果蔬的力学_流变学特性的研究进展

第17卷第3期黑龙江八一农垦大学学报17（3）：51～54 文章编号：1002-2090(2005)03-0051-04
果蔬的力学—流变学特性的研究进展
张洪霞1，李大勇2，陶桂香1
（1.黑龙江八一农垦大学工程学院， 大庆 163319；2.黑龙江省建三江七星水利工程有限责任公司）
摘要：近年来国内外广泛开展了农业物料力学流变学特性的研究 ， 本文概述了国内外水果和蔬菜的力学流变学特性方面的研究及进展情况， 介绍了这一特性在农业工程中的应用。

关键词：果蔬；力学—流变学特性；研究进展
中图分类号：TS201.1 文献标识码：A
Research Progress in Mechanical Rheological
Properties of Fruit And Vegetable
ZHANG Hong-xia，LI Da-yong，TAO Gui-xiang
Abstract：In recent years，the mechanical—rheological properties of agricultural materials had been studied intensively in many countries. The state of research and progress of fruit and vegetable were outlined. The uses of these properties were introduced in agricultural engineering.
Key words：fruit and vegetable；mechanical—rheological properties；research progress
0 前言
现代水果、蔬菜在生产和销售过程中存在着许多生物力学问题，包括水果的机械损伤以及防护措施，和水果蔬菜的力学评价方法。

有人估计，在高度机械化的国家，水果和蔬菜由于机械损伤而引起的平均损耗约占总重量的30%～40%，新鲜水果和蔬菜的机械损伤有五个主要来源：收获、加工、贮藏、包装和运输。

生物力学的主要作用之一是应用有关理论、实验和计算方法，预测水果蔬菜在上述各个环节上的响应，为设计有关加工机械、加工工艺提供理论依据[1]。

1 国内外研究概况
为了优化设计有关的农业机械，减少农产品的机械损伤，从二十世纪40、50年代以来，国外就开始了农业物料流变特性的研究，我国对农业物料力学性能的研究始于50年代，到80年代才引起学术界的重视。

国内外关于水果蔬菜的流变特性的研究较多，研究的水果蔬菜范围很广，包括苹果、梨、草莓、杨梅、水蜜桃、猕猴桃、桃子、西瓜、马铃薯、青刀豆等。

1.1 果蔬静态特性的研究
马小愚等[2]研制了一个农业物料力学流变学性质的测试系统，进行了马铃薯组织破坏时的力学流变学性质的试验研究。

李小昱[3]研究了苹果的蠕变特性和静重损伤机理，苹果损伤体积与所受载
收稿日期：2005-04-25
作者简介：张洪霞（1970-），女，副教授，东北农业大学硕士研究生毕业，现主要从事力学的教学和科研工作。

荷及作用时间显著相关，其蠕变损伤与载荷或时间造成的临界变形值有关，载荷、作用时间或变形量均可预测和控制苹果的静重损伤。

研究表明，苹果蠕变损伤的主要原因是其变形量超出了一临界变形造成的，可以用临界应变破坏理论来解释苹果蠕变损伤机理。

基于物料的粘弹性参数是本身固有的，可以通过建立损伤体积与粘弹性系数之间的线性回归模型，由粘弹性系数可无损地评价和测定苹果的静重损伤。

陈萃仁等[4，5]先后研究了草莓、杨梅等果实的力学特性及贮藏过程中的变化规律，研究表明成熟度、贮藏温度和贮藏时间对果实硬度及屈服应力均有显著影响。

通过回归分析建立了屈服应力随贮藏时间变化的回归方程，可用于预测在相应贮藏条件的草莓果实的屈服应力，从而预测损伤。

王荣[6]通过对葡萄与番茄的压缩试验，得出在相同加载速率下，不同硬度的葡萄与番茄在横、纵向压缩时的力学特性及刚度与变形之间的关系。

并对果皮进行了横、纵向的拉伸试验，得到了皮的弹性模量与应变之间的关系，确定了以果品表皮破裂作为机械损伤的形式，用果皮的破坏强度衡量葡萄与番茄的损伤。

研究表明不同硬度的葡萄与番茄横、纵向压缩时的最大破裂力和最大延伸率是不同的，并且葡萄横、纵向刚度差别不大，故可将其看作是各向同性材料。

番茄刚度横、纵向差别较大，可视做是各向异性材料。

1.2 果蔬动态特性的研究
Finney[7]通过共振试验检测香蕉在成熟过程中的结实度，检测频率范围为375～470Hz，试验表明，在香蕉成熟过程中弹性模量和淀粉含量同时减小，它们之间存在线性相关关系，还原糖含量在成熟过程中增加，弹性模量和还原糖含量的对数成负相关关系。

Peterson[7] 研究了马铃薯热流变特性，频率范围为50～500Hz，温度范围为2～30℃，结果表明复数模量随温度增加而减小，随频率增加而增加。

schoorl[8～12]等人对苹果碰撞进行了长期的研究，提出了著名的苹果损伤能量原理，认为苹果的损伤体积与其所吸收的能量成正比，吸收的能量造成机械损伤。

陈萃仁 [13]利用自制的振动试验台模拟运输环境，对草莓果实机械损伤进行了研究。

通过多因素组合试验，摸清了振动强度、包装材料、包装方式及成熟度对果实损伤的影响规律；通过非线性回归分析，建立了果实振动损伤的数学模型，探讨了利用修正回归模型预测草莓果实在相同条件下实际运输损伤值的可行性。

