武新慧，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷　030801)



果蔬压缩力学性质与细观结构变位的动态响应

武新慧，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷030801)

摘要：研究果蔬的压缩力学性质可为果蔬加工、运输、检测包装等生产环节提供设计参数及工艺优化依据。为此，以几种常见果蔬为研究对象，在INSTRON生物材料性能试验机上搭载了电子显微镜图像采集系统，在进行果蔬试样压缩力学性质试验测试的同时，对压缩变形过程进行了动态图像采集与分析，获得了果蔬的压缩强度极限、弹性模量等力学性质指标。同时，结合电子显微镜采集到的压缩过程果蔬细观结构变形图像，通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况，分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联，了解了果蔬压缩力学性质与压缩过程中细观结构变位的动态响应。

关键词：果蔬；细观结构；压缩力学性质；变形响应

0引言

研究果蔬的压缩力学性质在果蔬加工、贮藏、运输等生产环节的工艺参数选择和相关加工装备设计，对产品质量提高和品质检测等方面具有应用意义[1-2]。国内外学者对于果蔬压缩力学性质的研究主要是通过果蔬压缩试验，测得其力-位移曲线[3]或者应力-应变曲线[4]，分析其曲线变化规律及受力变形特点，获得弹性模量、屈服强度、抗压强度等力学性能指标[5]。同时，也有关注果蔬的细观结构[6]的研究，用显微镜[7]、扫描电镜[8]等仪器设备获得果蔬受力变形后的细观组织图像，结合试验测得的力学性质和宏观变形破坏现象，从微观层面分析果蔬变形破坏机理。但是，这些研究只表达了果蔬受力变形最终状态或中间某一时刻的细观结构变位与力学特性相关关系，没能连续地进行果蔬受力变形过程中微观结构变位的动态响应分析。因此，本文在INSTRAN材料力学性能试验机上搭载了动态显微镜观测系统，实现了对果蔬加载的同时采集了果蔬微观结构变位的图像信息，进行了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子的压缩试验，并分析了细观结构变位的动态响应。

1材料和方法

1.1　材料的选取及贮藏

本文选取山西本地产的果蔬为试验材料。水果包括苹果、梨，均采自山西省农业科学院果树所；蔬菜包括马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子，均为市场采购，挑选新鲜成熟、无机械损伤、同一品种大小相近的样本。将样本分别用保鲜袋保存，储藏于4℃冷藏柜中保鲜，备用。

1.2　仪器与设备

本试验使用的主要仪器及设备有： 5544电子万能材料试验机(美国INSTRON公司)，最大载荷为2kN；CMM-15E透反射金相显微镜(上海光学仪器厂)，总放大倍数为40X-2000X，显微图像可由CCD实时记录并通过计算机显示屏观察实时动态图像，图像分辨率为320×240，存储速率为24帧/s；DHG-9023A型电热鼓风干燥箱(无锡三鑫精工试验设备有限公司)，温度调节范围为50～200℃；MP2002电子天平(上海精密仪器仪表有限公司)，称量范围200g，可读性0.01g。

1.3　试验方法

1.3.1样品制备

将试验材料从冷藏柜中取出，待其恢复室温后去皮洗净，切成10mm×10mm×15mm的矩形试样，每种试样均切20个，已切好的样品及待切样品均用聚乙烯薄膜密封保存，备用。

1.3.2含水率测定

每种样本随机选取1个，洗净去皮后切取一小块试验部位样本用于测量物料的含水率。称量所取得的样本质量，随后切成细丝放入已烘干恒定质量的玻璃器皿中，置于100℃恒热鼓风干燥箱中4h，待其质量恒定后称重。含水率的计算公式为

(1)

式中Mw—含水率；

mw—物料中所含水的质量；

ms—物料中所含干物质的质量。

1.3.3压缩力学试验

用电子万能试验机对每种试样进行压缩试验，同时用电子显微镜观察压缩过程中试样侧表面细观图像变化情况。根据美国农业工程学会(ASAE)推荐标准，控制试验室温为20℃，相对湿度为(50±5)%，每种试样测定20次[9]。电子万能试验机的压缩速度控制为1mm/min，压缩试验前预加载速度为5mm/min，预加载载荷0.1N，设定荷载率达到40%时试验自动停止。

2试验结果及分析

2.1　果蔬压缩力学性能

表1给出了几种不同果蔬以及果蔬不同部位试样的压缩力学性能值。表1中，含水率由式(1)计算得到，最大载荷Fmax、载荷最大时的位移L、杨氏弹性模量E均由INSTRON万能试验机自动计算生成。强度极限σ的计算公式为

(2)

式中Fmax—最大压缩载荷；

A—试件的初始横截面积。

由于压缩位移-压缩载荷曲线上没有明显的屈服点，通常认为当生物物料的微观结构开始破坏时物料屈服。因此，当显微图像上看到细胞渗水时，认为细胞屈服。生物屈服强度σ′由式(3)计算得到。式中，屈服载荷F′为当电子显微镜观察到果蔬试样表面细胞出现渗水现象时所对应的压缩载荷。那么，则有

(3)

