果蔬采后机械损伤特性研究进展

虢露葭，李 萍，侯晓荣，邓红军，茅林春

(浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江杭州310058)

水果和蔬菜在采前和采后都会受到不同程度的机械损伤。采前机械损伤少有规律可寻，难以控制，相关研究并不多，一般集中在对果蔬的套袋研究，而较为严重的机械损伤一般发生在采收以后［1］。采后机械损伤是指果蔬在采收、分级、包装、装卸、运输、加工、贮藏和销售的各个环节中因受到跌落、碰撞、振动、挤压、摩擦、刺伤和鲜切等作用而引起果实变形，果皮、果肉破损等伤害。Van等［2］提出机械损伤是由于果蔬物理损伤而导致细胞壁相关蛋白质的作用，引起细胞壁成分分解所致。

果蔬采收后仍是有生命的个体，仍然进行着正常的新陈代谢，其化学成分、组织结构和水分等物质在采后都在不断地发生变化。据有关数据统计，我国每年生产的水果、蔬菜从田间到餐桌，损失率高达25%～30%［3］。机械损伤是引起果蔬采后损耗的主要因素。机械损伤不仅会造成果蔬感官变化，引起果实内部水分和汁液的流失，导致果实组织的结构破坏、外观质量降低及营养成分的损失，而且增加了微生物侵染的危险性，使果实衰老加快，腐烂增加，导致果蔬货架期缩短，情形更甚者则会引起整个果蔬的腐烂，严重影响果蔬品质及其经济效益。因此，通过研究机械损伤的类型及其特性，采用科学有效控制损伤的措施，对于减少采后果蔬损耗和维持产品品质具有十分重要的现实意义。

1 不同类型机械损伤特性

1.1 静压损伤

静压损伤多发生在贮存过程中，成堆的果蔬处于自然静止状态，某层的果蔬受到其上各层果蔬重量的作用，随着时间延长而发生静止破坏，其损伤部位多发生在接触区域［4］。果蔬的静压损伤多表现为果蔬受到挤压而产生的形变。静压损伤的研究一般采用外表层的粘弹性静载实验，研究外载力大小与贮存时间对静压损伤的影响程度，用接触面积或直径的变化来表述其损伤规律，从而可用静载作用时间来描述其损伤程度。果蔬蠕变现象作为果蔬受力变形的一种基本形式，对水果静载损伤与力学特性的研究至关重要。Burgers的四单元模型在表征果蔬蠕变现象中应用最广［5］。杨晓清和王春光［6］利用虚拟样机技术建立蠕变仿真模型、获得蠕变特性参数及本构方程并对影响河套蜜瓜静载蠕变损伤因素进行了分析研究，得出为减少永久变形对果实造成的蠕变损伤，针对成熟度较高的果实应采取低温减轻重压的储运方式。Bernadeth等［7］研究了作用于胡萝卜组织的应力与其果实内酚类物质产生的关系，得出了随着应力强度的增加，果实内产生的酚类物质会明显增加。陈燕等人［8］为减小荔枝在收获、储运过程中的机械损伤，对几种荔枝鲜果进行了不同加载条件的挤压实验，并对其果壳进行了拉伸实验，得出了不同加载速度和压缩方向上的破裂力，证明了荔枝果实的抗挤压能力的各向异性。

果蔬在贮运过程中，由于堆叠而使得底层的果蔬受到其上各层果蔬的压缩载荷作用，因而对堆叠高度加以限制而不至于使单个果蔬所受载荷高于其失效载荷。相关方面的研究主要集中在对堆叠果蔬中压力分布情况的研究［9］。因果蔬损伤是由于一系列的细胞壁破坏、细胞间结合力的丧失以及细胞液的流失而导致的细胞缩水所致。因此，相关的研究涉及果蔬细胞水平的分析、模拟果蔬细胞对于外加载荷的响应机制。大多数研究损伤机理的实验采用准静态压缩法进行。如有研究利用封闭式的球形细胞和更复杂的多面体细胞模型，并应用薄膜理论得到了细胞变形与外力之间的关系［10］。杨晓清等人［11］研究了苹果梨的静载机械特性，通过准静态压缩实验得出不同因素影响下的力与变形曲线，分析并得出果实受压时的生物屈服极限和破坏极限随压缩速率增大而相应增大，体积及成熟度较大的果实受压时均较早进入屈服状态并易发生破裂。果蔬静压损伤的研究为制定质量检验标准，以及贮藏包装或容器的设计提供合理依据，使静压损伤控制在最小范围内。

