基于减振包装设计的苹果贮运性能研究

王仕栋 孙建明 刘 辉 李 昭 王甜甜 申子旺 栗 倩

河南科技大学 包装工程系 河南 洛阳 471000

虽然我国是世界上水果种类最多的国家之一，也是水果产量第一大国[1]，但是水果采后处理技术的应用滞后，流通过程中水果损耗率超过20%[2]。采后处理是果品规模化、产业化、商品化生产的重要工序。目前，研究人员主要通过模拟运输试验和跌落试验分析水果采后的物流损伤，为包装设计提供依据。研究结果表明，挤压、跌撞以及磨损等会造成水果机械损伤，机械损伤会加快水果软化，使其品质下降[3-4]。

苹果是蔷薇科苹果亚科苹果属植物。中国统计年报数据显示，2021年我国苹果产量约为4597.34万t。目前，苹果包装主要采用泡沫塑料制品或瓦楞纸箱，前者虽具有一定的缓冲效果，但极不环保且不易回收；后者虽价格低廉、绿色环保，但防护效果较弱。本研究基于瓦楞纸板设计苹果减振包装，并分析其贮运性能。

1 苹果减振包装设计

苹果产地与消费地分布不均，因此苹果运输方式主要为长途运输。运输中引起苹果损伤的主要形式及解决办法见表1。

表1 引起苹果损伤主要形式及解决办法Table 1 Main forms of apple damage and solutions

本研究针对运输过程中的振动及跌落情况设计了3种减振结构包装，并用苹果理化指标对包装保护效果进行评价。不同减振结构的示意图如图1所示，相应的截面示意图如图2所示。

图1 苹果减振包装Fig. 1 Vibration reduction packaging for apples

图2 苹果减振包装截面示意图Fig. 2 Section map vibration reduction packaging for apples

2 仿真分析

苹果减振包装的主材料为瓦楞纸板。根据纸板自身的特性和苹果减振包装的结构设计，采用ABAQUS有限元分析软件进行跌落仿真试验。

2.1 参数设置

瓦楞纸板具有特殊的波纹结构，因而包装物品时具有良好的保护效果。但在ABAQUS有限元分析软件中无瓦楞纸板相关结构模型，故需进行模型等效建模，横向对比结构性能。包装单元各部分材料属性[6-7]定义见表2。

表2 包装单元各部分材料属性Table 2 Material properties of each part in a packaging unit

2.2 有限元模型建立

减振包装中起保护作用的主要结构是底部，故将包装简化为底部单元。跌落高度设为0.8 m。在SOLIDWORKS 2018中建立单元件等效模型，并导入ABAQUS有限元分析软件中。苹果、减振单元件及刚性地面均采用自由网格划分，单元形式采用C3D4。根据冲击内能第一次峰值，分析步时间设为0.004 s，苹果、模型及地面接触位均添加表面-表面接触，以防作业中出现穿透现象，固定地面所有自由度，将地面与空间坐标原点进行绑定。法向接触为硬接触，约束地面为刚体，全模型施加g=9.8 m/s2的重力场。根据公式，可得包装件落地速度为3.96 m/s。

2.3 仿真结果分析

底部结构面跌落应力图如图3所示。由图3可以看出，设计1的应力主要集中在衬垫中部，最大应力集中在圆切口宽度最窄位置，为106.6 MPa；设计2的应力主要集中在减振襟片与苹果接触处、襟片与三角结构连接处，最大应力为160.6 MPa；设计3的应力主要分布在底部折叠衬垫部分，且最大应力为148.4 MPa。

图3 底部结构面跌落应力图Fig. 3 Drop stress diagram of bottom structural plane

彩图

3 模拟试验

3.1 材料与仪器

红富士苹果，产自洛宁县，购自水果超市，果实无机械损伤，大小和成熟度基本一致；微瓦楞纸板购自东莞市厚街智盈纸箱厂。

电子天平，FA1004型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；数显果实硬度计，GY-4型，浙江托普云农科技股份有限公司；数显折光仪，LH-B55型，杭州陆恒生物科技有限公司；恒温恒湿箱，HD-100型，东莞市海达仪器有限公司；纸箱纸盒切割打样机，DCZ50型，东莞市奥科电脑切割设备有限公司；振动试验台，LD-50ATPP型，广州市番禺凡正电磁振动机厂。

3.2 试验方法

使用微瓦楞纸板对3种设计进行打样，制作模型。对照组包装仅为在底部放置微瓦楞纸板，不做其他结构性支撑。参考GB/T 4857.5—1992《包装运输包装件跌落试验方法》，跌落高度取0.8 m。跌落台示意图如图4所示。

图4 跌落台示意图Fig. 4 Schematic of drop test apparatus

根据GB/T 4857.23—2012《包装运输包装件基本试验 第23部分：随机振动试验方法》，钢簧减震卡车公路运输的振动强度分为3种严酷水平。本试验考虑极端情况，采用严酷水平Ⅰ。为缩短振动时间，将加速度均方根值扩大倍，振动时间缩短为原来的1/5，即模拟运输振动时间为120 min[8]。振动台示意图如图5所示。

