基于機(jī)械損傷的寬皮柑橘貯藏期間力學(xué)特性研究

劉琳　陳紅　李磊　彭帥　劉藝璇

摘要：對(duì)寬皮柑橘（Citrus reticulata）貯藏期間力學(xué)特性變化進(jìn)行了研究，定期對(duì)柑橘進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并測(cè)定貯藏期間柑橘果實(shí)的質(zhì)量、硬度、彈性模量、破壞極限力和總變形破壞能。結(jié)果表明，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，柑橘果實(shí)的質(zhì)量損失逐漸增大;硬度呈減小趨勢(shì)，但貯藏7 d與貯藏10 d差異不顯著;彈性模量、破壞極限力和總變形破壞能均先增大后減小，在貯藏7 d時(shí)達(dá)到最大值，貯藏1 d與貯藏4 d差異均不顯著，貯藏10 d與貯藏1 d均有顯著差異。各力學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析表明，貯藏時(shí)間與質(zhì)量損失呈高度正相關(guān)，與果實(shí)硬度和彈性模量呈高度負(fù)相關(guān)，與破壞極限力和總變形破壞能不相關(guān)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械損傷;寬皮柑橘（Citrus reticulata）;短期貯藏;力學(xué)特性;相關(guān)性分析

中圖分類號(hào)：S666? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）15-0124-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.029? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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、柔軟多汁、營(yíng)養(yǎng)豐富，是人們普遍喜愛的水果。但由于柑橘果皮柔軟易裂，表皮細(xì)胞易擦傷，在貯藏過程中較易受到損傷，從而誘使病原體入侵，造成腐爛損失[1-3]。而柑橘本身的力學(xué)特性是柑橘是否受到機(jī)械損傷的重要因素之一，因此，研究柑橘在貯藏過程中的力學(xué)特性，能為柑橘采后貯藏中的機(jī)械損傷及減損研究提供一定的理論參考。

目前對(duì)柑橘貯藏研究較多的是不同的前處理（保鮮劑[4]、涂膜[5]、果蠟[6]等）或不同的貯藏環(huán)境（主要為溫度[7]）對(duì)果實(shí)生理特性、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及相關(guān)酶活性等的影響，鮮見柑橘貯藏期的力學(xué)特性變化研究。主要研究了貯藏性能較差的寬皮柑橘（Citrus reticulata）在短期貯藏時(shí)間內(nèi)的力學(xué)特性變化，并分析了各個(gè)力學(xué)指標(biāo)之間的相關(guān)性，旨在為柑橘貯藏的機(jī)械損傷及減損研究提供有益的參考依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

試驗(yàn)選用的寬皮柑橘為2016年12月及2017年11—12月采自武漢市江夏區(qū)寧港柑橘總場(chǎng)的中熟溫州蜜橘（成熟期為11月中下旬）。果實(shí)完全成熟，表面呈橙黃色，無破損，相同試驗(yàn)批次成熟度一致，無病蟲害。

1.2? 儀器

CX-I2000電子秤，東莞市南城長(zhǎng)協(xié)電子制品廠;TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀，美國(guó)FTC公司;FHT-05果實(shí)硬度計(jì)，廣州蘭泰儀器有限公司。

1.3? 方法

由于寬皮柑橘（中晚熟系溫州蜜橘）采摘及上架期一般集中在11—12月，溫度亦集中室溫常壓（20±5 ℃，1.013×103 MPa）下，故將同一批次的柑橘分成5組，每組20個(gè)，分別避光貯藏1、4、7、10、14 d后進(jìn)行整果壓縮測(cè)試，測(cè)定其質(zhì)量、硬度、彈性模量、破壞極限力、總變形破壞能等力學(xué)特性指標(biāo)，各指標(biāo)測(cè)量方法如下，結(jié)果取平均值。

1.3.1? 質(zhì)量? 由于蒸騰作用和呼吸作用會(huì)導(dǎo)致果蔬內(nèi)部水分大量流失，導(dǎo)致整果質(zhì)量減少。每個(gè)柑橘的質(zhì)量不同，具有隨機(jī)性，為便于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，柑橘整果質(zhì)量隨貯藏時(shí)間的變化關(guān)系采用質(zhì)量損失量來衡量。

ΔMk=M0-Mk? ?（1）

式中，ΔMk為貯藏k d后柑橘整果質(zhì)量損失量，單位為g;Mk為貯藏k d后柑橘整果質(zhì)量，單位為g;M0為貯藏初始柑橘整果質(zhì)量，單位為g。

