儲藏溫度對庫爾勒香梨動態(tài)粘彈特性的影響

吳杰，葛云，王虎挺，李凡

（綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化教育部工程研究中心／石河子大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，石河子832003）

儲藏溫度對庫爾勒香梨動態(tài)粘彈特性的影響

吳杰，葛云，王虎挺，李凡

（綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化教育部工程研究中心／石河子大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，石河子832003）

采用Q800動態(tài)力學(xué)分析儀對4個溫度水平下（－2℃、10℃、20℃和30℃）的庫爾勒香梨果肉進(jìn)行振蕩剪切試驗，以探討溫度對香梨果肉組織動態(tài)粘彈力學(xué)特性的影響，為香梨機(jī)械防損和質(zhì)地品質(zhì)保持提供指導(dǎo)。試驗結(jié)果表明：不同溫度下果肉的儲能模量G′均遠(yuǎn)高于損耗模量G″，損耗正切tanδ（G″／G′）范圍為0．082～0．095，表明香梨是以彈性為主導(dǎo)的粘彈體。香梨果肉組織的儲能模量（G′）和損耗模量（G″）不受頻率影響，均隨溫度下降呈上升趨勢；當(dāng)溫差10℃時，各動態(tài)模量之間無顯著差異，表明只有較大的變溫幅度溫才會對香梨果肉的粘彈特性和機(jī)械耐損性能有顯著影響。

庫爾勒香梨；儲藏溫度；動態(tài)粘彈特性

庫爾勒香梨是新疆特色果品，其果肉酥脆多汁、香甜可口，在國際梨果市場具有較強(qiáng)的競爭力，是新疆出口創(chuàng)匯主要果品。但是，香梨果肉中含有石細(xì)胞，水量很高（84．5%～86%），因此極不耐機(jī)械損傷［1］。目前研究已認(rèn)識到，果蔬材料受力時所表現(xiàn)出的粘彈特性有助于找到改善果蔬機(jī)械耐損性能的方法［2］。然而，早期研究采用質(zhì)構(gòu)儀或萬能材料試驗機(jī)很難獲得梨果可靠的粘彈特性數(shù)據(jù)，原因是梨果的果肉在較長的測試期間，易出現(xiàn)大量水分散失和果肉褐變等理化變化，從而直接影響了測試精度［3］。近年來隨著測試技術(shù)的發(fā)展，采用動態(tài)力學(xué)分析儀器可在極短時間對果品施加小于0．1%的應(yīng)變，保證在線性粘彈范圍內(nèi)精確研究果品的粘彈特性［4－6］。

果蔬從田間至超市的各作業(yè)環(huán)節(jié)中會經(jīng)歷不同的溫度變化，研究表明溫度對果蔬的硬度和機(jī)械耐損性能有明顯影響［7］。Bajema和Hertog對馬鈴薯力學(xué)特性的研究結(jié)果表明，溫度升高使馬鈴薯的細(xì)胞壁酶解而使組織粘度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致失效應(yīng)力逐漸 增 大［8－9］。最 近 Van Canneyt研 究 發(fā) 現(xiàn)［10］，低溫使果品具有較高剛度，但在受載時卻易發(fā)生果肉脆裂。

目前，有關(guān)儲藏溫度對梨果的力學(xué)特性或粘彈特性影響的研究報道仍很缺乏。鑒于此，本文將研究揭示儲藏溫度對庫爾勒香梨的動態(tài)粘彈特性的影響規(guī)律，為改善庫爾勒香梨耐機(jī)械耐損性能、維持較好的質(zhì)地品質(zhì)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

庫爾勒香梨選自新疆巴州沙衣東園藝場，在2008年9月中旬成熟季節(jié)采摘。采集的果樣必須無畸形、無蟲害、無損傷、無粗皮果。果樣隨機(jī)分成4批，每批15個，立即儲藏在一個多室低溫冷藏系統(tǒng)內(nèi)，該系統(tǒng)具有6個獨立控制溫度和濕度的儲藏室，溫控范圍－10～30℃（精度1℃），相對濕度控制范圍30%～95%（精度5%）。

根據(jù)香梨的采摘期、貨架期和冷藏期的溫度狀況，在力學(xué)測試前將4批果樣儲藏溫度分別設(shè)定為：－2℃、10℃、20℃和30℃，相對濕度均控制在90%，儲藏時間為15d。

1．2 測試方法

采用Q800動態(tài)力學(xué)分析儀及配套的Universal Analysis 2000軟件包（美國TA公司）進(jìn)行動態(tài)粘彈力學(xué)測試分析，試樣用2個“三明治”剪切夾具（規(guī)格10mm×10mm）固定，如圖1所示。果肉取香梨赤道部，靠近核部和皮部果肉切除，試樣尺寸要求為10mm×10mm，厚度不超過10mm，與夾具非接觸的部位均勻涂抹硅油，以防止果肉褐變和失水。

