果皮含水量與硬度對(duì)水果激光標(biāo)刻效果的影響

孫國(guó)鋒，曹 宇，薛 偉，朱德華，劉文文

（溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，溫州 325035）

近年來，由于食品安全問題的不斷涌現(xiàn)［1］，商品紙質(zhì)標(biāo)簽已經(jīng)成為對(duì)水果和蔬菜進(jìn)行有效跟蹤和追溯的常用手段。但是紙質(zhì)標(biāo)簽具有消耗自然資源、墨水有毒、不易清洗和易脫落磨損等缺點(diǎn)［2］。針對(duì)此問題，運(yùn)用激光在種類豐富的水果表面直接標(biāo)刻出清晰美觀的永久性標(biāo)簽這一方法引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3-6］。

激光作為近現(xiàn)代的重要發(fā)明，在水果的標(biāo)刻應(yīng)用方面已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量創(chuàng)新性的研究工作。Etxeberria 等［7］研究了激光在鱷梨和番茄表面角質(zhì)層/表皮層所產(chǎn)生的針孔凹陷的解剖和形態(tài)特征，以及貯藏過程中發(fā)生的變化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在番茄和鱷梨上，蝕坑的直徑和深度相似，平均為200 μm 和25 μm；蝕刻后，深度在2～5 個(gè)細(xì)胞處立即出現(xiàn)角質(zhì)/蠟質(zhì)沉積；在貯藏期間，針孔凹陷處及周圍沉積了大量的角質(zhì)/蠟質(zhì)，同時(shí)，在針孔凹陷下的細(xì)胞的酚及木質(zhì)素的沉積增加，形成了一個(gè)保護(hù)層，阻止了病原體的感染。Yuk 等［8］研究了沙門氏菌在番茄表面激光標(biāo)刻部分、未標(biāo)刻部分和刺傷部分（涂有染料溶液）的滲透和存活。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的溫度和濕度下，激光標(biāo)刻的番茄表面不支持染料溶液或沙門氏菌到內(nèi)部組織的滲透，即不會(huì)對(duì)番茄造成安全隱患。Sood 等［9］研究了激光標(biāo)記與貯藏過程中佛羅里達(dá)葡萄柚的失水率、果皮外觀和潛在的腐爛之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)激光標(biāo)記不會(huì)導(dǎo)致腐爛加快。Etxeberria 等［10］研究了激光標(biāo)刻在柑橘果皮所產(chǎn)生的針孔凹陷的解剖特性，發(fā)現(xiàn)針孔凹陷的直徑約為0.3 mm，深度為1～2 個(gè)細(xì)胞，即激光不會(huì)穿透柑橘外果皮，并且在儲(chǔ)藏時(shí)也不會(huì)增加病原體和腐爛微生物的感染幾率。Marx 等［11］通過使用不同波長(zhǎng)（193～10 600 nm）的激光在蘋果和杜鵑花枝條表面標(biāo)刻一個(gè)9 mm2的二維條碼，根據(jù)激光波長(zhǎng)的不同，研究了激光標(biāo)刻的工藝步驟（激光能量、圖案尺寸、圖案設(shè)計(jì)等）、真菌感染的風(fēng)險(xiǎn)以及產(chǎn)品貯藏后標(biāo)刻圖案的變化。Marx等［12］研究了不同激光（波長(zhǎng)、脈沖寬度）在蘋果和杜鵑花枝條表面獲得的可編碼的、無害且可重新識(shí)別的標(biāo)記的適用性，發(fā)現(xiàn)激光系統(tǒng)可以標(biāo)記不同的植物材料，且標(biāo)記形狀可通過激光功率來調(diào)整控制。

