温度对胡萝卜拉伸弹性模量的影响

2022-08-09杨佳

食品安全导刊 2022年20期

杨佳

（天津商业大学机械工程学院，天津 300134）

胡萝卜因含有丰富的营养价值而被越来越多的人所喜爱。果蔬受贮藏时间和环境温度的影响，其品质和质地会发生变化[1-2]。传统的低温（4 ℃左右）储运有利于保持胡萝卜的品质，而较高温度（20 ℃左右）的短期储运不仅能保证新鲜胡萝卜的安全性和品质，还能提高胡萝卜的抗氧化活性和营养价值[3]。弹性模量是评价果蔬力学性能的重要指标，研究温度对弹性模量的影响，以及如何实现果蔬力学性质的快速测量，能为果蔬存储运输以及生物力学性质研究等方面提供重要的技术支持[3-5]。

目前测量果蔬的弹性模量主要是接触式测量。吴亚丽等[6]用压痕法测定果蔬的弹性模量，建立了弹性模量与压痕变形的数学模型。BAJEMA 等通过自制的压力锤进行马铃薯静态压缩实验，得到了温度与马铃薯力学性能的关系[7-10]。由于果蔬材质的特殊性，使用接触式测量会严重影响果蔬的力学性能，因此用非接触式技术来测量果蔬的弹性模量是非常有必要的。

数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）方法是一种非接触式的光测力学变形测量方法，相较于传统测量方法，它具有适用范围广、环境适应性强、实验过程简单和测量精度高等优点。目前基于数字图像相关方法，有关温度对果蔬弹性模量影响的研究鲜有报道。本研究基于数字图像相关方法测试胡萝卜的弹性模量，探究了在胡萝卜存储环境温度出现变化时，温度对其弹性模量的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

外观完好的新鲜胡萝卜（购于天津物美超市），采购后立即运回实验室。用清水洗净后，用Leica 生物组织切片机将胡萝卜样本切成厚度为1 mm 的切片，再由哑铃型刀具冲压成哑铃试样，试样中间宽度为4 mm，长度为50 mm，狭窄段平行长度为20 mm。胡萝卜为各向异性材料，切取胡萝卜时应为同一方向的取样，其他方向切取的胡萝卜试样的弹性模量测试方法与本方法相同。胡萝卜试样如图1 所示。在新鲜的哑铃胡萝卜试样表面做黑、白两种颜色的散斑标记。在进行弹性模量测试试验前，分别对喷斑和未喷斑的胡萝卜哑铃试样做拉伸试验，得出的载荷-位移曲线几乎没有差别，验证了喷斑对胡萝卜本身的力学性能影响很小，可忽略不计。

图1 试样形状与尺寸

1.2 仪器与设备

实验系统如图2 所示，英国Linkam TST350 拉伸系统，包括冷热台、温度控制器、冷却系统和温度控制软件。冷热台为气密样品腔室，内有温度传感器、力传感器和拉伸装置等。升温过程为加热带有电阻丝的银台，通过热传导升温。降温过程是在气密腔室先排出空气，后通入液氮降温。图像采集系统，包括CCD（Charge Coupled Device）相机、1 ∶1的施耐德双远心镜头和环形光源等。

图2 数字图像相关实验系统

1.3 试验方法

将喷斑后的胡萝卜哑铃试样装到冷热台上，并用夹具固定。检查密封条安装无误后盖上腔盖，形成密闭腔室。调节CCD 相机、远心镜头和冷热台三者的相对位置，调节光源，使CCD 相机通过远心镜头后能采集到清晰的胡萝卜拉伸图像，图像帧频为1 帧/s。在开始拉伸前对胡萝卜试样施加一定的预紧力，设置拉伸速率为10 mm/min，拉伸台采集载荷位移信息为每秒采集一次。同时触发拉伸和图像采集按钮，保证采集到的图片与拉伸载荷位移参数一一对应。实验结束后，打开冷热台腔盖，观察胡萝卜试样的断裂位置，在试样平行段断裂试验有效。

利用美国CSI 公司的Vic-2D 软件将采集到的胡萝卜拉伸图像做DIC 计算。选定分析区域，设置子区的大小为41 像素×41 像素，步长为1，对每一张图片作相关分析计算。在计算后的参考图像上选择相等的6 条虚拟引伸计作为标距。每条引伸计的间隔相同，得到该图片的平均线应变ε。用拉伸系统测得此时的力值F，胡萝卜哑铃试样横截面积S为4 mm2，可计算出试样的应力σ，以线应变ε为横坐标，应力σ为纵坐标，绘制σ-ε曲线，通过对曲线弹性段进行线性拟合后的斜率即为弹性模量E。

为探究存储环境出现波动时，温度对胡萝卜弹性模量的影响。试验设计了升温范围为0 ～30 ℃，降温范围为0 ～-25 ℃，每间隔5 ℃保持10 min 后开始拉伸并采集图像，每个温度下重复测5 组试验得到弹性模量，最终取其平均值为胡萝卜在该温度下的E。

2 结果与分析

在冷热台气密腔内，改变胡萝卜哑铃试样所处的环境温度，温度稳定并保持10 min 后采集胡萝卜拉伸过程中的图像，利用采集到的图像在Vic-2D 软件中进行DIC 计算分析，最终得到不同环境温度下胡萝卜的弹性模量E。分别绘制胡萝卜弹性模量E随温度T的变化曲线，能更加直观地观察二者的关系，如图2 所示。

由图3 可知，当存储环境温度出现波动时，胡萝卜的弹性模量也在发生变化。如图3（a）所示，升温至20 ℃过程中，胡萝卜的弹性模量E随着温度T的升高而增大，但从20 ℃升温至25 ℃过程中，胡萝卜的弹性模量E突然减小，当温度T继续升高到30 ℃的过程中，其弹性模量E又出现微幅上升，胡萝卜在25 ℃时弹性模量E出现拐点。如图3（b）所示，降温至-10 ℃过程中，胡萝卜的弹性模量E随着温度T的降低而缓慢增大，当温度降为-20 ℃时胡萝卜弹性模量达到最大值，此时，胡萝卜已失去品质保证，温度由-20 ℃降为-25 ℃过程中，弹性模量又急剧减小。