試樣采用振蕩剪切（正弦波應(yīng)變）方法測試，應(yīng)力控制模式。加熱爐和相連的氮氣制冷罐（GCA）進(jìn)行共同控溫，以保證各測試的環(huán)境溫度要求。香梨從儲藏室取出制取試樣后，迅速放入密閉的測試腔內(nèi)。在測試前，腔室環(huán)境溫度平衡20min，以防止果肉淺層溫度出現(xiàn)變化而導(dǎo)致測量誤差。

首先在1Hz頻率下對試樣進(jìn)行應(yīng)力掃描，以確定果肉頻率掃描測試所要求的線性粘彈區(qū)（LVR），如圖2所示。根據(jù)圖2所示方法，對不同儲藏溫度的試樣分別進(jìn)行應(yīng)力掃描，獲得相應(yīng)的線性粘彈區(qū)（LVR）為：溫度為－2℃和10℃時，LVR為0．02%～0．08%；溫度為20℃和30℃時，LVR為0．11%～0．17%。因此，取應(yīng)變率0．06%作為香梨果肉在各溫度均適用的線性粘彈值，然后在0．1～10Hz頻率范圍進(jìn)行頻率掃描，獲得儲能模量G′、損耗模量G″和損耗正切tanδ（G″／G′）動態(tài)頻譜曲線。

圖1 Q800動態(tài)力學(xué)分析儀及其夾具Fig．1Dynamic mechanical analyzer and its geometries for oscillatory shear measurement

圖2 香梨果肉在1Hz時的典型應(yīng)力掃描Fig．2Typical strain sweep of Korla pear tissue at a frequency of 1Hz

1．3 試驗數(shù)據(jù)處理

采用SPSS11．5軟件對動彈模量各參數(shù)進(jìn)行單因素方差法分析。

2 結(jié)果與分析

儲能模量G′表征果肉的彈性；損耗模量G″表征果肉的粘性，可說明果肉沖擊變形過程能量的儲存和損耗，直接反映了果品抗沖擊損傷性能；損耗正切tanδ為損耗模量與儲能模量的比值，即tanδ＝G″／G′，反映了果肉總體的粘彈特性［3］。

圖3和圖4分別表示庫爾勒香梨果肉不同溫度（－2℃、10℃、20℃、30℃）時的動態(tài)粘彈頻譜曲線，其中G′和tanδ的統(tǒng)計值可見表1。

表1 庫爾勒香梨果肉4個溫度水平的G′、G″和tanδ統(tǒng)計值Tab．1Average storage modulus G′and loss tangent（G″／G′）for Korla pear tissue at four temperatures

在不同儲藏溫度時香梨果肉儲能模量G′和損耗模量G″的變化均幾乎不受頻率影響，這與Gerschenson關(guān)于獼猴桃果肉的研究結(jié)論一致［11］，但與Varela關(guān)于蘋果果肉的研究結(jié)果不同［12］。這可能是因為香梨果肉與獼猴桃果肉一樣具有較高含水量且果肉質(zhì)地較為疏松，因此在動態(tài)力學(xué)頻譜特性上與獼猴桃果肉質(zhì)地更為接近。在0．1～10Hz整個頻域內(nèi)，損耗正切tanδ值未觀察到有顯著變化。各試樣的儲能模量G′在任意頻率下均高于損耗模量G″，損耗正切tanδ值的范圍為0．082～0．095，這一方面表明香梨果肉具有粘彈特性，另一方面也說明香梨果肉的彈性特征具有主導(dǎo)性。

圖3 香梨果肉的動態(tài)模量頻率掃描曲線Fig．3Variation of storage（G′）and loss（G″）modulus with frequency for Korla pear tissue at different temperatures

香梨果肉的頻率掃描表明（圖3），隨著香梨儲藏溫度升高，其果肉的儲能模量G′和損耗模量G″同時呈現(xiàn)下降的趨勢。當(dāng)溫差約為10℃時，香梨果肉的儲能模量G′和損耗模量G″的差異很小或不顯著，這暗示較小的變溫幅度對香梨這種果膠材料的變性作用較為微弱，不會對香梨果肉的粘彈特性產(chǎn)生明顯影響；但是，－2℃香梨果肉的儲能模量G′值卻是30℃果肉G′值的2～3倍（表1），由于儲能模量G′表征材料的彈性，這表明香梨果肉在－2℃時較脆硬，而30℃時則較軟。經(jīng)分析，產(chǎn)生這種較大差異的原因有兩方面：1）30℃是香梨呼吸躍變的關(guān)鍵溫度，在改儲藏溫度條件下香梨的果肉中纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性上升，使細(xì)胞壁發(fā)生酶解，可溶性果膠含量增加，果肉出現(xiàn)軟化［13－14］。2）－2℃是香梨組織水的冰點溫度，也是冷藏的最低溫度，該溫度下細(xì)胞液內(nèi)形成冰晶，細(xì)胞收縮，并造成細(xì)胞壁剛度增大［8，10］。因此，可以認(rèn)為香梨果肉在臨近冰點溫度或超過呼吸躍變溫度之后，其粘彈特性會有顯著變化。另外，損耗因子tanδ值受溫度影響很小，在4個溫度水平下無顯著差異，這表明香梨果肉的阻尼特性基本不受溫度變化影響。

