果品运输中的机械损伤机理及减损包装研究进展

全国第九届包装工程学术会议・技术・
果品运输中的机械损伤机理及减损包装研究进展
卢立新,王志伟(江南大学,　无锡　214063)
[摘要]　果品在贮运过程中承受静载、挤压、振动、冲击等载荷形式的作用,形成了以塑性变形
为主的现时损伤和以粘弹性变形为主的延时损伤。

果品采后由于贮运引起的机械损伤和耐贮性的下降是果品采后损耗的主要原因。

采用科学有效的措施减少果品采后机械损耗具有重要意义。

文中综述了国内外这方面的研究成果,着重论述了果品的流变特性、运输过程中果品的损伤机理与规律、模拟试验技术以及减损包装技术。

关键词:果品;机械损伤;流变特性;运输包装;贮运
中图分类号:F76013;F76213　文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2004)04-0131-04
St u dy of M ec ha nis ms of M ec ha nical Da mage a n d Tra nsp ort
Pac kagi ng i n Fr uits Tra nsp ort ation
LU Li 2xi n ,WANG Zhi 2wei
(S outhern Y angtze University ,Wuxi 214063,China )
A bst ract :Fruits are susceptible to the static pressure ,extrusion ,vibration and im pact during transport.I t
forms the in 2time damage mainly caused by plastic deformation and hysteresis damage caused by viscoelastic defor 2mation.The major reas on of fruits damage at post 2harvest and decreasing storage properties lies in the mechanical damage.S tudies on mechanisms of the mechanical damage and techniques of transport packages in fruits transporta 2tion were review.The rheologic properties of fruits ,mechanisms and variation of mechanical damage ,techniques of simulation testing and transport packages were summarized.
Key wor ds :Fruits ;Mechanical damage ;Rheologic properties ;T ransport packaging ;S torage and transport
收稿日期:2004206228
作者简介:卢立新(1966-),男,江苏宜兴人,博士生,江南大学副教授,主要从事保鲜与贮运包装、包装工艺与机械等研究。

目前,减少果蔬采后损耗是全世界农产品业主要关心的问题之一。

据有关资料报道,国外发达国家果蔬采后损耗约占总产量的15%～20%。

我国是世界果蔬第一生产大国。

但由于较重视育种、采前栽培和防治病虫害工作,忽视了采后处理和产地基础设施,未能解决果蔬的分选、分级、预冷、冷藏运输、保鲜等问题,使水果在采后的流通过程中损失严重,果蔬每年损失率为30%～40%,约800亿元[1]。

据有关部门保守估计果蔬采后的腐烂损耗,几乎可以满足我国2亿人口的基本营养需求。

果蔬采后由于贮运环境因子的刺激而引起的机械损伤和耐贮性的下降是果蔬采后损耗的主要原因。

运输过程中的处理不当,不可避免地会对新鲜园艺产品造成机械损伤,使果实组织受到破坏,引起呼吸加强、膜透性增加、品质下降,并可导致有关代谢物质的改变。

水果成熟后的采收、分级包装、装卸运输、加工、贮藏和销售整个过程的各个环节都容易产生机械损伤。

机械损伤也是病源微生物的人侵之门,是导致水果霉烂的最主要原因。

因此如何采用科学的有效措施控制它们的机械损伤,减少采后水果损耗和提高水果质量,具有重要的现实意义。

果品在贮运过程中存在着振动、碰撞、冲击、静载、挤压等载荷形式的作用,形成以塑性或脆性破坏形式为主的现时损伤和以粘弹性变形为主的延迟损伤,即机械损伤。

果品是有生命的物体,其化学成分、水分和组织结构在生长、成熟、甚至贮藏阶段都不断发生变化。

其机械性质与许多因素有关。

尤其在定量的方面,许多关系目前还未被人们认识。

针对在运输过程中的果品,目前人们主要从宏观上对振动、碰撞、冲击作用下果品的损伤机制与规律以及果品的流变特性进行了研究。

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31卢立新等　果品运输中的机械损伤机理及减损包装研究进展
1　机械损伤的形成
果品在运输过程中的机械损伤是外力引起的局部质地变化的结果。