王书茂，焦群英[14]在试验分析了西瓜的力学特性的基础上提出了利用西瓜的振动频率响应来判断西瓜成熟度的无损检验方法。

研究表明，传统的判断西瓜成熟度的含糖量与西瓜的振动基频有较好的相关关系。

在此基础上，考虑了西瓜质量的影响，提出了用f2m2/3做为西瓜的成熟度指数，并初步确定了“京欣”品种西瓜的成熟度指数范围。

研究结果表明，冲击振动方法是一种比较有效的西瓜成熟度无损检验方法，为工程应用在线测量及分析处理奠定了基础。

王俊等[15]利用正弦交变应力—应变试验方法对绿云梨的质地进行了研究，测定了绿云梨的动态特性，发现在不同预加载荷、激振功率、成熟程度等条件下绿云梨果实动态试验的弹性模量和相位角明显不同。

在相同频率下，随预加载荷的增加弹性模量增加；在相同预加载荷、激振功率和频率下，未成熟梨的动态试验相位角比成熟梨的小，未成熟梨的动态弹性模量比成熟梨的大。

王俊[16]研究了桃子的冲击力学特性，使桃子从3cm高度自由下落至金属平板上，获得桃子恢复系数r、能量吸收百分率E和冲击时间特性参数 fp/tp ，它们与桃子硬度H间均有极显著相关。

建立了这三个参数与桃子硬度间的数学模型，分别为1/r=a+b/H，E=ae b/H和1/（f p /t p ）=a + b/H。

试验表明，利用冲击力时间特性参数作为按硬度分级的参数比另两个参数更适宜，为设计水果成熟度快速检测仪和自动分级机提供了科学依据。

王剑平[17]以黄花梨为试验对象，进行了不同下落高度、不同梨质量和坚实度等对碰撞参数指标影响的碰撞特性试验。

试验表明3个试验因子对力峰值/到达力峰值时间的比值、损伤体积和力峰值的影响大都为显著，碰撞参数指标内部之间的相关性不尽相同，碰撞损伤预测模型可采用V=β0+β1h+β2m+β3f来表达。

王俊[18]进行了桃子下落冲击动力学特性及其与坚实度的相关性的研究，结果表明不同下落高度
对响应主频率没有较大影响，而质量、坚实度和贮藏时间的影响则显著。

经分析，响应主频率随坚实度的增加而变大、随质量的增加而变小，响应主频率与质量、坚实度有较好的相关性。

桃果实与响应主频率、质量有关的硬度系数与坚实度相关性也较好，可以利用硬度系数来预测桃坚实度。

2 果蔬的力学流变学特性在工程上的应用
2.1 设计机器及加工工艺上的应用
在水果、蔬菜等收获机械的设计与包装形式的选择时，需要了解其力学及动力学特性。

在设计西红柿、黄瓜等蔬菜收获机中，工作部件对非刚体果实的冲击、果实的许可能量等是选择其工作部件运动参数的主要依据。

用振动装箱法包装苹果时，必须对苹果的性能进行试验研究，使其变形在弹性范围内不产生水果的损伤[19]。

2.2 减少机械损伤上的应用
现代水果和蔬菜在机械化收获、运输和装卸过程中不可避免地受到不同形式的碰撞，箱内的农产品还要受到静态挤压力或冲击载荷的作用，从而引起产品的机械损伤，为此会给社会带来巨大的经济损失。

为预测水果蔬菜的损伤，发展更好的方法，设计合理的机械，使其所受损伤最小，从而减少损失，必须对果蔬的力学流变学特性进行透彻的了解。

为此应用粘弹性力学理论研究农产品碰撞引起的变形、最大接触力和接触时间等参数，可以用来估计碰撞可能引起的损伤[20]。

2.3 评价物料品质特性的应用
农产品的流变性不仅对机械损伤的分析有意义，而且可以作为他们质量评价的某种指标。

流变学方法则是试图找出品尝小组的评定与该物料某一流变参数的相关性。

有人研究了熟马铃薯的流变参数测定及其与食品质构评定的关系[21]。

近年来西方发达国家进行了许多无损伤坚实度测量方法的研究，这些方法基本上都是通过分析水果、蔬菜对碰撞和振动的响应特点而设计的，无损伤测定坚实度的方法对于水果成熟度自动分选线的设计、包装或运输中的损伤估计，长期储存水果的品质评定，以及货架寿命的估计等都有重要意义。

国内外已将共振试验用于水果和蔬菜成熟度和质地评价。

利用可变频率的刚性平面的振动，已成功地用于葡萄分选和从成熟的西红柿中分离出绿色的西红柿。

共振试验已用于检测香蕉在成熟过程中的结实度，还用于马铃薯、桃子、苹果等的质地检测[21]。

3 结语
随着农业经济及农业现代化的不断发展，农业物料力学流变学特性在农业工程中的应用越来越广阔。

目前国内外对农业物料力学流变学特性已经开展了大量的研究工作，并在此基础上取得了长足的进步。

但同时我们必须看到，迄今为止，对农业物料力学流变学特性的了解还很不够。

我们应充分利用已有的经验，对农产品的力学流变学及其品质进行深入的研究，增加农产品的加工和处理能力，促进研究成果在生产中的应用，推动农业现代化的进一步发展。

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