1.3.2? 硬度? 采用FHT-05果實(shí)硬度計(jì)測(cè)量柑橘整果的硬度。選用探頭直徑3.5 mm，探頭插入深度10 mm，測(cè)量范圍0.2～5.0 kgf/cm2，實(shí)測(cè)極限峰值6.5 kgf/cm2。采用抽樣方法，同一批次柑橘中隨機(jī)抽取3%～5%的柑橘進(jìn)行整果硬度測(cè)量，每個(gè)柑橘試樣沿赤道部均布插壓5～8次，計(jì)算平均值作為結(jié)果。

1.3.3? 彈性模量? 參考標(biāo)準(zhǔn)ASAE S368.4 DEC2000

（R2008）測(cè)量柑橘整果彈性模量[8]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于測(cè)定凸形食品質(zhì)地的力學(xué)特性，靜態(tài)載荷下食品的抵抗力以衡量其機(jī)械損傷，以及水果、蔬菜、種子和糧食等凸形食品材料的準(zhǔn)靜態(tài)下的載荷-變形行為。利用該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用式（2）可計(jì)算出食品的表觀彈性模量。用TMS-Pro質(zhì)構(gòu)儀測(cè)得柑橘的載荷-變形曲線（圖1），該曲線存在明顯破裂極限點(diǎn)，但無明顯生物屈服點(diǎn)，其中PI為曲線拐點(diǎn)，以拐點(diǎn)處的載荷FPI和變形DPI計(jì)算試樣的彈性模量。

Ea=■[KU（■+■）1/3+KL（■+■）1/3]3/2? （2）

式中，Ea表示彈性模量，單位為MPa;FR表示載荷，單位為N;D為位移，單位為mm;ν表示泊松比，整果泊松比為0.43;RUmax和RUmin表示試樣凸面與上平板接觸點(diǎn)的最大和最小曲率半徑;RLmax和RLmin表示試樣凸面與下平板接觸點(diǎn)的最大和最小曲率半徑;KU和KL由上、下兩平板與試樣凸面接觸點(diǎn)的曲率半徑確定的常數(shù);Rmax和Rmin表示試樣凸面與壓縮儀器接觸點(diǎn)的最大和最小曲率半徑。KU和KL的值經(jīng)式（3）計(jì)算出cosθ后，由表1中數(shù)據(jù)線性插值確定。

cosθ=（■-■）/（■+■）? （3）

1.3.4? 破壞極限力? 由圖2可知，在柑橘整果的載荷-變形曲線中無明顯生物屈服點(diǎn)，但有反映柑橘整果受壓縮載荷而破裂的極限峰值點(diǎn)R，將此點(diǎn)定義為柑橘整果的破壞極限，測(cè)量統(tǒng)計(jì)其力的大小，命名為破壞極限力FRmax，單位為N。計(jì)算指標(biāo)時(shí)取同一批次柑橘的10個(gè)樣本的平均值。

1.3.5? 總破壞變性能? 由圖2可知，總變形破壞能為柑橘整果的載荷-變形曲線中破壞極限點(diǎn)R對(duì)應(yīng)的變形XR、變形曲線與X軸圍成的面積。計(jì)算之前采用MATLAB中的Curve Fitting Tool對(duì)變形曲線進(jìn)行不完全4次多項(xiàng)式擬合，選用Levenberg-Marquardt算法，控制擬合系數(shù)大于0.99，其曲線擬合表達(dá)式如下。

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

式中，ER為總變形破壞能，單位為N·mm;xR為破壞極限點(diǎn)R對(duì)應(yīng)的變形，單位為mm;FRmax為破壞極限力，單位為N;p1、p2、p3、p4為擬合系數(shù)。

計(jì)算指標(biāo)時(shí)取同一批次柑橘的10個(gè)樣本的平均值。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 質(zhì)量

圖3為柑橘在貯藏時(shí)間內(nèi)質(zhì)量損失變化情況。由圖3可知，柑橘試樣的質(zhì)量隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降，質(zhì)量損失量ΔMk逐漸增大;表2方差分析結(jié)果表明，貯藏時(shí)間對(duì)柑橘質(zhì)量損失有極顯著影響（P<0.01）;由LSR多重比較結(jié)果表明，不同貯藏時(shí)間之間柑橘的質(zhì)量損失量有明顯差異，而且隨貯藏時(shí)間增長(zhǎng)而明顯增加（P<0.05）。

2.2? 硬度

圖4為貯藏期內(nèi)柑橘的硬度變化情況。由圖4可知，柑橘試樣的硬度隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸下降。表2方差分析結(jié)果表明，貯藏時(shí)間對(duì)柑橘的硬度有極顯著影響（P<0.01）;由LSR多重比較結(jié)果表明，貯藏7 d和貯藏10 d的結(jié)果無明顯差異（P>0.05），與其他貯藏時(shí)間的柑橘硬度有明顯差異（P<0.05）。

