基于电学特性的库尔勒香梨静压损伤程度量化研究范修文，于世辉，兰海鹏，张宏，张永成，刘扬 (塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300)
摘要：静压是库尔勒香梨损伤中的一个重要形式，但对库尔勒香梨静压损伤程度的量化需亟待解决。为此，以库尔勒香梨为试验材料，对不同采摘期的库尔勒香梨进行静压损伤试验，依据电学特性测量库尔勒香梨静压后的电学参数，探究不同采摘时间变形量与损伤面积的关系，构建不同成熟度下库尔勒香梨电学参数值与损伤面积的数学模型，提出了一种基于电学特性的损伤程度量化评价方法。结果表明：在同一压缩变形量下库尔勒香梨成熟度越高，电学参数变化越显著，其损伤面积也越大。库尔勒香梨的电学参数变化值可表征其损伤面积，库尔勒香梨的损伤程度可由其损伤面积来表征，且库尔勒香梨电学参数变化值与损伤面积之间关系的数学方程均符合y=™5+te+c模型。该模型可以实现不同成熟度下库尔勒香梨损伤程度的量化，为库尔勒香梨损伤程度的快速测量提供理论指导。 关键词：电学特性；静压损伤；损伤面积；采摘期；库尔勒香梨
中图分类号：S183文献标识码：A
0引言
库尔勒香梨是新疆特水果之一⑴，具有非常久远的栽培历史，以口感甘甜、清新可口、汁多肉甜而驰
名中外［。库尔勒香梨种植面积常年稳定在7万hm2，年产量在40万~77万L5］o库尔勒香梨静压损伤经常发生在贮藏过程中，其在自然静止状态下堆积在一起，伴随着时间的延长，下层的库尔勒香梨受到其上各层库尔勒香梨重量的影响而发生静压损伤，其损伤部位经常发生在库尔勒香梨相互接触的区域］o库尔勒香梨受到静压损伤后，真菌、细菌等会迅速侵蚀果肉，加快库尔勒香梨衰老、腐烂的速度，从而影响库尔勒香梨的市场价位°4］。因此，如何检测库尔勒香梨的静压损伤程度对于果农来说具有重要的实际意义。
目前，果农对于库尔勒香梨的损伤检测主要基于传统经验，通过观察进行判断，但耗时费力、效率低，不能准确地检测香梨损伤程度血5］。为了减少库尔
收稿日期：2929-03-5S
基金项目：国家自然科学基金项目(5-69196)；兵团科技特派员创新创业计划项目；特农产品深加工兵团
重点实验室开放课题(AP1905)；塔里木大学校长基金项目
(TDZKCQ201904)
作者简介：范修文(197S-)，男，山东泰安人，副教授，硕士,E-mail) fanweswes-1@165。
通讯作者：刘扬(1990-)，男，黑龙江鹤岗人，讲师，硕士，(E-mOi) hxmylove@126。
文章编号：1003-188X(2021)09-0194-05
勒香梨受到不必要的静压损伤，科研人员不断探索一种高效的、完善的、准确的方法来检测库尔勒香梨损伤。吴杰选用Pmsca-e感压胶片，测量分析香梨受到不同静压条件下的应力分布情况，并对其进行有限元模拟，实现香梨果实静压损伤面积的准确评估和预测［—］o冯哲采用Pmsca-e感压胶片并结合图像处理技术对苹果静压接触应力分布及褐变区域进行测量，结果表明：构成苹果损伤的主要应力区域分布在
包钢大集体改制0.22~0.40MPa之间，苹果的损伤面积与应力均值无
直接联系［/。吕胜权利用平板压缩模拟分析加工番茄在采收和贮运工程中的受压情况，采用感应胶片和有限元模拟分析不同成熟度、不同加载位置下加工番茄的接触应力分布，结果表明：不同成熟度下的加工番茄随着载荷的增加呈现逐渐增长的趋势，相同成熟度下的加工番茄可采用总体应力面积对番茄损伤面积进行较为准确的预测［—］o王丽丽以河套地区盛产的苹果梨和早酥梨为试验材料，对梨果实的准静态压缩特性进行研究，发现随着梨果实成熟度的提高2个压缩特性参数都有减小的趋势。R.Lew—使用一种新的超声波技术探究苹果在静态载荷下可能发生的接触面积和应力，发现通过超声波扫描显示，接触应力在所接触的中心最高，并向边缘下降，最大接触压力不随外加载荷的增加而增