图5 振动台示意图Fig. 5 Schematic of vibration test apparatus

3.3 指标测定与分析方法

苹果的质量、硬度、可溶性固形物（total soluble solids，TSS）含量分别采用电子天平、数显果实硬度计、数显折光仪进行检测。模拟试验完成后，所有包装物品置于室温25 ℃、相对湿度50%的条件下贮藏，测定相关数据。每个样品平行测试3次，取均值并计算标准偏差。使用SPSS（statistical product and service solutions）软件进行显著性分析，用Origin 2018进行绘图。

3.4 结果分析

3.4.1 不同减振设计对苹果失重率的影响

经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，不同减振设计对苹果失重率的影响如图6所示。

图6 不同工况下减振设计对苹果失重率的影响Fig. 6 Influence of vibration reduction design on weight loss rate of apple under different working conditions

由图6可知，经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，随着贮藏时间的增加，各组苹果的失重率均呈增势。在贮藏3 d时，对照组质量下降较快，可能是损伤部位受到外界污染而导致果肉腐烂变质，大量消耗果肉内的营养物质，同时由于机械振动加大了果实的呼吸作用，加速了果实质量的下降[9]。贮藏后期（第6天），设计1与其他组在失重率方面出现极显著差异（P＜0.01）。

3.4.2 不同减振设计对苹果硬度损失率的影响

本研究对经过跌落或严酷水平Ⅰ后，苹果胴端、萼端的硬度损失率进行分析。不同减振设计对苹果胴端、萼端的硬度损失率的影响如图7所示。

图7 不同工况下减振设计对苹果硬度损失率的影响Fig. 7 Influence of vibration reduction design on the hardness loss rate of apple under different working conditions

由图7可知，经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，随着贮藏时间的增加，苹果各部位的硬度损失率逐渐增大。前期受到外界瞬时激励，导致苹果硬度迅速下降。有学者认为外界机械胁迫引起的细胞壁水解酶活性变化是导致果品软化的重要原因[10]。后期包装的缓冲性能减缓了苹果的成熟速率。贮藏6 d时，设计1较其他组的胴端、萼端的硬度损失率均呈极显著差异（P＜0.01）。

3.4.3 不同减振设计对可溶性固形物含量的影响

TSS含量是衡量果蔬成熟度和营养物质含量的重要指标。经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，苹果的TSS含量变化如图8所示。

图8 不同工况下减振设计对苹果TSS含量的影响Fig. 8 Effect of vibration reduction design on TSS content of apple under different working conditions

由图8可知，经过跌落后，从贮藏第4天开始，由减振设计1包装的苹果TSS含量仍保持上升趋势，而其他组的均开始下降；经过运输振动后，除对照组外，其他组的苹果TSS含量均呈上升趋势，造成这种情况的原因是底部托盘的缓冲极大降低了外界冲击对果实的影响，延缓了果实成熟。贮藏第6天，采用设计1包装的苹果TSS含量与其他组呈显著性差异（P＜0.05）。

综上，在模拟物流环境中设计1对苹果具有良好的保护效果，可有效降低苹果在物流环节中的失重率、硬度损失率并可有效延缓苹果成熟。因此，本研究对设计1进行优化。

4 优化后减振包装对苹果品质的影响

4.1 材料与仪器

A瓦楞纸板，购自东莞市厚街智盈纸箱厂。

高速冷冻离心机，TGL-16型，四川蜀科仪器有限公司；紫外可见分光光度计，UV759CRT型，上海佑科仪器仪表有限公司；其他仪器同3.1节。

4.2 指标测定

丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量、过氧化氢酶（peroxidase，POD）活性测量分别参照Zhang X.T.[11]、曹建康[12]等提出的方法。

4.3 优化设计

从两个方面对设计1进行优化：一是采用具有较好缓冲效果的A瓦楞纸板[13]作为包装材料；二是对底部托盘进行优化，以满足包装不同果径的要求，以及分散垂直跌落时苹果对缓冲叶片的作用力。底部托盘直接接触果品，对果品抵御外界激励起重要作用。在模拟流通试验时，发现个别苹果会出现跌落损伤，因为底部缓冲叶片不足以全方位保护苹果免受垂直冲击带来的损伤。因此，将底部支撑结构由原三角结构优化为三角全包结构，优化前后截面如图9所示。优化设计增加了底部缓冲衬垫的宽度，使苹果受到缓冲叶片加底部瓦楞纸板双重保护。

图9 优化前后底部托盘剖面示意图Fig. 9 Schematic diagram of bottom tray profile before and after optimization

4.4 仿真分析

A瓦楞纸板参数定义如下：泊松比为0.31，弹性模量为944.9 MPa，密度为180.0 kg/m3[14]，苹果和地面的参数、网格划分同第2章。跌落后优化设计的底部结构应力如图10所示。

图10 优化设计的底部结构应力图Fig. 10 Stress diagram for optimizing vibration reduction design of bottom structure