2.3? 彈性模量

圖5為柑橘貯藏期內(nèi)彈性模量變化情況。由圖5可知，柑橘試樣的彈性模量隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)呈先上升后下降的趨勢(shì);表2方差分析結(jié)果表明，貯藏時(shí)間對(duì)柑橘的彈性模量有極顯著影響（P<0.01）;LSR多重比較結(jié)果表明，貯藏4 d與1 d相比彈性模量無明顯差異（P>0.05），而貯藏7 d的結(jié)果與前兩者相比彈性模量明顯上升，之后逐漸下降，貯藏10 d與1 d無明顯差異（P>0.05），貯藏14 d后彈性模量明顯比貯藏1 d時(shí)低（P<0.05）。

2.4? 破壞極限力

圖6為柑橘貯藏期內(nèi)破壞極限變化情況。由圖6可知，柑橘試樣的破壞極限力FRmax隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)呈先上升后逐漸下降的趨勢(shì);表2方差分析結(jié)果表明，貯藏時(shí)間對(duì)柑橘的破壞極限力不顯著;LSR多重比較結(jié)果表明，貯藏4 d的破壞極限力與1 d相比無明顯差異（P>0.05），而貯藏7 d的破壞極限力與前兩者相比明顯上升，之后逐漸下降，貯藏10 d后的破壞極限力與1 d相比無明顯差異（P>0.05），但比貯藏1 d時(shí)低。

統(tǒng)計(jì)壓縮試驗(yàn)中到達(dá)果實(shí)破壞極限力FRmax的頻數(shù)分布如圖7所示，破裂位移DRmax頻數(shù)分布如圖8。該批柑橘試樣主要在受50～150 N發(fā)生破壞，占樣本總數(shù)的82%，絕大多數(shù)在壓縮20～30 mm時(shí)會(huì)發(fā)生破裂，占樣本總數(shù)的92%。

2.5? 總變形破壞能

圖9為柑橘在貯藏期內(nèi)總變形破壞能變化情況。由圖9可知，柑橘試樣的總變形破壞能隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)呈先上升后逐漸下降的趨勢(shì);表2方差分析結(jié)果表明，貯藏時(shí)間對(duì)柑橘的破壞極限能影響不顯著（P<0.01）;LSR多重比較結(jié)果表明，貯藏4 d的總變形破壞能與1 d相比無明顯差異（P>0.05），而貯藏7 d的總變形破壞能與前兩者相比明顯上升（P<0.05），之后逐漸下降，貯藏10 d后的總變形破壞能與1 d相比無明顯差異（P>0.05），但比貯藏1 d時(shí)低。

2.6? 相關(guān)性分析

采用Pearson相關(guān)系數(shù)rp表征兩變量之間的相關(guān)程度，rp∈[-1，1]，rp趨向于-1為負(fù)相關(guān)，趨向于+1為正相關(guān)，絕對(duì)值越大，顯著性概率P越小，相關(guān)程度越高，當(dāng)0.01

3? 小結(jié)與討論

寬皮柑橘在貯藏過程中會(huì)不斷失水，果實(shí)的質(zhì)量損失逐漸增大，硬度逐漸降低，參考其他理論研究，其貯藏過程分為兩個(gè)階段，第一階段為貯藏0～7 d，此時(shí)柑橘果實(shí)由于呼吸作用和蒸騰作用不斷失水，由于果皮最先失水皺縮，導(dǎo)致柑橘整體變硬，力學(xué)特性有所上升。在試驗(yàn)中，柑橘的彈性模量、破壞極限力、總破壞變形能在0～7 d出現(xiàn)上升，與理論相符;第二階段為貯藏7 d之后，此時(shí)由于柑橘果肉營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)開始消耗，柑橘內(nèi)部組織變軟，導(dǎo)致柑橘整體變軟，力學(xué)特性下降。在試驗(yàn)中，柑橘的彈性模量、破壞極限力、總破壞變形能在貯藏7 d后下降，與理論相符。

研究對(duì)寬皮柑橘進(jìn)行了貯藏期間的力學(xué)特性變化分析和相關(guān)性分析，隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，柑橘的質(zhì)量損失逐漸增加，硬度呈減小趨勢(shì)，彈性模量、破壞極限和總變形破壞能均先增大后減小，在貯藏7 d時(shí)達(dá)到最大值，與前人的研究結(jié)果相似，部分力學(xué)特性表現(xiàn)出較大相關(guān)性。此研究可為柑橘貯藏的機(jī)械損傷及減損研究提供有益的參考依據(jù)。

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