基督教圣歌加［—］。上述研究主要集中在使用感压胶片测量、有限元模拟及超声波技术检测水果静压损伤程度，而基于电学特性对不同成熟度下的库尔勒香梨进行静压损伤程度的量化尚未见
—4•
到相关报道。
笔者以库尔勒香梨为试验材料，对不同采摘期的库尔勒香梨进行静压损伤试验，依据电学特性测量库尔勒香梨静压后的电学参数，探究不同采摘时间变形量与损伤面积关系，构建不同成熟度下库尔勒香梨电学参数值与损伤面积的数学模型，提出了一种基于电学特性的损伤程度量化评价方法，旨在为库尔勒香梨损伤量化研究提供参考依据。
1试验材料与方法
1■1试验材料
试验材料为塔里木大学果园内的库尔勒香梨，为得到不同成熟度的库尔勒香梨，分别选择在202年9月26日、/月3日、2月2日对库尔勒香梨进行采摘。试验要求所选用的库尔勒香梨形状规则均匀、无损伤、无病虫害、直径大小在91〜75mm、质量在76~ 82之间的库尔勒香梨。为降低外部环境条件造成库尔勒香梨损伤，将采摘下来的库尔勒香梨套上泡沫网袋，并立即运送到塔里木大学现代农业工程重
点实验室进行试验。对库尔勒香梨进行压缩时的实验室温度为25C。
1-2试验器材
水果电特性无损检测系统，万能压缩试验机（WD -D3-9型，最大力为5kN），水果硬度计，游标卡尺。1.3试验方法
试验包括3部分，分别对采摘第（天、第8天和第/天的库尔勒香梨先进行无损情况下的电学参数检测试验；随后，对库尔勒香梨进行静压损伤试验；最后，测量库尔勒香梨静压后的电学参数，以获得不同成熟度下库尔勒香梨电学参数变化规律，确定库尔勒香梨在不同变形量下的电学参数与损伤面积的数学关系及不同成熟度下电学参数与损伤面积的数学关系。
进行静压损伤试验前，通过水果电特性无损检测系统测量库尔勒香梨电学参数初始值。水果电特性无损检测系统如图1所示。
电学参数记录后再将库尔勒香梨相同受压部位（横向）放入万能压缩试验机测试平台上，压头对准香梨电特性检测时的受压部位。选取压缩速率为lOmm/mix的条件下进行压缩实验，每组库尔勒香梨的变形量分别控制为3、5、9、9、n、13mm。由于当变形量为13mm时，库尔勒香梨已经开始破裂，所以只取前5组数据。库尔勒香梨受压发生变形后，再通过水果电特性无损检测系统测量静压损伤后的库
尔勒香梨电学参数值，并计算损伤前后电学参数的变化值。每组试验重复5次并计算平均值。电学参数测量结束后将不同采摘时间的库尔勒香梨分别放在正常室温下，静置24h以上，待库尔勒香梨正常褐变后测得库尔勒香梨的损伤面积。损伤面积采用Mohoem-针对果蔬材料提出的瘀伤测量方法进行计算[5]，即
A2nab（1）其中2为椭圆损伤区域长半轴（mm）；为椭圆
图1水果电特性无损检测系统
Fig.I Nohdest—ictive testing system for fruit electrical characteristics
2试验结果与分析
2.1确定采收时间与硬度的变化关系
果实的硬度是衡量库尔勒香梨品质的重要指标口4，每次采摘后对采摘的库尔勒香梨首先进行硬度测量，测量出同一批库尔勒香梨的硬度值。所选取的库尔勒香梨在测量之前去皮，硬度测量是在每个库尔勒香梨赤道区4个相对面上进行测定，选取每个库尔勒香梨测定4次，并记录硬度值取其平均值，如表1所示。
表1采摘期库尔勒香梨硬度变化
Table1Harkness change of Ko—e pear in piching period