圖4 香梨果肉的損耗正切頻率掃描曲線Fig．4Loss tangent with frequency for Korla pear tissue at different temperatures

3 結(jié)論

1）香梨果肉的儲能模量G′和損耗模量G″在0．1～10Hz的頻域中不受頻率影響，各試樣果肉的儲能模量G′均遠(yuǎn)高于損耗模量G″，表現(xiàn)出彈性為主導(dǎo)的粘彈特性，而損耗正切tanδ值則在整個頻域中幾乎保持不變。2）香梨果肉的儲能模量G′和損耗模量G″均隨著溫度升高而降低，在－2℃和30℃時比較有較大差異，但變溫幅度10℃時差異卻很小，這表明香梨果肉只有在較大的變溫幅度才會對果肉的粘彈特性和機(jī)械耐損性能有顯著影響。

［1］陳國剛，王禎麗，童軍茂．不同貯藏條件對庫爾勒香梨果實采后生理及貯藏效果的研究［J］．食品科技，2005，（7）：83－85．

［2］Pitt R E，Chen H L．Time－dependent aspects of the strength and rheology of vegetative tissue［J］．Transactions of the ASAE，1983，26（4）：1275－1280．

［3］周祖鍔．農(nóng)業(yè)物料學(xué)［M］．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1994：55－57．

［4］Wang J，Lu Q J．The steady－state sinusoidal dynamic behaviour of peach and pear［J］．Biosystems Engineering，2004，87（4）：463－469．

［5］Wu J，Guo K Q．T Dynamic viscoelastic behavior and microstructural changes of Korla pear（Pyrus bretschneideri rehd）under different turgor levels ［J］．Biosystems Engineering，2010，106（4）：485－492．

［6］Lakes R S．Viscoelastic measurement techniques［J］．Review of Scientific Instruments，2004，75（4）：797－810．

［7］Thomson G E，Cotter D F，Daly P A．Temperature effects on bruise darkness of‘Granny Smith’，‘Golden Delicious’，and‘Jonathan’apples［J］．N Z J Crop Hortic Sci，1996，24：99－101．

［8］Bajema R W，Hyde G M，Baritelle A L．Temperature and strain rate effects on dynamic failure properties of potato tuber tissue［J］．Transaction of the ASAE，1998，41（3）：733－740．

［9］Hertog M L A，Ben－Arie R，Róth E，et al．Humidity and temperature effects on invasive and non－invasive firmness measures［J］．Postharvest Biology and Technology，2004，33：79－91．

［10］Van Canneyt T，Dierickx W，Verschoore R，et al．Effect of pre－load，vibration frequency，temperature and specific gravity of potato tissue on visco－elastic vibration damping and complex modulus properties［J］．Biosystems Engineering，2006，94（3）：415－427．

［11］Gerschenson L N，Rojas A M，Marangoni A G．Effects of processing on kiwi fruit dynamic rheological behaviour and tissue structure［J］．Food Research International，2001，34：1－6．

［12］Varela P，Salvador A，F(xiàn)iszman S．Changes in apple tissue with storage time：Rheological，textural and microstructural analyses［J］．Journal of Food Engineering，2007，78：622－629．

［13］Martínez V Y，Nieto A B，Castro M A，et al．Viscoelastic characteristics of Granny Smith apple during glucose osmotic dehydration［J］．Journal of Food Engineering，2007，83：394－403．

［14］李沛文．果品貯藏加工學(xué)［M］．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1996：47－50．

Storage Temperature Effect on Dynamic Viscoelastic Behavior of Korla Pear

WU Jie，GE Yun，WANG Huting，LI Fan
（Research Center of Oasis Agricultural Mechanization，Ministry of Education／College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

The effect of storage temperature on the dynamic viscoelastic properties of Korla pears was investigated to provide suggestions for mechanical damage prevention and textural quality maintenance of Korla pear．Samples were subjected to oscillatory shear test using Q800dynamic mechanical analyzer by conditioned at four temperatures（－2℃，10℃，20℃and 30℃）．Pear tissue behaved an elastic solid with storage moduli（G′）much higher than loss moduli（G″）over the entire frequency range （G″／G′≈0．082－0．095）．Both G′and G″were frequently independent，but increased with the decreasing of temperature．Values of the dynamic parameters（G″，G′）showed greater changes in samples exposed to a temperature range from －2℃to 30 ℃，but changes were relatively insignificant when the temperature interval was 10℃ or less．Theseeffects suggest that temperature changes have influences on the viscoelasticity of pear tissue．Lower and higher temperatures can affect markedly the mechanical bruise susceptibility of Korla pear．

Korla pear；storage temperature；dynamic viscoelasticity

S183

A

2010－03－10

吳杰（1972－），男，副教授，從事農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全與檢測研究；e－mail：wjie＿mac＠shzu．edu．cn。