國(guó)內(nèi)在激光標(biāo)刻水果方面的研究相對(duì)較少。馬卓等［13］研究了激光直接標(biāo)刻二維條碼在香蕉表面應(yīng)用的可行性，發(fā)現(xiàn)激光功率和標(biāo)刻速度是影響條碼質(zhì)量的主要因素，且香蕉劃痕、黑斑和標(biāo)刻位置也會(huì)影響條碼的質(zhì)量和識(shí)讀。周博等［14］利用半導(dǎo)體泵浦激光器在椰子表面標(biāo)刻二維碼，并進(jìn)行了標(biāo)刻工藝參數(shù)的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在冷藏儲(chǔ)存狀態(tài)下，椰子表面的二維碼具有較好的耐久性。

然而，目前的相關(guān)研究主要集中在激光參數(shù)對(duì)水果標(biāo)刻效果的影響上，關(guān)于水果自身性質(zhì)對(duì)激光標(biāo)刻效果的研究卻很少。為了探究同種水果個(gè)體差異性和不同種水果的果皮含水量與硬度對(duì)激光標(biāo)刻效果的影響，本文以薄皮庫(kù)爾勒香梨和硬皮山竹為試驗(yàn)材料，研究了果皮自身特性（含水量、硬度）和激光標(biāo)刻參數(shù)對(duì)標(biāo)刻效果的影響，以及在相對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)下，標(biāo)刻對(duì)水果貯藏品質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of experimental device

本文所用的激光標(biāo)刻設(shè)備（圖1）為浙江嘉泰公司的紅外納秒脈沖激光掃描系統(tǒng)（JTL-YLP20W），可手動(dòng)升降調(diào)焦。其產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)為1 064 nm，脈寬為20 ns，激光最大平均功率為20 W，激光重復(fù)頻率范圍為20～80 kHz，標(biāo)刻速度范圍為1～15 000 mm/s，聚焦光斑直徑為50 μm。該系統(tǒng)的工作原理為：激光器產(chǎn)生的脈沖激光束經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)大，通過光纖傳輸進(jìn)入掃描振鏡，再經(jīng)過場(chǎng)鏡聚焦在一點(diǎn)，最后通過手輪手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)節(jié)懸臂升降，使聚焦點(diǎn)置于加工材料的表面上。振鏡掃描器在計(jì)算機(jī)程序的控制下偏轉(zhuǎn)，使激光束在x、y兩維方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束在樣品表面的掃描運(yùn)動(dòng)。電腦與運(yùn)動(dòng)控制板塊相連來控制振鏡的運(yùn)動(dòng)，通過標(biāo)刻軟件控制標(biāo)刻的圖案，調(diào)節(jié)相應(yīng)的激光參數(shù)如標(biāo)刻次數(shù)、標(biāo)刻速度、激光功率、重復(fù)頻率等對(duì)工件表面進(jìn)行加工。

1.2 試驗(yàn)材料

本文選用的庫(kù)爾勒香梨和山竹均為同批次購(gòu)買，且盡量保證其大小及外觀一致、無創(chuàng)傷、無病害和無蟲斑。每種水果均分成兩組，第一組進(jìn)行果皮自身特性（含水量、硬度）和激光標(biāo)刻參數(shù)的影響試驗(yàn)，第二組進(jìn)行貯藏時(shí)間的影響試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前，所有水果使用流動(dòng)的水各清洗3 min，去除表面污漬及其他雜物；洗凈后使用紙巾吸干其表面水分，放置在23℃、40%相對(duì)濕度（relative humidity，RH）的環(huán)境下1 h，蒸發(fā)其表面剩余水分并使其表皮溫度達(dá)到室溫。之后，在每個(gè)水果果蒂處貼一紙質(zhì)不干膠標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)記，第一組水果根據(jù)含水量和硬度的不同（通過改變儲(chǔ)存、日照時(shí)間等方式獲得）將庫(kù)爾勒香梨分為A、B、C、D 4 類，山竹分為E、F、G、H 4 類，每類水果均為2 個(gè)；第二組水果中，庫(kù)爾勒香梨的含水量和硬度均與第一組中A類一致，山竹的含水量和硬度均與第一組中E 類一致，2 種水果均分成未標(biāo)刻的空白組和激光標(biāo)刻組2 類，每種空白組含2 個(gè)水果，激光標(biāo)刻組含4 個(gè)水果，空白組及標(biāo)刻組的水果在貯藏期間，每隔3 d 進(jìn)行1 次局部形貌及標(biāo)刻線寬測(cè)試。其中第一組水果和第二組水果均放置于23℃、40%相對(duì)濕度的環(huán)境下保存。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水果激光標(biāo)刻