彩图

由图10可知，跌落后优化设计的底部托盘所受的最大应力为98.75 MPa，低于优化之前的设计。

4.5 模拟试验

4.5.1 优化设计对苹果失重率的影响

经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，不同减振包装对苹果失重率的影响如图11所示。设计1记为对照组1，仅用A瓦楞纸板进行优化的记为对照组2。

图11 不同工况下优化设计对苹果失重率的影响Fig. 11 Effects of optimal design on weight loss of apples under different working conditions

由图11可知，经过跌落或严酷水平Ⅰ之后，在整个贮藏期内，各组苹果失重率均呈上升趋势，由优化设计包装的苹果失重率均低于各对照组。贮藏前期（6 d之前），各组苹果失重率上升速率较高，且优化设计组与两对照组存在显著性差异（P＜0.05）。苹果失重率上升速率较高的主要原因是果品受到外界损伤后，呼吸作用明显增强，营养物质被大量消耗[15]。第15天，优化设计组的苹果失重率极显著低于各对照组（P＜0.01）。

4.5.2 不同工况下优化设计对苹果硬度损失率的影响

优化设计对苹果不同部位硬度损失率的影响如图12所示。由图12可知，各组苹果的硬度均呈下降趋势，由优化设计包装的苹果硬度损失率始终低于两对照组。贮藏前期（3 d内），各组苹果失重率快速上升，这主要是因为外界激励远远超过果品自身属性，导致其出现物理层面的硬度下降。贮藏第15天，优化设计组的苹果硬度损失率极显著低于其他各组（P＜0.01），说明优化包装可有效保持苹果硬度，延长苹果货架期。

图12 不同工况下优化设计对苹果硬度损失率的影响Fig. 12 Influences of optimal design on hardness loss rate of apples under different working conditions

4.5.3 不同工况下优化设计对苹果TSS含量的影响

不同工况下优化设计对苹果TSS含量的影响如图13所示。

图13 不同工况下优化设计对苹果TSS含量的影响Fig. 13 Effects of optimal design on TSS content of apples under different working conditions

由图13可知，随着贮藏时间的增加，TSS含量呈先上升后下降趋势。贮藏前期（3 d内），优化设计组的苹果TSS含量上升速率明显低于两对照组，这说明在振动情况下，优化设计组相比对照组能屏蔽部分外界激励，延长果品成熟期。两种工况下，在贮藏第15天时优化设计组的苹果TSS含量极显著高于对照组（P＜0.01）。这与程曦等[16]模拟赛买提杏运输试验得到的结论相类似。可见，优化减振包装可有效保护苹果，延长其成熟期。

4.5.4 不同工况下优化设计对苹果MDA含量的影响

MDA是常用的膜脂过氧化物指标，是自由基发生反应后的产物，不断堆积会导致果品自身机能的老化。不同工况下优化设计对苹果MDA含量的影响如图14所示。

图14 不同工况下优化设计对苹果MDA含量的影响Fig. 14 Effects of optimal design on MDA content in apples under different working conditions

由图14可知，随着贮藏时间增加，各组的MDA含量均呈上升趋势，且优化设计组的MDA含量始终低于对照组。MDA含量升高的主要原因是外界瞬时过载冲击导致苹果组织细胞膜发生膜脂过氧化作用。这与李逸等[17]研究水蜜桃保鲜所得结论类似。贮藏第15 天，优化设计组的MDA含量极显著低于对照组（P＜0.01）。

4.5.5 不同工况下优化设计对苹果POD活性的影响

在跌落及振动情况下苹果POD活性变化如图15所示。由图15可知，各组苹果POD活性随着贮藏时间的增加而减少。在贮藏期间，优化设计组POD活性均大于两对照组，贮藏前3 d，POD活性出现了大幅度的下降，其原因主要是物流过程中，苹果受到过量外界激励，直接导致细胞膜破裂。贮藏第15天，优化设计组POD活性极显著高于两对照组（P＜0.01），说明优化设计可减少外界激励对苹果的影响，将POD活性维持在较高水平，以更好地催化分解苹果内的过氧化物，这与易建华等[18]研究苹果褐变所得结论类似。

图15 不同工况下优化设计对苹果POD活性的影响Fig. 15 Influences of optimal design on apple POD activity under different working conditions

从苹果各理化指标的测定结果可知，具有双层保护的优化减振包装较其他包装，其减振保护效果更好，可有效延长苹果货架期。本设计具有一定的应用价值。

5 结论

本研究根据苹果的实际物流情况设计了3种减振包装，以微瓦楞纸板作为材料，通过有限元仿真分析及苹果理化指标测定，发现3种设计相比传统纸箱具有较好的减振效果，且设计1对苹果的保护效果更好。针对设计1底部防护不足的情况，从两个方面进行优化，采用绿色环保、低成本的瓦楞纸板，设计具有双层结构的减振包装。通过有限元仿真分析及跌落振动试验，发现相较于设计1，优化设计在0.8 m跌落情况下所受应力减小了7.36%，其失重率、硬度损失率、MDA含量均处于较低水平，同时苹果成熟期延后，货架期更长。本研究所设计的包装采用一纸成型结构，大大降低了制造成本，可进一步推广到其他类似形状的果品包装中。