水果分拣需要对其进行针对性的损伤分析，根据物理特性研究其损伤机理，优化分拣作业以适应生产加工实际需求。由于水果种类繁多、差异性较大，需要有针对性研究，根据水果自身所能承受的极限载荷，实时监测水果的载荷，降低水果分拣加工时的损伤率，减少损耗，提高经济效益。