將水果置于裝有彈性填充物的透明亞克力矩形開口盒內(nèi)，使其相對(duì)平整的待標(biāo)刻部位與亞克力矩形開口盒上表面（開口處）在同一平面，調(diào)節(jié)場(chǎng)鏡下端面到水果表面或亞克力矩形開口盒上表面為一定距離，使其激光焦點(diǎn)在水果表面。

本文采用單一變量法進(jìn)行試驗(yàn)，選取激光標(biāo)刻速度作為變量，在激光標(biāo)刻水果的多組試驗(yàn)中，2 種水果的標(biāo)刻部位均選擇果實(shí)赤道部位，庫(kù)爾勒香梨選擇的標(biāo)刻速度為6、7、8、9、10、11 mm/s，山竹的標(biāo)刻速度為2、3、4、5、6、7 mm/s。固定其他激光參數(shù)：標(biāo)刻次數(shù)為1 次，功率為20 W，重復(fù)頻率為20 kHz。標(biāo)刻圖案為一長(zhǎng)為15 mm的線段。

在激光加工金屬中，一般以表面粗糙度、加工深度、熱影響區(qū)等作為加工質(zhì)量的指標(biāo)［15］。而在庫(kù)爾勒香梨表面的激光標(biāo)刻中，由于其果皮的表皮細(xì)胞中含有多酚氧化酶（polyphenol oxidase，PPO），這種酶被封存在細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)庫(kù)爾勒香梨果皮損傷，在有氧的條件下作用于酚類物質(zhì)，使其氧化成醌，再進(jìn)行一系列的脫水、聚合反應(yīng)，最后形成黑褐色物質(zhì)［16］。因此，當(dāng)標(biāo)刻速度不同時(shí)，激光對(duì)庫(kù)爾勒香梨果皮的破壞程度不同，標(biāo)刻線段會(huì)呈現(xiàn)不同的深淺顏色。而激光作用于山竹果皮時(shí)，只有產(chǎn)生燒蝕碳化才會(huì)在其果皮表面產(chǎn)生明顯的標(biāo)刻線段。故本文將標(biāo)刻線段的顏色深淺及是否規(guī)則、連續(xù)作為加工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

1.3.2 形貌及特征測(cè)試

采用工業(yè)顯微鏡（GP-900C，GAOPIN）中的USB CCD 攝像頭采集水果表面相應(yīng)區(qū)域的局部形貌，其中激光標(biāo)刻水果表面后不會(huì)立刻顯現(xiàn)明顯的顏色變化，在空氣中靜置1～2 h 后，其標(biāo)刻線段才會(huì)明顯變色，待基本不變后再進(jìn)行拍攝；采用激光共聚焦顯微鏡（LEXT OLS4000，OLYMPUS）測(cè)量激光處理后的標(biāo)刻線寬和深度，測(cè)量時(shí)在15 mm 的線段內(nèi)均勻取3 點(diǎn)，取其均值；采用指針式邵氏硬度計(jì)（LX-A-2，SANLIANG）測(cè)定水果表面相應(yīng)區(qū)域的果皮硬度，每個(gè)測(cè)試區(qū)域重復(fù)6 次，取其均值，單位為HA；采用烘干法測(cè)定果皮含水量，重復(fù)3 次，取其均值，其中薄皮水果相應(yīng)果皮取厚度約為1 mm，硬皮水果相應(yīng)果皮取完整果皮厚度［17-20］；采用徒手切片法制作果皮組織臨時(shí)切片，將其置于生物顯微鏡（XSP-35，Phenix）的載物臺(tái)上進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 庫(kù)爾勒香梨和山竹的激光標(biāo)刻試驗(yàn)及分析

