杨欲晓 ，于世辉 ，李小龙 ，张 宏 ，肖爱玲 ，刘 扬 ，苏广东

（1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.塔里木大学 现代农业工程重点实验室，新疆阿拉尔 843300）

0 引言

库尔勒香梨是新疆特色水果，以皮薄、肉脆、汁多、味甜、酥香、爽口、耐贮藏，以及营养丰富等特点驰名中外［1-3］。但在采摘、运输、贮藏、加工过程中，易遭受机械损伤［4］。果实受损后，遭受病原体感染，在极短时间内腐烂变质，并迅速感染周围正常果实［5］，直接影响品质及经济效益，每年因机械损伤造成的果实腐烂率高达15%，直接经济损失6 000万元以上［6］。因此减小库尔勒香梨采摘期内机械损伤的影响，可为库尔勒香梨的采收、运输、贮藏、加工等环节提供理论指导，对减少腐烂损失，延长新鲜库尔勒香梨供应期具有重要研究意义。

近年来，国内外学者针对农产品机械损伤问题进行了大量研究。伊尹君［7］针对宽皮柑橘质量降低与果实硬度变化，建立了评估柑橘机械损伤的方法，量化了柑橘机械损伤程度，建立了柑橘机械损伤的二分类模型，对柑橘在受挤压和跌落作用下的损伤情况进行了预测。吴杰等［8］揭示了库尔勒香梨与不同材料碰撞的接触应力分布面积与损伤面积的关系，建立库尔勒香梨的损伤面积预测模型。陈燕等［9］通过建立柑橘的有限元模型来模拟机器人不同指面夹持柑橘的过程，结果表明果皮的损伤在果肉之后，同一夹持力下，平指对柑橘果皮和果肉的作用力要大于弧指，果肉所能承受平指最大夹持力为23 N，能承受弧指最大夹持力为45 N。OPARA等［10］探究了两种不同款式透风瓦楞纸箱对苹果静压损伤的灵敏性，结果表明纸箱厚度、尺寸和纸板组合形式严重影响纸箱外部压缩载荷的抵抗力，纸箱外部压缩载荷超过所能承受极限就会导致苹果表面损伤，从而导致果实表面引发局部褐变，进而降低果实的口感。FU等［11］探究了在不同的聚氨酯泡沫缓冲材料保护下的苹果受冲击载荷损伤的影响，结果表明，苹果果梗区域比果径区域对损伤等影响更敏感，当缓冲材料的硬度大于4.8 kPa时，苹果受损伤的概率大大降低，为苹果提供了良好的缓冲保护。国内外学者均针对农产品的机械损伤进行了大量研究，但研究对象主要针对同一采摘期的农产品，关于不同采摘期对库尔勒香梨静压损伤影响规律方面的研究鲜有报道。

本文利用电子万能材料试验机对不同采摘期下库尔勒香梨进行静压损伤试验，研究不同成熟度库尔勒香梨机械特性参数，建立不同成熟度库尔勒香梨变形量与静压损伤面积关系的数学模型，研究采摘期内硬度变化规律，为指导库尔勒香梨的采摘、贮运、加工过程提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试样采自南疆优质库尔勒香梨生产区阿拉尔市11团10连的常规管理梨园。采样期从2019年9月1号至9月29号，此时间段为库尔勒香梨采摘期［12］，每隔4天选取形状规则相似、无病虫害、无损伤、无粗皮［13］、平均重量为（117.5±2.5）g的70个库尔勒香梨为试验样本，共计采样8次。根据兰海鹏［14］的库尔勒香梨成熟度评价方法，定义硬度为评价指标，可得采摘8次的库尔勒香梨成熟度分别为15%、16%、18%、35%、65%、85%、92%、97%。