果品的质地主要取决于细胞间的结合力、细胞壁构成物的机械强度以及细胞的大小、形状及紧张度等。

不同的外力形式和强度将引起果品质地的骤变或缓变,从而发生现时或延迟损伤。

各种类型外力的作用直接或间接地破坏或改变着果品的原有质地,从而产生不同形式的损伤。

运输使果品表面接触部位承受反复的挤压、冲击、摩擦等作用,形成不规则的平浅型环状损伤。

同时经外载的反复作用,细胞壁的强度和细胞间的连接力发生破坏和变化,产生塑性或脆性损伤,并使果品有软化趋势。

即使运输后未显示现有损伤,放置后由于果胶的加速降解等原因,也要出现延迟损伤。

而冲击、碰撞使果品在接触部位瞬间受到较大的作用力,此力在瞬间又因回弹而消失。

果品的变形经历了弹性变形、塑性变形过程。

弹性变形未引起现时损伤;塑性变形产生细胞破裂、变形、错位或果肉变软引起现时损伤;碰撞时力的变化速率加剧了细胞微观结构的变化,使其迅速损伤变褐;同时碰撞力向深处传递以吸收碰撞能量,使果皮下组织较深处亦产生损伤。

2　流变特性
果蔬等农业生物产品在收获或运输时会受到机械振动和热负荷造成的损伤。

欲保护果蔬的优良品质,研究果蔬的机械振动和热损伤机制是非常必要的。

同时,果蔬的力学特性也是反映其内在质量优劣的一个重要指标。

分析、测定其损伤前后热流变特性的变化,可为设计最佳贮运工艺和加工装备提供科学依据。

果蔬固体物料一般属于非线性粘弹性体,其力学参数往往随含水量、温度和变形速率而变化,而且一般不是均匀和各向同性的。

迄今,关于果蔬组织的力学特性的表述,几乎全部采用粘弹性模型。

为了研究复杂粘弹性体的流变性质,需要建立一些相应的力学模型。

为此一些简单基本的模型如虎克模型、Max well模型、K elvin2V oigt模型作为组成复杂流变模型的最基本单元被采用,但它们本身不适合表征粘弹性体的复杂流变特征。

果蔬蠕变现象作为果蔬受力变形的一种基本的变形形式,对水果静载损伤与力学特性的研究至关重要。

目前用以表征果蔬蠕变现象时,Burgers的4单元模型应用最广。

国内外许多学者应用Burgers的4单元模型对多种果蔬的蠕变过程进行表征,研究静载损伤与所受载荷、作用时间、变形量之间的关系,得出了一些有益的结论。

运输过程中,振动和冲击碰撞是主要的变形破坏形式,为此研究果蔬的力2变形、应力2应变特性更为重要。

研究表明,许多果蔬产品的力2变形曲线具有典型的S形形状。

Chuma[2]报道了单是桔子的一条类似的力2变形曲线。

同时发现标准的Burgers4单元模型不适合表征此时的力2变形规律。

Peleg[3]和Pitt[4]发现对于装在纸板装运箱中的苹果具有同样的曲线形状。

在此基础上,Peleg[5]提出了一非线性流变模型,用来改进表征和预测果蔬产品的力—变形行为。

这个模型包括:两个具有3次方弹性特性的非线性弹簧,一个粘性阻尼器、一个是C oulomb阻尼器。

并以实际产品测定的力-变形曲线确定模型中的相关参数,使模型与实际建立对应关系。

水果蔬菜都是由大量形状大小不同的多面胞体无规则排列组成。

每个胞体内部充满液体,在胞体和胞内液体间有一层阻止液体流动的薄膜。

胞壁材料受到内部液体的作用和外部的载荷。

为此一些科研人员试图研究单个果蔬胞体的力学性质和整体组织宏观性质间的关系,从而更深入认识胞体在外载作用下破裂的机理与可能性,以及在成熟过程中胞壁、胞体饱胀度、胞体间粘结力的变化情况等。