圖2 激光標(biāo)刻不同果皮含水量及硬度的庫(kù)爾勒香梨表面的局部形貌Fig. 2 Local morphology of Korla pear surface with different fruit peel water content and hardness marked by laser

圖2 為不同果皮含水量及硬度的庫(kù)爾勒香梨表面在激光作用下的局部形貌圖。試驗(yàn)中采用第一組的A、B、C、D 4 類水果的果皮含水量及硬度分別為80.79%、19.2 HA；78.20%、19.6 HA；77.11%、20.0 HA；76.13%、14.6 HA。圖3 為圖2 中4 類水果表面的激光標(biāo)刻線寬隨標(biāo)刻速度的變化曲線。如圖2、3 所示，在果皮含水量及硬度一定時(shí)，隨著標(biāo)刻速度從6 mm/s 增加到11 mm/s，標(biāo)刻線段的顏色由深褐色變?yōu)闇\褐色，且標(biāo)刻線寬逐漸減小，其連續(xù)性也逐漸降低。與此同時(shí)，在標(biāo)刻速度一定時(shí)（如9 mm/s），A、B、C 3 類水果果皮硬度相似，但隨著果皮含水量的降低，標(biāo)刻線段的顏色、線寬、連續(xù)性都得到增強(qiáng)；而在其果皮含水量相近時(shí)（B、C、D 3 類），果皮硬度越高，標(biāo)刻線段的顏色、線寬、連續(xù)性就變得越弱。庫(kù)爾勒香梨較高的含水量致使激光較難穿透其表面，在較低的標(biāo)刻速度時(shí)（如6 mm/s），標(biāo)刻區(qū)域才會(huì)有一定的標(biāo)刻深度，約20 μm，而在較高標(biāo)刻速度時(shí)（如10 mm/s），標(biāo)刻區(qū)域的標(biāo)刻深度只有約8 μm。如圖3 所示，當(dāng)標(biāo)刻速度過低時(shí)（如6 mm/s），線寬約在210～270 μm 之間，隨著標(biāo)刻速度的增大，4 類水果的標(biāo)刻線寬均隨之減小，當(dāng)標(biāo)刻速度達(dá)到11 mm/s 時(shí)，標(biāo)刻線寬下降到約50～100 μm。同時(shí)，庫(kù)爾勒香梨表面果點(diǎn)較多且干燥，當(dāng)激光標(biāo)刻速度過小時(shí)（如6 mm/s），標(biāo)刻線段的線寬會(huì)過大且果點(diǎn)處易發(fā)生燒蝕碳化，使標(biāo)刻線段形狀不規(guī)則，而當(dāng)標(biāo)刻速度過大時(shí)（如11 mm/s），會(huì)由于激光功率密度的減小使標(biāo)刻線段過淺而不清晰。

圖3 激光標(biāo)刻速度對(duì)庫(kù)爾勒香梨表面標(biāo)刻寬度的影響Fig. 3 Effect of laser marking speed on marking width of Korla pear surface

圖4 激光標(biāo)刻不同果皮含水量及硬度的山竹表面的局部形貌Fig. 4 Local morphology of mangosteen surface with different fruit peel water content and hardness marked by laser