式中F′—屈服载荷。

图1为几种果蔬试件的压缩位移-压缩载荷曲线。随着压缩位移的增大，压缩载荷随之增大，直到试件发生断裂时(见图2)压缩载荷急速下降，此时所对应的点为试件破裂点。由于茄子属于海绵体生物材料，因此没有破裂点，随着压缩位移的增加，压缩载荷不断增加。几种不同果蔬的强度极限不同，梨的强度极限为0.40MPa，在几种果蔬中最小。因此，在运输加工时也最易受外力作用而损伤，然后随着压缩位移的增大，压缩载荷减小。各向异性的果蔬不同的测试部位表现出的压缩力学性质也有所不同：胡萝卜芯部的强度极限达到了2.16MPa，而果肉部分仅为1.48MPa。几种果蔬中胡萝卜的强度极限最大，不容易受外力损伤，因此也更易保存。

表1　果蔬压缩力学指标试验值

2.2　果蔬压缩细观结构变位图像

在用INSTRON电子万能试验机对试样进行压缩试验的过程中，用电子显微镜观察记录试样表面细观结构变化情况。图3～图5分别为苹果、马铃薯、茄子试样不同压缩阶段的细观结构变化图。

图1　果蔬压缩载荷-压缩位移曲线

图2　马铃薯试件断裂面

图3　苹果试件细观结构图

图4　马铃薯试件细观结构图

图5　茄子试件细观结构图

图3～图5中：

(a)为果蔬试件侧表面细观结构图。可以看到：没有经过加载的苹果、马铃薯试样细胞结构完整、呈现出腔结构、细胞饱满、边缘清晰、形状规则，排列整齐、紧凑。

(b)为果蔬试件加载但未屈服时的细观结构图。此时，苹果的压缩位移为1.135mm、压缩载荷为3.192N，马铃薯的压缩位移为0.418mm、压缩载荷为5.478N，茄子的压缩位移为1.278mm、压缩载荷为1.024N。图中可以看出：果蔬细胞变形、排列不规则、结构疏松、变形严重，但未见水分明显渗出。

(c)为果蔬试件刚屈服时的细观结构图。此时，苹果试样的压缩位移为1.754mm、压缩载荷为9.532N；马铃薯试样的压缩位移为0.961mm、压缩载荷为17.685N；茄子试样的压缩位移为1.996mm、压缩载荷为2.296N。图中细胞渗水，认为细胞结构已破坏，水分从细胞中扩散出来，已看不到明显的细胞结构。

(d)为果蔬试件屈服后继续加载的细观结构图。图中已充满水分，随着电子万能材料试验机的继续加载，细胞破坏严重，水分大量渗出，已完全看不到细胞结构，并且细胞中的一些大分子物质悬浮于渗出的水分中。

2.3果蔬压缩力学性质与细观结构变位动态响应

分析

果蔬是由细胞组成的，细胞的组成、形状、结构、排列方式及各项生命功能都与果蔬的力学特性有关。果蔬细胞由细胞壁、细胞核、液泡等组成。由于细胞壁主要由一些可以承受较大抗拉强度的微丝和微管组成，因此起到了承受外部载荷、维持植物细胞形状的作用[10-11]。当果蔬受到外加载荷时，果蔬细胞壁可承受外部载荷，同时细胞内液体的压力可以保证细胞壁受压缩时不会失稳，苹果和马铃薯的细胞壁应变可达到15%[12]。细胞之间是通过胶状物连接的，胶状物具有流变特性且可以传递压力，因此当表层细胞受力时，可将压力传递到相邻细胞[13]。随着外部压力的逐渐增大，由于细胞内液体的压力抵抗细胞变形，细胞内压随之增大，当细胞内压超过临界值时细胞破裂，此时果蔬细胞结构崩塌，内部水分及细胞内物质渗透，果蔬达到生物屈服极限，受到机械损伤。

3结论

1)试验测试了苹果、梨、马铃薯、白萝卜、胡萝卜、茄子的压缩力学特性，得到了以上几种果蔬的压缩最大载荷、强度极限、杨氏弹性模量及生物屈服强度。

2)采集了压缩过程中果蔬的细观图像，通过观察压缩过程果蔬细胞的变形、微结构变位及渗水等情况，分析了果蔬材料的屈服强度、压缩强度及材料破坏与细观结构变位的关联。

3) 分析了果蔬压缩过程中细观结构变位对压缩特性的影响机理及果蔬的细观损伤机理。

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Abstract ID:1003-188X(2016)08-0160-EA

Dynamic Response of Compression Behavior and Meso-structure of Fruits and Vegetables

Wu Xinhui, Guo Yuming

(College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Abstract：The study of compression behavior of fruits and vegetables can provide design parameters and process optimization for processing, transport, detection of fruits and vegetables. Apple, pear, potato, white radish, carrot and eggplant were chosen as the subject of the compression experiment. The microstructure and compression behavior of fruits and vegetables were gained by INSTRON tester and electronic microscope acquisition system. In this paper, analyzed the compression deformation and gained the yield stress, ultimate strength, elasticity modulus. We have observed the microstructure deformation image of cells, such as the deformation and seepage of fruit and vegetable cells. The relationship between yield stress and the microstructure when cells yield was determined and the influencing mechanism of compression behavior of fruits and vegetables by microstructure deformation was analyzed.

Key words：fruits and vegetables; microstructure; compress-mechanical property; deformation response

中图分类号：S183；Q66

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0160-04

作者简介：武新慧(1990-),女，太原人，博士研究生，(E-mail)wuxinhui0321@163.com。通讯作者：郭玉明(1954-)，男，山西平定人，教授，博士生导师，(E-mail) guoyuming99@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(30771242, 31171450)；山西省重点实验室基金项目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-14