Pitt[627]用6根弹簧铰接成六边形来模拟胞体,以描述在压力作用下的松弛现象;并应用有限元分析了单个细胞在压力作用下的响应;G ao[8]采用了封闭式的球形胞体和更复杂的多面体胞体模型,并应用薄膜理论得到了胞体变形与外力之间的关系。

3　果蔬的振动特性
在运输过程中的机械损伤主要是动载引起的碰撞损伤和低应力疲劳损伤。

因此其动态特性是运输中主要考虑的机械特性。

迄今为止,果品的振动机制与特性主要围绕对单个果品振动特性、果品运输包装振动试验与减损运输包装技术等。

3.1　单个果品振动特性
国外对果实振动性质的研究较早,从上世纪60年代开始进行研究。

起初的主要目的是进行果实品质的机械分选。

主要是基于果实的振动频率响应特性与它们的成熟度与结实度密切相关。

为此土豆、苹果、桃、蓝莓、番茄等多种产品的振动模型作了研究,试验中,将产品放在机械振动仪上,从20～4000H z,以不同的频率进行振动。

以确定果实的振动频率响应特性,从而对果实按成熟度与结实度进行分类。

而后一些学者把注意力转向了果实的振动损伤研究。

Y ong[9]、W oensal[10]对苹果球状产品研究发现了其扭转与屈服变形模型。

1992年,K immel[11]以球状果实(苹果、桔子)为对象,建立了一套研究与记录球状果实模型的方法。

将产品视为典型的球状连续弹性材料,在大量试验测试的基础上,以果实上部、中部、下部3个共振特性为基础,构建了三振动模块的多自由度振动模型。

并通过测定的频率响应曲线,计算模型参数。

为了对果实的振动变形进行深入的研究,有限元法被应用到研究中来。

对球状产品,Armstrong[12]研究发现苹果变形中存在屈服与赤道部位扩展的现象;而对椭球状产品,R osen2 feld[13]首先发现扭转与屈服变形模型同样存在,Lu&Abbott[14]分析了产品的几何特征对振动模型的影响。

尽管在有限元分
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包装工程　PACK AGI NG E NGI NEERI NG V ol.25N o4.2004
析中建立了一些模型,但这些学者的研究都仍然把球状或椭球状产品变形视为扭转与屈服变形形式。

在此基础上,Cherng[15]利用有限元法对椭圆形甜瓜的振动变形进行理论分析与实验比较。

在测定产品几何参量、特征参数,并把产品看为各向同性、均质的线形体,建立有限元模型,在设定的振动条件后,分析了产品不同部位的振动频率与变形;同时实验测定产品相应部位的振动频率。

国内研究开始于20世纪80年代,潘见[16]以简化的粘弹塑性模型为基础,分析计算了循环载荷下草莓的累积塑性变形,实验考察了振动频率对累积塑性损伤的影响。

王善荣[17]根据水蜜桃的流变模型,建立了水蜜桃的单自由度受迫振动模型。

在振动试验的基础上,运用该模型得出水蜜桃的刚度、阻尼和共振频率等基本动态参数。

3.2　果品包装振动模拟试验与减损运输包装
3.2.1　果品包装振动模拟试验
研究水果运输包装的振动现象,对于研究水果的运输包装有重要的实际意义。

运输模拟技术可在实验室内等价地再现实际运输环境,以确定容器中水果的共振频率以及各层水果的位移和加速度,判断设计出的包装品缓冲包装结构是否适应运输条件。

国外,许多研究人员采用正弦振动扫描测试法对多层容器运输的顶层容器货物进行测试。

Urbanik[18]、Peleg[19]直接进行了装运容器的动态特性测试与评估。

Peleg&Hinga[20]对装满橘子的柱状结构容器在运输过程中的振动破坏进行模拟试验研究。

结果表明无论货物是否捆扎,总是在底层容器产生最大的加速度值。

当柱状结构容器捆扎时,则顶层容器低频变明显放大。

而高频从底部容器到顶部容器逐渐减弱。

Asmstrong[21]研究了用大型散装箱装载苹果的振动特性。

发现散装箱底的刚性在建立散装箱与苹果系统的共振特性起着重要的作用,散装货仓振动对散装货仓中苹果碰伤的影响。

结果表明,货仓底部的刚性在使货仓与苹果产生共振时起了主要作用
国内陈萃仁等[22]利用自制的振动试验台模拟运输环境,通过多因素组合试验,初步分析了振动强度、包装材料、包装方式及成熟度对果实损伤的影响。