圖4 為不同果皮含水量及硬度的山竹表面在激光作用下的局部形貌圖。E、F、G、H 4 類山竹的果皮含水量及硬度分別為68.27%、40.5 HA；67.36%、50.6 HA；64.82%、88.0 HA；57.21%、97.3 HA。圖5為圖4 中4 類水果表面的激光標(biāo)刻線寬和深度隨標(biāo)刻速度的變化曲線。如圖4、5 所示，在果皮含水量及硬度一定時(shí)，4 類山竹隨著標(biāo)刻速度的增加，其標(biāo)刻線寬均逐漸減小，標(biāo)刻深度也逐漸變淺，直至難以在水果表面觀察到明顯的標(biāo)刻紋路（如E 類在4 mm/s 時(shí)）。由于激光光斑大小一定，相對(duì)標(biāo)刻線寬，標(biāo)刻深度受激光標(biāo)刻速度的影響要更明顯，如H 類山竹，當(dāng)標(biāo)刻速度從2 mm/s 增加到18 mm/s 時(shí)，深度從約5 800 μm 下降到約120 μm，而線寬僅從約350 μm 下降到約230 μm。其中，當(dāng)標(biāo)刻速度過低時(shí)，標(biāo)刻線寬的波動(dòng)主要源于過大的激光沉積能量和山竹表面自身較大的粗糙度造成的線段兩邊明顯的燒蝕誤差。標(biāo)刻速度一定（如3 mm/s），當(dāng)果皮含水量相近時(shí)（E、F、G 3類），隨著果皮硬度的增加，標(biāo)刻線寬和深度也逐漸增加。對(duì)H 類山竹，由于其果皮硬度進(jìn)一步增大，且含水量也較小，如圖4、5所示，其線段邊緣更清晰規(guī)整，燒蝕現(xiàn)象更不明顯，且線寬也更窄，但燒蝕深度也更大。由于目前難以做到固定果皮含水量或硬度中某一變量而研究單一變量，故山竹果皮含水量和果皮硬度在影響標(biāo)刻線寬和深度上所占的比重還需要后續(xù)進(jìn)一步的研究。

圖5 激光標(biāo)刻速度對(duì)山竹表面標(biāo)刻寬度和深度的影響Fig. 5 Effect of laser marking speed on marking width and depth of mangosteen surface

通過對(duì)圖2、4 中的局部形貌圖分析可知，2 種水果在果皮含水量及硬度一定時(shí)，激光參數(shù)對(duì)標(biāo)刻效果影響明顯。本文以標(biāo)刻線段清晰、連續(xù)、完整、邊緣規(guī)整，對(duì)附近果皮燒蝕影響較淺，標(biāo)刻速度相對(duì)較快，且具有較高的刻蝕效率為相對(duì)最優(yōu)參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)。在考慮當(dāng)激光波長(zhǎng)、頻率等選定后，影響水果激光標(biāo)刻效果的主要影響因素為激光功率和標(biāo)刻速度的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取線能量密度E為綜合工藝參數(shù)量。線能量密度E為單位長(zhǎng)度上的輸入能量，E=P/v，其中，P為激光功率，v為激光掃描速度［21］。對(duì)于庫(kù)爾勒香梨，在水果果皮未被穿透的情況下想要得到明顯的標(biāo)刻痕跡，則首先要選擇標(biāo)刻線段顏色清晰顯著且對(duì)標(biāo)刻區(qū)域周圍的影響較小的標(biāo)刻速度，如圖2 中B 類標(biāo)刻速度為6、7、8 mm/s 時(shí)；其次為提高工作效率，應(yīng)選擇較高的標(biāo)刻速度，故選擇8 mm/s。圖2 中A、C、D 類水果的最優(yōu)參數(shù)同樣如此選擇，從而可得A、B、C、D 4 類庫(kù)爾勒香梨的相對(duì)最優(yōu)標(biāo)刻速度分別為7、8、9 和10 mm/s。如圖2 中紅框所示，其相應(yīng)的線能量密度為2.9×103、2.5×103、2.2×103、2.0×103J/m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)刻線寬依次為205、171、102 和122 μm。對(duì)于山竹，在水果果皮被燒蝕碳化的情況下想要有明顯的標(biāo)刻痕跡，同樣應(yīng)首先選擇標(biāo)刻線段顏色清晰顯著且對(duì)標(biāo)刻區(qū)域周圍的影響較小的標(biāo)刻速度，如圖4 中G 類標(biāo)刻速度為5 mm/s 和6 mm/s 時(shí)；其次為提高工作效率，故選擇6 mm/s。圖4 中E、F、H類水果的最優(yōu)參數(shù)選擇類似，進(jìn)而可得出E、F、G、H 4 類山竹的相對(duì)最優(yōu)標(biāo)刻速度分別為3、4、6 和18 mm/s。如圖4 中藍(lán)框所示，其相應(yīng)的線能量密度為6.7×103、5.0×103、3.3×103、1.1×103J/m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)刻線寬依次為478、416、410 和229 μm。圖6 為圖2、4 中相對(duì)最優(yōu)參數(shù)下激光標(biāo)刻不同果皮含水量及硬度的水果果皮的生物顯微照片。其中，A、B、C、D 4 類庫(kù)爾勒香梨果皮表面標(biāo)刻形貌在各生物顯微照片的中部區(qū)域，呈深褐色，激光作用于庫(kù)爾勒香梨果皮時(shí)，果皮明顯未被激光穿透，僅是激光作用于物質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，從而使標(biāo)刻區(qū)域的表皮細(xì)胞凝結(jié)壞死，進(jìn)而在有氧條件下變色，且對(duì)未標(biāo)刻區(qū)域基本無影響。而激光作用于山竹果皮時(shí)，如圖6 中E、F、G、H 所示，4 類山竹果皮表面標(biāo)刻形貌在各生物顯微照片的右側(cè)，呈碳黑色，所產(chǎn)生的是另外一種熱效應(yīng)，即碳化［22］。在生物顯微圖片中可以觀察到刻蝕區(qū)域存在明顯的碳化痕跡，而未刻蝕區(qū)域未出現(xiàn)碳化痕跡，從中可以觀察到激光標(biāo)刻對(duì)未標(biāo)刻區(qū)域的影響很小甚至無影響。圖6 的生物顯微照片再一次證明了激光標(biāo)刻水果的可行性及應(yīng)用性。