1.2 试验方法

1.2.1 机械特性测量试验

如图1所示，在通风良好的室温环境下，选用电子万能材料试验机对库尔勒香梨进行压缩速率为20 mm/min的横向压缩试验，直到肉眼可见库尔勒香梨表皮被平板压头压破裂，然后立即抬升电子万能材料试验机的平板压头，每一成熟度机械特性参数测量试验重复10次，分析库尔勒香梨受力-变形曲线。如果多次试验数据服从正态分布，则取其算术平均值作为该组等精度试验数据中的最佳数据，记录库尔勒香梨各机械特性参数。

图1 库尔勒香梨受压简图Fig.1 Schematic diagram of compression of Korla fragrant pear

1.2.2 受损面积测量试验

选用电子万能材料试验机对50个试验样本进行压缩速率为20 mm/min的横向压缩试验，变形量选取 5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm。当库尔勒香梨变形量达到所设定数值后，立即升起平板压头，把做完静压试验后的库尔勒香梨放置于25 ℃恒温箱中静置24小时后取出，立即测量库尔勒香梨损伤面积，每一变形量测量库尔勒香梨损伤面积试验重复5次，记录数据并计算其平均值［15］。

如图2所示，损伤面积公式为：

图2 损伤面积测量示意图Fig.2 Schematic diagram of damage area measurement

式中 S——静压损伤面积，mm2；

a——长半轴的长，mm；

b——短半轴的长，mm。

1.2.3 采摘期内库尔勒香梨硬度测量试验

选取型号GY-1果实硬度计进行硬度测量试验，将库尔勒香梨削去薄薄的一层果皮后测量，握住硬度计使其垂直于被测水果表面，用力均匀地将压头压入被削皮的果实表面。此时指针发生转动，当观察到压头压到刻度线时停止，此时读取数值，每一硬度测量试验重复10次，记录试验数据，并计算其平均值。

1.3 数据处理

采用Spss软件与SigmaPlot软件进行数据处理。

2 结果分析

2.1 采摘期内库尔勒香梨生物屈服极限

如图3所示，通过静压试验，可得到采摘期内库尔勒香梨的受力-变形量曲线，S点为库尔勒香梨生物屈服点，B点为库尔勒香梨生物破裂点。观察图3可发现各曲线在变形量未达到S点之前，均呈线性变化，此时库尔勒香梨受压过程为弹性形变，库尔勒香梨内部细胞组织尚未发生破裂［16］。S点之后压缩力开始下降，库尔勒香梨内部细胞组织发生破裂。此时库尔勒香梨屈服最小变形能为S点处横坐标与曲线围成的面积。S之点后变形量随着压缩力增大而增加，到达B点之前，库尔勒香梨虽产生不可逆形变，但果实表皮未破裂；B点之后变形量随着压缩力增加而急剧下降，果实表皮破裂，此时库尔勒香梨的最小破裂能为B点处横坐标与曲线围成的面积。各采摘期库尔勒香梨的机械特性参数见表1。

图3 采摘期内库尔勒香梨的受力-变形量曲线Fig.3 Force-deformation curve of Korla fragrant pear during harvest period

表1 库尔勒香梨采摘期内机械特性参数Tab.1 Mechanical characteristic parameters of Korla fragrant pear during harvest period

由表1可知，在采摘期内果实各机械特性参数均随着采摘期的后延而减小。采摘期内果实屈服极限力范围为53.80～148.37 N，屈服极限变形量范围为1.79～4.81 mm，变形能范围为51.12～322.52 N·mm，破裂极限力范围为78.28～209.91 N，破裂极限变形量为2.49～6.89 mm，破裂能范围为96.91～693.12 N·mm。采摘期9月1～9日、9月21～29日果实的机械特性参数变化较小，采摘期9月9～21日果实的机械特性参数变化较大。

2.2 采摘期内库尔勒香梨损伤面积

如图4所示，在同一采摘期下，果实损伤面积均随变形量的增大而增大；在相同变形量下，果实损伤面积均随采摘期的后延而增加。9月1～9日相邻采摘期库尔勒香梨损伤面积差值范围为6.81～80.45 mm2，采摘期9月9～21日相邻采摘期库尔勒香梨损伤面积差值范围为79.76～268.22 mm2，采摘期9月21～29日相邻采摘期库尔勒香梨损伤面积差值范围为16.43～62.88 mm2。可发现采摘期9月9～21日相邻采摘期库尔勒香梨损伤面积差值明显高于9月1～9日、9月21～29日相邻采摘期。