祁寿椿[23]研究了苹果经过130～240d贮藏之后,在多种模拟运销条件下的果肉硬度与呼吸动态变化。

康维民[24]探讨了水果运输的振动损伤与振动加速度、振动次数的关系,分析了运输模拟试验中的振动频率、振动加速度、振动时间等参数的确定方法。

但国内这些学者的研究都针对是单级容器的包装工况。

货车、火车等运输工具的车厢结构都为多级装载容器形式,车厢上产生的振动加速度被增幅,并传递到顶部的容器。

在最严酷振动条件下设定某种产品对象而确立运输模拟,研究多级装载包装容器的振动特性更具实际价值。

3.2.2　果品减损运输包装
为防止水果卡车运输过程中的振动损伤,需要对水果实施各种缓冲包装。

通过模拟运输振动试验,是开发或改进缓冲包装、解决水果运输振动损伤的有效途径。

Barchi[25]研究了模拟振动下的枇杷的损伤,在测量了卡车从西班牙到意大利运输的振动参数后,用振动器模拟。

结果发现,包装箱的位置对损伤的影响较小,而采用隔衬可降低损伤。

Schulte[26]研究了运输对皇冠苹果损伤的影响。

结果表明,装运过程中,在软质纸托盘包装中产生的冲击大于20G时,苹果最容易受损伤。

S ingh[27]采用无规则振动模拟装运环境,探索不同包装和不同缓冲类型的车辆对苹果损伤的影响。

在纸箱内采用4种包装形式即泡沫托盘、纸浆托盘以及2种纸板隔衬。

结果发现:泡沫托盘形式保护性能最优,纸板隔衬次之,而纸浆托盘形式最差。

同时发现,对所有包装形式,具有气垫缓冲悬挂系统产生的损伤比金属弹簧板悬挂系统更严重。

Jones[28]研究了预测农产品在运输中损害量的模型。

首先建立一种道路-交通工具-负载系统模型,利用力学特性描述交通工具和载荷的元素,用来计算被产品吸收的能量,继而计算出产品的物质损害量,进行瘀伤量预测。

国内孙骊[29]对苹果振动参数、苹果损伤的影响进行了初步的研究,得出了损伤与振动加速度、振动时间、承载重量之间的多元线性实验回归方程。

4　果蔬的碰撞冲击
对于个体果品的冲击损伤研究,Franke[30]采用二阶微分非线性方程建立冲击模型。

Lichtensteiger[31]将番茄作为球形粘弹性体,进行刚性体的跌落试验。

建立了一简单的模型以分析跌落产品的加速度、速度以及变形。

初步探讨了跌落中产品的冲量、恢复系数以及能量变化。

李小昱[32]也对苹果碰撞损伤进行了研究,通过苹果的碰撞试验,当苹果落至刚平面时,得出损伤体积与降落高度、最大加速度、垫子厚度、最大碰撞力、吸收能量和碰撞时间的线性相关性较强的结论。