圖6 相對(duì)最優(yōu)參數(shù)下激光標(biāo)刻不同果皮含水量及硬度的庫(kù)爾勒香梨、山竹果皮的生物顯微照片F(xiàn)ig. 6 Biological micrograph of peel of Korla pear and mangosteen with different fruit peel water content and hardness marked by laser under relative optimal parameters

2.2 激光標(biāo)刻對(duì)水果貯藏品質(zhì)的影響試驗(yàn)及分析

為進(jìn)一步探究激光標(biāo)刻對(duì)水果貯藏品質(zhì)的影響，本研究在第二組的新鮮水果上選取上文所選取的相對(duì)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，即庫(kù)爾勒香梨選擇標(biāo)刻速度為7 mm/s，相應(yīng)的線能量密度為2.9×103J/m，而山竹選擇3 mm/s，相應(yīng)的線能量密度為6.7×103J/m。

圖7 為未標(biāo)刻和標(biāo)刻的庫(kù)爾勒香梨隨貯藏時(shí)間變化的局部形貌圖及宏觀照片。由于標(biāo)刻部位對(duì)標(biāo)刻效果的差異性基本無影響，故選擇果實(shí)赤道部位為激光標(biāo)刻位置。在圖7 中，a1～a7、b1～b7分別為空白組和標(biāo)刻組的庫(kù)爾勒香梨在貯藏期間的變化情況，圖中2 類庫(kù)爾勒香梨均在第18 d 開始出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象。a8、b8分別為空白組和標(biāo)刻組的庫(kù)爾勒香梨腐爛局部形貌，腐爛顏色均呈暗褐色且失水凹陷，a9、b9分別為空白組和標(biāo)刻組的庫(kù)爾勒香梨腐爛宏觀照片，部分腐爛部位出現(xiàn)發(fā)霉跡象，如銅綠一般。如b1～b7所示，標(biāo)刻線段的顏色及線寬（104 μm）隨貯藏時(shí)間的增加基本保持不變，即標(biāo)記穩(wěn)定性好。同時(shí)，其易腐爛的部位通常為果蒂部位，如圖a9、b9所示，個(gè)別出現(xiàn)在果頂部位，但均未出現(xiàn)在標(biāo)刻區(qū)域，且空白組貯藏時(shí)間均為18 d，標(biāo)刻組貯藏時(shí)間分別為18、21、18、18 d，表明激光標(biāo)刻對(duì)庫(kù)爾勒香梨的貯藏品質(zhì)基本無影響?？赡苁且?yàn)闃?biāo)刻區(qū)域及周圍沉積了大量的蠟，形成了一個(gè)保護(hù)層，阻止了病菌的進(jìn)一步感染［7］。

