白蘿卜常規力學特性試驗

!呂俊龍 楊 薇 郭 徽（昆明理工大學現代農業工程學院，云南省 昆明 650500）

白蘿卜作為根菜類蔬菜，儲藏量大、營養價值高，是中國的主要蔬菜之一［1］。現代醫學研究［2］證實，白蘿卜有促進消化、降低血脂、軟化血管等眾多功效，所以白蘿卜及其提取物，在調節冬春蔬菜供應上有著重要的作用。在云南，白蘿卜產業的發展促進了其蔬菜產業化的開發及農民的增收；但是其生產效率低、衛生條件差；這使得云南的白蘿卜很少進入國內外的終端市場［3］。在國外，蘿卜的生產加工已有很大發展，主要是腌漬干蘿卜、蘿卜絲等加工［4］。

目前，國內外對農業物料力學特性的研究逐漸增多，如Martin、Bajema、雷得天、徐樹等［5－8］均對馬鈴薯進行了力學特性的相關研究，建立了力—變形關系曲線，計算出了其破損應力、彈性模量等力學指標，并分析了影響其力學特性指標的各種因素；王榮等［9］對葡萄和番茄的力學特性進行了試驗研究，對整體葡萄和番茄的力—位移、剛度與變形的關系進行了試驗測定與分析；張洪霞等［10］通過對蘿卜的力學性質的試驗研究，獲得其常規的力學參數，為其加工處理提供必要的理論依據。

國內外針對白蘿卜加工的研究進展緩慢，相關文獻［10］較少且所考察的因素不夠全面。本研究擬以加載部位、方向、速度和含水率為影響因素進行試驗，以彈性模量為試驗指標，分析各因素對白蘿卜常規力學特性的影響，為白蘿卜的采收分級、運輸儲藏、質量檢測和實際生產加工提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗材料

白蘿卜：品種為春白玉，購于云南市場。選取大小基本一致，無病蟲害的新鮮白蘿卜進行試驗。

1.1.2 主要儀器設備

電熱鼓風干燥箱：101－2型，上海試驗儀器廠有限公司；

電子式拉力試驗機：WDS－2C型，濟南思達測試技術有限公司；

電子分析天平：BL310型，精度0.001g，德國賽多利斯集團；

游標卡尺：量程0～150mm，精度0.02mm，成都成量工具有限公司。

1.2 試驗方法

白蘿卜樣品初始濕基含水率按照中國GB 5009.3—2010《食品安全國家標準 食品中水分的測定》標準進行測定，其范圍為93.90～96.34g/100g，平均值為95.12g/100g。每組試驗取6個樣品，結果取平均值。

白蘿卜力學特性試驗采用單因素試驗［11］：① 在其它參數固定的情況下對加載部位（上部、中部、下部）進行試驗，并對其結果進行分析，找出最具代表性的部位作為下次試驗的樣品；② 加載方向的試驗，方法同上，依此類推。試驗樣品的尺寸為40mm×40mm×40mm，每個樣品試驗后可在電子式拉力試驗機的顯示屏上觀察到試樣的力—變形曲線，見圖1。

圖1 白蘿卜壓縮的力—變形曲線Figure 1 The compressional force－deformation curve of white radish

由圖1可知，圖中ab段表示力值隨變形量的增大而增大，在變形達到b點時，力值達到最大，即峰值或破裂力Fmax的值，b點對應下的變形量即是達到破裂力時對應的變形量ΔL，此時可觀察到試樣有一道明顯的裂縫和出水現象，說明白蘿卜已經破損；此后設備仍對白蘿卜進行壓縮，力值隨著變形量的增大而減小，這一點可以從圖1中bc段看出；cd段則表明壓縮到c點時，試樣已被破壞，設備便停止繼續壓縮開始自動返回，這一返回的過程，力急劇變小直到為零，而變形量則為c點所對應的變形量。

彈性模量按式（1）計算：

式中：

E——彈性模量，MPa；

σ——應力，MPa；

ε——應變；

Fmax——試樣受到的破裂力，N；

A——試樣受力面積，mm2；

L——試樣初始長度，mm；

ΔL——試樣破裂時對應的變形量，mm。

2 結果與分析

白蘿卜的力學特性試驗條件如未特殊注明，試驗樣品的含水率均是初始濕基含水率（95.12g/100g），加載速度均為10mm/min，加載方向均為軸向。

2.1 加載部位對白蘿卜彈性模量的影響

圖2 白蘿卜不同部位的彈性模量Figure 2 The elastic modulus in different parts of white radish

由圖2可知，白蘿卜中部的平均彈性模量為2.16MPa，上部為2.11MPa，下部為2.07MPa；說明白蘿卜不同部位的力學性能存在差異，其中部的抗壓能力較強，下部較弱，故后續試驗均采用白蘿卜的中部作為樣品。