1.2 振动损伤特性

果蔬在运输过程中的机械损伤主要是动载作用引起的碰撞损伤和振动低应力疲劳损伤。振动带来的低应力循环主要造成疲劳损伤。多年来，国内外对果蔬振动损伤特性的研究主要基于稳态振动和随机振动两种类型的实验方法。稳态振动实验主要用于分析果蔬振动损伤特性。果蔬实际运输经历的是随机振动，为此模拟实际运输工况的研究更具工程实用价值。

运输振动所造成的机械损伤已经在多种果蔬中展开了研究。刘迎雪和卢立新［12］研究了振动过程中振动工况对小番茄呼吸速率的影响及振动后各项生理指标变化，发现在同一振动频率，振动强度越大，圣女果小番茄的呼吸速率则越大。振动后，小番茄的呼吸速率、失重率和酸度明显高于对照水平;而果肉硬度则远低于对照水平。由于随机振动而产生的果蔬机械损伤与运输途中(田间或路途中)的加速度之间有紧密的相关性，因而振动强度一般用振动频率与其加速度功率谱密度(PSD)之间的关系图表示。Jarimopas［13］研究了实际运输工况振动条件下，塑料筐中柑橘的损伤特性。Berardinelli等［14］用电动振动机来模拟运输途中三种梨受振损伤情况，发现车厢内不同位置的果实在损伤程度上有明显差别，并且不同品种梨最大损伤程度发生的位置也不同。张蕾等人［15］研究了三种不同缓冲包装结构在各自的共振频率下定频振15min对油桃采后生理品质的影响，得出由五层瓦楞纸板做成弹簧型结构的水果托缓冲包装，在运输中可以吸收大量的振动能量，从而保证90%的油桃在运输中不受振动损伤。Shahbazi等［16］研究实验室模拟运输过程中振动对西瓜的损伤，评估了振动参数(如频率、加速度、持续时间)和西瓜在箱中的位置对其损伤的不同影响。Van等［17］运用离散元素法(DEM)模拟箱装苹果在不同层次的损伤情况，发现最底层水果损伤程度最严重。有关果蔬在运输过程中达到共振频率是否更能引起损伤的研究数据并不充足。周然等［18］分析了水果实际运输过程中振动状况及损伤，检测了不同路况下钢片弹簧悬架系统的卡车运输黄花梨过程中车厢前后垂直振动，并比较了卡车车厢内不同装载位置梨的损伤情况。卢立新等人［19］通过模拟实际公路运输工况，对不同包装方式(瓦楞纸板衬垫、隔档及网罩)包装的梨果实的受损情况进行测试，从而优化包装材料。

1.3 冲击损伤特性

果蔬的冲击损伤主要表现在果蔬所受到的碰撞和跌落冲击，冲击对果蔬造成的损伤是由于作用在果蔬上的冲击力超过了果蔬自身的强度。一般是由从高处跌落或果蔬间相互碰撞、受外界敲击作用等产生的冲击。碰撞和跌落损伤程度依果蔬跌落高度、碰撞能量、碰撞次数、碰撞或跌落时其表面特性和果蔬的成熟度及大小的不同而异［20］。一般在研究果蔬的碰撞和跌落损伤时，是通过振动实验或是跌落实验，分析碰撞过程中损伤体积与吸收能量、最大加速度、衬垫厚度、碰撞时间等因素的关系，建立相关模型并分析模型中各参数与损伤特性的关系。