圖7 未標(biāo)刻及標(biāo)刻的庫(kù)爾勒香梨隨貯藏時(shí)間的變化Fig. 7 Change of unmarked and marked Korla pear with storage time

圖8為未標(biāo)刻和標(biāo)刻的山竹隨貯藏時(shí)間變化的局部形貌圖及宏觀照片。由于標(biāo)刻部位對(duì)標(biāo)刻效果的差異性影響很小，故激光標(biāo)刻位置仍選擇果實(shí)赤道部位。在圖8 中，a1～a5、b1～b5分別為空白組和標(biāo)刻組的山竹在貯藏期間的變化情況，圖中2 類山竹均在第12 d 開始出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象。a6、b6分別為空白組和標(biāo)刻組出現(xiàn)發(fā)霉跡象的局部形貌，發(fā)霉跡象微觀表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)凸起的“疙瘩點(diǎn)”，其中a6表現(xiàn)得較為明顯，b6表現(xiàn)得不明顯，但仍呈現(xiàn)一個(gè)個(gè)如“爆炸”泡沫般的“小點(diǎn)點(diǎn)”。a7、b7分別為空白組和標(biāo)刻組的山竹出現(xiàn)發(fā)霉跡象的宏觀照片，a7的發(fā)霉跡象宏觀表現(xiàn)為密密麻麻的凸起且摻雜棕色物質(zhì)覆蓋在其表面，b7的宏觀表現(xiàn)為一個(gè)個(gè)“小點(diǎn)點(diǎn)”，但不十分明顯。如b1～b5所示，標(biāo)刻線段的形貌及線寬（437 μm）隨貯藏時(shí)間的增加基本保持不變，即標(biāo)記穩(wěn)定性好。此外，山竹果皮發(fā)霉跡象位置均位于未標(biāo)刻區(qū)，除個(gè)別標(biāo)刻區(qū)域出現(xiàn)失水凹陷的現(xiàn)象外，其余標(biāo)刻區(qū)域均未出現(xiàn)發(fā)霉跡象，且空白組貯藏時(shí)間均為12 d，標(biāo)刻組貯藏時(shí)間分別為12、12、18、9 d，表明激光標(biāo)刻對(duì)山竹的貯藏品質(zhì)也基本無影響?？赡苁且?yàn)榫€縫凹陷下的細(xì)胞增加了酚及木質(zhì)素的沉積，從而形成了一個(gè)保護(hù)層，阻止了病菌的進(jìn)一步滲透感染［7］。

圖8 未標(biāo)刻及標(biāo)刻的山竹隨貯藏時(shí)間的變化Fig. 8 Change of unmarked and marked mangosteen with storage time

圖9a、9b 分別為圖7 中貯藏21 d 后對(duì)應(yīng)庫(kù)爾勒香梨果皮未標(biāo)刻區(qū)域及標(biāo)刻區(qū)域的生物顯微照片，圖9c、9d 分別為圖8 中貯藏18 d 后對(duì)應(yīng)山竹果皮未標(biāo)刻區(qū)域及標(biāo)刻區(qū)域的生物顯微照片。如圖9b 所示，庫(kù)爾勒香梨果皮表面除中間標(biāo)刻區(qū)域呈淺褐色外，其余部位的生物顯微照片與圖9a 變化一致，即激光對(duì)庫(kù)爾勒香梨未標(biāo)刻區(qū)域的形貌及貯藏品質(zhì)基本無影響。如圖9d所示，山竹果皮表面除右側(cè)標(biāo)刻碳化區(qū)域外，其余部位的生物顯微照片與圖9c 變化也基本一致，即激光對(duì)山竹未標(biāo)刻區(qū)域的形貌及貯藏品質(zhì)基本無影響。上述分析再次證明了激光標(biāo)刻對(duì)水果的貯藏品質(zhì)基本無影響。