采摘时间
/s
硬度
/Sy•cm2
1 4.89
8441
/ 4.44
•195
•
由表1可以看出：随着米摘时间的延长，库尔勒香
梨的硬度逐渐下降。分析其原因：随着时间的延长，库
尔勒香梨果实不断地发育成熟；在成熟前，库尔勒香梨
细胞壁的主要成分是原果胶，呈不溶状态，果肉质地较
硬；随着果实不断成熟，原果胶由不溶状态变为可溶状 态，细胞分区逐渐消失而失去膨压，胞壁纤维逐渐溶 解，细胞结构随之破坏，导致果肉硬度迅速下降［9-8］。
21变形量与损伤面积的关系
库尔勒香梨在3种不同采摘时期内，库尔勒香梨
损伤面积与变形量的变化趋势是基本一致的（如图2 所示），均呈逐渐上升趋势；但随着采摘期的延长，库
尔勒香梨损伤面积与变形量的相关性逐渐增强，分别
为4.942、4. 985和4.999。库尔勒香梨受压过程中,
由于外部载荷对库尔勒香梨做功使得库尔勒香梨内
部生理特性发生变化，细胞内液体发生流动；在压缩
速率一定时，在较短时间内外部载荷对库尔勒香梨做
功较少，库尔勒香梨吸收的能量较少，仍处于弹性变 形过程；随着受压时间的增加，细胞内部的约束力逐 渐增大，导致膨压增大；继续受压后，库尔勒香梨生物
屈服极限被打破，进入塑性变形；此后，库尔勒香梨的
损伤程度不断增大，在库尔勒香梨损伤过程中，库尔 勒香梨所受压力时间越长，吸收外部产生的能量也越
多，损伤也随之增大。
21电学参数变化值与损伤面积的关系
为快速简便地测量库尔勒香梨的损伤程度，提出 基于电学特性的库尔勒香梨损伤程度量化评价方法,
研究不同成熟度下库尔勒香梨电学参数值与损伤面
积的关系，如图3〜图5所示。
7 n
------------- o
6 5
4
3 2 1
s Q '^ls e
厚
尸0. 054/-0. 15x+l. 016
R 2=Q. 947
2 4 6
8 10 12
衢地合交
变形量/mm
(a )采摘第1天
6
4噻吩磺隆
赛博2
0 2 4 6
8 10 12
变形量/mm
(b )采摘第8天
o
尸0. 059^+0. 249^+0. 46
10 -
999
6
4
2
2 4 6
8 10 12
变形量/mm
frayran- pears a- differen — pichi — pekoPs
(C 采摘第7天
图2不同采摘时期香梨变形量与损伤面积关系
Fig. 2 Relation between deformatiou and damaye area of
-
5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5
并联等效电阻变化值/kQ
(a )
7 6 5
S <B ®$^
4 3
2
• 25
•
7
6
5
4
3
2
1
30405060708090
导纳/us变化值
(C)
图3采摘第、天的香梨电学参数与损伤面积图
Fig.5Diagram of e—cwical parameters and damaye aree of
frayrant pear os the first day of pichiny
「io
10 8 6 4 2
干-0.063^-2.116x-l.378
舲0.986
并联等效电阻变化值/kQ
(a)五颜六的小老鼠
y=0.0029/-0.289x+8.342
舲0.995
尸0.0019/-1.082x+0.077
用二0.997
s
f
B
M
枣
卑
8
6
4
2
-10-8-6-4-20
并联等效电阻变化值/kQ
(a)
8
6
4
2
5060708090100110120130
导纳/us变化值