图4 库尔勒香梨采摘期内变形量与损伤面积的关系Fig.4 Relationship between the deformation and damage area of Korla fragrant pear during harvest period

其数学模型如表2所示，可发现R2范围为0.996 6～0.999 7，数学模型拟合优度良好，表明该模型能很好的表征变形量与损伤面积关系。

表2 库尔勒香梨变形量与损伤面积数学模型Tab.2 Mathematic model for the relationship between the deformation and damage area of Korla fragrant pear

为了建立采摘期内果实变形量与损伤面积的数学关系，根据试验数据对其做拟合分析，得到曲线数学方程：

式中 S——静压损伤面积，mm2；

ΔL——果实变形量，mm；

a、b、c——常数。

2.3 采摘期内库尔勒香梨的硬度

由图5所示，采摘期果实整体硬度呈下降趋势，这是因为在库尔勒香梨发育后期，细胞壁的结构与成分发生改变。随着果实成熟度提高，细胞壁变薄，大量细胞壁结构消失，细胞壁含量缓慢下降，导致库尔勒香梨硬度逐渐下降［17-18］。按照果实硬度曲线变化规律可将采摘期9月1～9日、9月9～21日、9月21～29日依次分为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段，第Ⅰ阶段硬度下降速率为0.06；第Ⅱ阶段硬度下降速率为0.96；第Ⅲ阶段硬度下降速率为0.27。第Ⅰ阶段与第Ⅲ阶段硬度下降速率大致相同并且均小于第Ⅱ阶段，这是由于果实生长发育期间水解酶的活性改变导致。采摘期内第Ⅱ阶段果实内部水解酶活性高于第Ⅰ、Ⅲ阶段果实［19］，水解酶活性的提高能促进细胞壁主要成分纤维素、原果胶的分解，使得细胞壁结构大量减小，导致采摘期内库尔勒香梨的机械特性参数在第Ⅰ、Ⅲ阶段差距较小，在第Ⅱ阶段差距较大。同样造成采摘期内库尔勒香梨变形量与损伤面积的曲线在第Ⅰ、Ⅲ阶段较为接近，在第Ⅱ阶段较为远离。果农在第Ⅰ、Ⅲ阶段采摘库尔勒香梨时，受静压影响波动较小，在第Ⅱ阶段时，受静压影响波动较大，故此阶段适宜尽快采摘，避免造成过多静压损伤，减少果农经济收入。

图5 不同采摘期下硬度的变化规律Fig.5 Change rules of hardness during different harvest periods

3 结论

（1）不同采摘期果实的机械特性参数曲线变化规律大致相同，生物屈服极限、破裂极限、变形能、破裂能均随着采摘期的后延而增加。

（2）不同采摘期果实的损伤面积均与变形量呈一元二次方程变化，采摘期9月9～21日相邻采摘期库尔勒香梨的变形量与损伤面积曲线较为远离，采摘期9月1～9日、9月21～29日相邻采摘期库尔勒香梨的变形量与损伤面积曲线较为接近。

（3）采摘期内果实硬度整体呈下降趋势，第Ⅰ阶段果实硬度（7.85～7.98 kg/cm2）、第Ⅲ阶段果实硬度（4.43～4.97 kg/cm2）下降速率均小于第Ⅱ阶段（4.97～7.85 kg/cm2），第Ⅰ、Ⅲ阶段采摘期内库尔勒香梨变形量与损伤面积的曲线较为接近，第Ⅱ阶段较为远离。果农在第Ⅰ、Ⅲ阶段采摘库尔勒香梨，受静压损伤的影响波动较小，在第Ⅱ阶段受静压损伤的影响波动较大，第Ⅱ阶段需赶时采摘，避免造成过多经济损失。