圖9 未標(biāo)刻及標(biāo)刻的庫(kù)爾勒香梨、山竹貯藏后果皮的生物顯微照片F(xiàn)ig. 9 Biological micrograph of unmarked and marked Korla pear peel and mangosteen peel after storage

3 討論

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者就水果激光標(biāo)刻方面的研究主要集中于激光參數(shù)對(duì)水果的激光標(biāo)刻的影響［7-14］，而忽略水果自身性質(zhì)、狀態(tài)和個(gè)體差異對(duì)標(biāo)刻效果的影響。但水果本身作為一種生物個(gè)體，不同個(gè)體同一部位甚至是同一個(gè)體不同部位都有較大的差異，如水果亞表面的含水量及硬度、色素沉著的種類及含量、表面曲率、機(jī)械和環(huán)境負(fù)荷敏感性、化學(xué)組成成分等都會(huì)影響最終的標(biāo)刻效果，因此通過研究水果自身性質(zhì)對(duì)水果激光標(biāo)刻效果的影響是非常必要的。

本試驗(yàn)采用紅外納秒脈沖激光掃描系統(tǒng)標(biāo)刻薄皮庫(kù)爾勒香梨和硬皮山竹表面，通過記錄標(biāo)刻部位的顏色、線寬、深度及連續(xù)性分析不同果皮含水量及硬度對(duì)水果激光標(biāo)刻效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光工藝參數(shù)、果皮含水量及硬度對(duì)標(biāo)刻效果的影響均有所差別。對(duì)于薄皮水果，在一定條件下，標(biāo)刻速度越小，果皮含水量越低，果皮硬度越小，水果表面的標(biāo)刻線段顏色越深、線寬越大及連續(xù)性越好；對(duì)于硬皮水果，在一定條件下，標(biāo)刻速度越小，果皮硬度越大，水果表面的標(biāo)刻線段的深度越深、線寬越大及連續(xù)性越好。由于果皮含水量相對(duì)于硬度的變化并不明顯，故其對(duì)激光標(biāo)刻效果的影響較小。同時(shí)，在貯藏期間，水果的激光標(biāo)刻區(qū)域標(biāo)記穩(wěn)定性良好，且對(duì)未標(biāo)刻區(qū)域基本無影響，并不會(huì)引發(fā)腐爛發(fā)霉的現(xiàn)象。這證明了激光標(biāo)刻對(duì)水果的貯藏品質(zhì)基本無影響。相比較以往學(xué)者對(duì)激光水果標(biāo)刻效果的研究主要集中于激光參數(shù)，此次研究則側(cè)重于水果果皮自身性質(zhì)（含水量、硬度）的影響。因此，此次研究為以后探索影響激光水果標(biāo)刻效果的因素提供了另外一種研究思路，對(duì)于提高水果激光標(biāo)刻的精度及加工質(zhì)量具有重要的參考價(jià)值。而在本次試驗(yàn)中，由于水果果皮對(duì)紅外激光的吸收系數(shù)較低，致使在最大功率下，也很難得到很高的標(biāo)刻速度，同時(shí)水果表面的果點(diǎn)、色素沉著的種類及含量、表面曲率等都會(huì)影響最終的試驗(yàn)效果。對(duì)此，我們下一步將進(jìn)行果皮色素的種類和含量以及標(biāo)刻激光的波長(zhǎng)和脈寬對(duì)于標(biāo)刻效果的影響試驗(yàn)和機(jī)理研究。