澳大利亚学者Schoorl等［21］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。他们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。这样便可通过损伤体积与碰撞能量(或吸收能量)的比率来确定果蔬的损伤程度。李小昱［22］对苹果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，而单个苹果的损伤体积与碰撞中的吸收能量不存在相关性。桑永英等人［23］对马铃薯碰撞损伤实验研究，通过拉伸实验确定马铃薯果肉和果皮的力学参数，结合数值模拟方法应用有限元分析得到的碰撞损伤结果与机械碰撞实验结果基本一致。研究一种或多种果蔬在不同跌落高度下的损伤情况，其损伤的敏感性因品种而异。张连文等［24］通过对装有樱桃番茄运输包装件进行面跌落、棱跌落和角跌落试来评定运输包装件在受到垂直方向冲击时的耐冲击强度及包装件对樱桃番茄的保护能力，确定其最大允许跌落高度为580mm。Pasini等［25］认为富士苹果比嘎啦果更易受机械冲击的影响。卢立新等人［26］跌落冲击实验机分别对单个与多层苹果进行跌落实验时，除发现四层苹果跌落时，苹果总损伤体积与其吸收能量之间仍成线性关系之外，还测定出单层苹果与其吸收的能量间不存在线性关系。吴杰等人［27］为了揭示梨果实的碰撞损伤机理，采用Prescale感压胶片对香梨果实在不同跌落高度与4种材料触件碰撞时的接触应力进行测量，并分析了其分布规律，确定接触应力分布与香梨果实损伤之间的关系。

2 机械损伤的其他影响因素

温度、成熟度、水分含量及贮藏时间等因素对果蔬机械损伤也有不同程度的影响。但不同的研究人员在对这些因素进行研究时往往会出现差异性。在早期研究中，Klein［28］认为随贮藏时间的延长，果蔬发生机械损伤的程度减小，而 Brusewitz和 Bartsch［29］则认为单位损伤体积所造成的碰撞能量的改变随贮藏时间的延长而增大。Shahbazi等［30］利用碰撞损伤评估仪分析了莱豆机械损伤相关特性，结果表明冲击速率、种子的水分含量和种子冲击取向会影响莱豆1%的机械损伤程度，并得出它们之间的数学表达式。Su等［31］指出苹果组织成熟度与其受机械损伤后的愈伤能力也有密切的联系，随着苹果成熟度增加，其机械损伤后诱导产生愈伤组织的能力增加;而Anuar等［32］认为随着番木瓜果实的成熟度提高，其因机械损伤后的愈伤能力反而下降。Van［33］认为苹果的硬度与其机械损伤正相关，而曲率半径对其损伤程度的影响视碰撞强度而定。Pasini［25］认为施肥方法影响着富士苹果和嘎啦果的损伤敏感性Domingo［34］通过测定相关指标(CO2产生量、失重程度、硬度及颜色)的有关变化，认为采后强制通风处理能保持杏品质，并在一定程度上能减轻其机械损伤程度。Ferreira［35］研究了受不同外力作用的草莓机械损伤程度与其在收获时期冷却手段及果实温度的关系，发现随果实温度的降低(果实温度在1～24℃之间)，比起静重载荷作用，草莓更易受到冲击载荷作用而产生损伤。

3 机械损伤的研究展望

研究果蔬的机械损伤尤其是采后机械损伤对于减少果蔬采后损耗意义重大。目前国内外学者在这方面做了一定的研究并取得一定的成果与进展，但也存在着许多尚待研究的问题。

a.目前果蔬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，其中最多的就是以苹果作为研究对象。由于不同的果蔬间的差异性，得出的结论也只适用于所研究的具体果蔬，如果要得到一般性结论，则要加大果蔬的研究范围，特别是针对大量易产生机械损伤的浆果类水果的振动特性和减损包装的研究力度要加大。b.果蔬在运输过程中的机械损伤情况很复杂，不仅有静重载荷的作用，还有不同形式的运动载荷的作用，而目前大多的研究只是针对其中具体一种外力作用形式进行研究，所得结论与实际真正的情况间存在差异。应更加深入研究不同形式作用力间的相互关系，考察多种载荷形式影响下的果蔬机械损伤情况。c.果蔬的机械损伤是在外载力作用下果蔬内部发生了一系列变化所致。因此，宏观上的机械损伤情况与其微观细胞组织间的关系密切，从损伤信号传导和响应的调控研究机械损伤的机制更有利于揭示果蔬机械损伤的本质因素。d.果蔬的机械损伤检测方法可以通过建立果蔬的力学指标(如弹性模量)、共振频率与其损伤程度间的关系，设计灵敏便携式损伤检测仪来对不易感官判断的损伤果蔬进行检测，而不只是将损伤检测技术局限在有关光谱影像技术上。e.损伤预测和评价往往因标准不同而无法在不同果蔬间进行相关比较，因而很有必要建立一个统一的损失预测和评价系统。

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