405060708090100110
导纳/us变化值
(C)
图4采摘第8天的香梨电学参数与损伤面积关系
Fig.4Relation Cetwees e—cwical parameters and damaye area of fragrant pear on the8th day of pichis
(C)
图5采摘第—天的香梨电学参数与损伤面积关系
Fig.5Relation Cetwees e—cwical parameters and damaye area of
frayran-pear on the—th day of pichiny
从图3中可以看出：随着并联等效电阻变化值的减小，库尔勒香梨的损伤面积逐渐增大，而导纳呈相反趋势；随着导纳变化值的增大，库尔勒香梨的损伤面积逐渐增大。对其进行多项式拟合，拟合决定系数分别为0.969、0.7-，方程拟合程度良好。
从图4中可以看出：电学参数变化值与损伤面积的曲线变化规律基本与图3一致；随着并联等效电阻变化值的减小，库尔勒香梨的损伤面积逐渐增大，而导纳呈相反趋势；随着导纳变化值的增大，库尔勒香梨的损伤面积逐渐增大。对其进行多项式拟合，拟合决定系数分别为0.986、0.905，方程拟合程度良好。
由图5可看出：随着并联等效电阻变化值的减小，库尔勒香梨的损伤面积逐渐增大，而导纳呈相反趋势；随着导纳变化值的增大，库尔勒香梨的损伤面积
•—7
•
逐渐增大。对其进行多项式拟合，方程拟合决定系数分别为0.999、0.998，方程拟合程度良好。由对比分析可以看出：图5中的电学参数变化值和损伤面积均大于图3和图4，说明成熟度不同的库尔勒香梨电学参数变化值及损伤面积存在差异。在同一静压变形量下，随着库尔勒香梨成熟度的增加，电学参数变化值发生变化，损伤面积也不断增大。这是由于随着库尔勒香梨果实逐渐成熟，果实细胞结构受损，细胞壁的主要成分原果胶转变为可溶性果胶，由不溶状态变为可溶状态，使果肉硬度迅速下降，导致库尔勒香梨果实承受载荷能力下降，所以损伤程度变大；损伤越严重细胞破裂越多，电解质溢出越多，电学参数发生变化越明显，所以损伤面积也随之增大。
综上：不同成熟度下的香梨电学参数变化值与损伤面积之间关系的拟合方程决定系数分别大于0.914 0.98和0.99，方程拟合优度良好。各方程均符合y= ax2+6x+c模型。其中，2为电学参数变化值2为损
伤面积均为常数。因此，基于该模型，通过测量库尔勒香梨损伤前后电学参数，即可量化评价不同成熟度库尔勒香梨的损伤程度。由于库尔勒香梨损伤面积的测量是一个缓慢的过程，库尔勒香梨表面的褐变不明显，往往需要通过解剖面来测量，且随着贮藏时间的延长，不同受压程度的库尔勒香梨褐变速度不同导致损伤面积不能同时测出，试验不能迅速开展。因此，在库尔勒香梨一定成熟期内可以利用电学参数来快速检测库尔勒香梨的损伤程度。
3结论
1)同一压缩变形量下库尔勒香梨成熟度越高，电学参数变化越显著，损伤面积也越大。
2)库尔勒香梨的损伤程度可由库尔勒香梨的损伤面积来表征，电学参数变化值可表征库尔勒香梨的损伤面积，通过测量电学参数变化值可量化库尔勒香梨损伤程度。
3库尔勒香梨电学参数变化值与损伤面积之间关系的数学方程均符合y=a22+b2+c模型。该模型可以实现不同成熟度下库尔勒香梨损伤程度的量化，为库尔勒香梨损伤程度的快速测量提供理论指导。
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(下转第210页) 128•
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