H olt&Schoorl对包装容器中苹果冲击损伤进行了较为深入的研究。

在观测装于塑料桶内的苹果与刚性表面冲击的过程后提出模型,分析相邻苹果间的能量吸收,以估计所引起的损失[33]。

同时研究了包装箱内苹果不同排列方式的损伤,发现苹果的总损量和损伤在各层的分布均与苹果在箱内的排列方式无关,且发现包装箱的平行侧壁对苹果的损伤分布无显著影响。

用能量原理成功地解释了3种不同排列方式下苹果冲击损伤的试验结果[34]。

认为苹果的损伤体积与其所吸收的能量成正比,吸收的能量造成了机械损伤[35]。

李小昱[36]对苹果之间碰撞损伤进行了研究,发现苹果碰撞后,两个苹果的总损伤体积与吸收能量线性相关;单个苹果的损伤体积与碰撞中的吸收能量不存在相关性。

5　结语
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卢立新等　果品运输中的机械损伤机理及减损包装研究进展
应用包装动力学的基本理论,从工程设计和应用的角度出发,对减少在装卸和运输过程中由于冲击和振动载荷对果品产生的机械损伤,有着重要的工程意义。

目前国内外学者在这方面作了一些研究工作,并取得了一定的成果与进展,但离工程应用距离尚远,运输中果品机械损伤与减损包装的基本技术机理、技术参数还未摸清。

作者认为以下一些问题值得深入研究。

1)　水果等生物产品的基本力学特性和本构关系的系统研究。

应从细观的角度进行更深入的探讨。

这些基本性质对进一步理解和分析果品机械损伤机理、试验结果以及进行数值模拟都是非常必要的。

2)　果蔬流变模型分析都基于静态或准静态工况,在确定蠕变与松弛特性研究中是合适的;但当果品动态行为是主要因素时,则需要进行动态测试及其表征,目前这一方面的研究工作很少。

3)　为减少水果运输过程中的机械损伤,实施缓冲包装是必需的。

目前果品对缓冲衬垫的振动冲击机理还未摸清,果品缓冲包装设计无法进行。

4)　对于果蔬这类有生命的产品,怎样应用包装动力学理论去解决实际工程问题,还有许多方面需要进一步研究。

例如,从实验和理论方面,系统地研究果品的机械性质和破坏机理,确定果品的破损边界等问题;如何建立可以刻画果品包装系统对冲击和振动响应的实用方法等。

5)　目前对于果品机械损伤机理,一种观点认为水果损伤是根据载荷条件由剪切或法向应力所致,即所谓最大应力观点;另一种观点认为水果损伤可根据某一正应变是否超过极限值来确定,即所谓临界应变观点。

这两种机械损伤机理观点完全不同的,需要今后进一步研究。

6)　由于粘弹性材料的本构关系随时间、频率和温度的变化而变化,使得对粘弹性复合结构的动特性分析大为复杂化。

虽然目前国内外学者提出了多种模型,但都因为各有限制,而使进一步理论分析受到限制。

7)　目前果品机械损伤的研究对象种类较少,主要集中在一些抵抗能力较强的产品。

而大量易产生机械损伤的产品的振动特性与减损包装研究不多。

需要特别说明的是,我国对农业物料的力学性能研究始于上世纪50年代,中间由于多种原因停止了一段时间,到80年代才引起有关学术界的重视。

目前这一领域的研究工作才刚刚起步,大量数据有待测定,果品的流变学特性的应用研究,仍处于空白状态。

此外由于水果等生物材料的基本性质随品种和生长地域不同而异,国外的研究数据不一定能适用于我国。

因此,需要我国科技工作者进行大量的研究工作。

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包装工程　PACK AGI NG E NGI NEERI NG V ol.25N o4.2004
从表1中可以得出:经过臭氧处理的果蔬,在常温下保存2周以上,其保鲜效果95%以上达到食品卫生要求。

4　结　语
臭氧果蔬保鲜包装技术,作为一种基于果蔬物流过程中的保鲜方法,很多方面还有待于研究,以果蔬采后生理研究为基础,以减少果蔬采后物流过程中的损失为目标,尽快研究形成以保鲜包装技术方法、包装材料等为重点的果蔬保鲜技术,才能有效地减少果蔬采后损失,实现农民增产增收,促进“菜篮子”工程建设,满足消费者多层次需要,有利于无公害食品的生产和人体健康,对提高我国农产品在国际市场上的竞争力,促进果蔬产业的良性和快速发展,具有十分重要与深远的意义。

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