2.2 加載方向對白蘿卜彈性模量的影響

由圖3可知，白蘿卜軸向壓縮時彈性模量為2.19MPa，徑向彈性模量為1.98MPa，差異較明顯；這與張洪霞等［10］研究所得的蘿卜不同方向存在差異的結果是一致的；由此可以得出，白蘿卜是各向異性的，且白蘿卜軸向抗壓能力比徑向抗壓能力強，故后面均按軸向施力的加載方式進行試驗。

圖3 白蘿卜在不同加載方向的彈性模量Figure 3 The elastic modulus in different loading directions of white radish

2.3 加載速度對白蘿卜應力、彈性模量的影響

由表1可知，加載速度的改變會對應力、彈性模量等力學性質產生影響，但其影響沒有加載方向對力學性質的影響大。由表2可知，在α為0.05的情況下，F＝0.715＜Fcrit＝2.759，說明加載速度對彈性模量的影響不顯著。

表1 白蘿卜在不同加載速度的應力、彈性模量Table 1 The stress，elastic modulus in different loading speeds of white radish

表2 加載速度對彈性模量的方差分析Table 2 The ANOVA of loading speeds to the elastic modulus

2.4 不同含水率下白蘿卜的應力、彈性模量

由表3可知，含水率的變化會對白蘿卜的力學性質產生影響。由圖4可知，彈性模量、應力值隨含水率的降低呈線性增大，這與前人［12，13］得出的一些農業物料彈性模量隨著含水率降低而增大的結果一致。究其原因，隨著含水率降低，白蘿卜逐漸變干、變硬甚至脆化，使干物質變得更加緊湊堅固，其抗壓能力變得越來越強，彈性模量也越來越大。由表4可知，含水率與應力、彈性模量呈明顯的線性關系。

表3 白蘿卜在不同含水率下的應力、彈性模量Table 3 The stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

圖4 白蘿卜應力、彈性模量隨濕基含水率的擬合曲線Figure 4 The fitting curves of elastic modulus and stress of white radish with moisture content on wet basis

表4 白蘿卜不同含水率下應力、彈性模量的回歸方程Table 4 The regression equation of stress，elastic modulus in different moisture content of white radish

3 結論

（1）白蘿卜中部的彈性模量最大，即其抗壓能力最強，上部次之，下部最弱；白蘿卜是各向異性的，且軸向抗壓能力比徑向抗壓能力強。

（2）含水率與彈性模量、應力呈明顯的線性關系，均隨著含水率的減小而增大。

（3）白蘿卜在分級裝箱、運輸及儲藏過程中建議豎著裝箱，避免其徑向受力。

1 朱信陽，李軍民.白蘿卜的開發價值及其栽培技術［J］.中國果菜，2010（3）：28～29.

2 尹顯鋒，劉丹.淺談白蘿卜的開發利用現狀［J］.中國果菜，2011（26）：139～142.

3 長戈.云南蘿卜產業的崛起與前瞻［J］.致富天地，2006（4）：43.

4 王春麗，張貴生.蘿卜的研究價值及開發應用前景［J］.長江蔬菜，2011（10）：57～59.

5 Martin G，Alison E.Fracture strengths of potato tissue under compression and tension at two rates of loading［J］.Food Research International，1995，28（4）：397～402.

6 Bajema R W，Hyde G M，Baritelle A L.Turgur and temperature effects on dynamic failure properties of potato tuber tissue［J］.Transactions of the ASAE，1998，41（3）：741～746.

7 雷得天，馬小愚.馬鈴薯組織破壞時的力學性能及其流變學模型［J］.農機機械學報，1991（2）：63～67.

8 徐樹來，魏曉東，劉磊，等.固體農業物料力學特性的研究［J］.黑龍江八一農墾大學學報，1998，10（3）：40～44.

9 王榮，焦群英，魏德強，等.葡萄與番茄宏觀力學特性參數的確定［J］.農機工程學報，2004，20（2）：54～57.

10 張洪霞，許昌龍，曾明.蘿卜的常規力學性質的試驗研究［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2003，15（2）：79～81.

11 潘麗軍，陳錦權.試驗設計與數據處理［M］.南京：東南大學出版社，2007.

12 李季成，權龍哲，羅立娜.稻米含水率對其彈性模量的影響［J］.東北農業大學學報，2008，39（4）：1～4.

13 吳明清，郭文松，李傳峰.紅棗含水率對其彈性模量的影響分析［J］.塔里木大學學報，2013，25（3）：14～17.