果蔬運輸振動損傷及其減振包裝設計

李 萍，王若伊，林 頓，茅林春

(浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江杭州310058)

我國是世界果蔬第一生產(chǎn)大國，但是由于采摘、分級、包裝、貯藏、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的技術(shù)因素，造成大量損耗［1］，其中機械損傷是主要原因之一，運輸過程中機械損傷造成的果蔬采后損失達25%～45%。采后損傷是果蔬生產(chǎn)中一個普遍性的問題，國外發(fā)達國家果蔬采后損傷也達到15%～20%［2］。運輸過程中的振動是造成果蔬機械損傷的主要原因，為防止果蔬在運輸過程中的振動損傷，需要對水果實施各種緩沖包裝，通過模擬運輸振動實驗，是開發(fā)或改進果蔬減振包裝技術(shù)的有效途徑［3］。因此，本文重點介紹了果蔬減振包裝技術(shù)有關(guān)的振動損傷形成機理、緩沖包裝材料、模擬實驗研究和減振包裝設計方法。

1 振動損傷

果蔬在運輸過程中易受靜載、振動、擠壓和沖擊等載荷形式的作用，形成以塑性或脆性破壞為主的現(xiàn)時損傷和以粘彈性變形為主的延遲損傷［4］。果蔬固體物料一般屬于非線性粘彈性體，在實際運輸過程中，所受的載荷是隨機載荷，主要為瞬時沖擊載荷和低應力循環(huán)載荷，振動和碰撞是造成水果機械損傷的主要形式［5］。

在運輸過程中果蔬受到長期的振動，會出現(xiàn)呼吸強度增加、膜透性增強、組織變軟、強度下降等傷害［6］。果蔬的振動破壞有共振破壞和疲勞破壞兩種形式。當外界激烈頻率和果品包裝系統(tǒng)固有頻率相等或接近時，果蔬振動加速度峰值大比例放大，果蔬內(nèi)部應力大大增強，當超過一定值時，果品開始損傷，稱為共振破壞。在非共振條件下，當超過疲勞閥值的振動峰值數(shù)達到一定次數(shù)后也會出現(xiàn)果品損傷，稱為疲勞破壞。當果蔬發(fā)生碰撞和沖擊時，引起細胞微觀結(jié)構(gòu)的變化，使其迅速損傷產(chǎn)生褐變，同時碰撞力向深處傳遞以吸收碰撞能量，使果皮下組織較深處亦產(chǎn)生損傷［7］。

盧立新和周德志［8］認為疲勞振動是導致果品運輸機械損傷的主要原因，并提出了果品振動疲勞累積損傷模型與模型參數(shù)確定方法，為進一步認識果品振動疲勞損傷機理提供技術(shù)基礎(chǔ)。而康維民等［9］利用線形累積損傷理論(Palmgren-Miner)解釋水果運輸過程中造成損傷的機理，即在循環(huán)振動應力作用下，水果的損傷逐步積累最后達到疲勞破壞，造成果實振動損傷。振動影響組織表皮細胞的滲透和細胞壁的降解，進一步影響運輸后果實的硬度和外部變化，不利于隨后的商業(yè)化處理［10］。然而，Yang等［11］發(fā)現(xiàn)，機械振動刺激果蔬的生理反應，適度的機械振動頻率有助于愈傷組織的生長，最佳頻率為3Hz，溫度呈階梯性變化，有利于細胞壁和細胞膜的流動性，促進細胞增長和快速分化，細胞膜的電極在機械振動刺激后發(fā)生變化，細胞吸收和轉(zhuǎn)移物質(zhì)能力增強，促進愈傷組織的增長。了解振動損傷機理、以及振動對果蔬產(chǎn)生的破壞作用使我們對減振包裝設計更為重視，為減振包裝設計提供方向。

2 緩沖材料及其應用

2.1 常用緩沖材料

為防止果蔬在運輸過程中的振動損傷，需要對水果實施各種緩沖包裝，緩沖材料是減振包裝的關(guān)鍵。緩沖材料(等)是指具有高滯后吸收能量的材料，能有效減少果品損傷。緩沖材料主要包括瓦楞紙板、蜂窩紙板、紙漿模塑、緩沖包裝紙、可降解泡沫塑料、再生泡沫塑料盒、發(fā)泡植物纖維等［12］。其中，瓦楞紙板是人們較早使用的一種緩沖包裝材料，因其成本低、加工性能好、使用溫度范圍寬等優(yōu)點，全球瓦楞紙、紙板的消費量約占三分之一［13］。發(fā)泡植物纖維是近幾年來研究的一個熱點，國內(nèi)外都在努力開發(fā)這類材料。國外主要研究不添加化學發(fā)泡劑，通過水蒸氣的作用發(fā)泡，形成顆粒型發(fā)泡紙漿;而國內(nèi)則是采用發(fā)泡劑產(chǎn)生發(fā)泡，工藝較簡單，但是生產(chǎn)和使用后對環(huán)境具有隱患，該技術(shù)還有待改進和提高［14］。

順應當代環(huán)保及綠色理念，許多新型緩沖材料不斷產(chǎn)生。成培芳等以淀粉/纖維作為原料制備可降解緩沖包裝材料［15］。Shi等［16］和 Lu 等［17］分別以向日葵莖稈和毛竹竹漿作為開發(fā)生物緩沖包裝材料的原料，與發(fā)泡聚乙烯材料相比較，其物理特性和緩沖系數(shù)表現(xiàn)出更好的防護性能，并且安全無污染，可以替代石化產(chǎn)品作為新型的生物緩沖包裝材料。

2.2 緩沖材料的減振作用

研究各種緩沖材料的減振效果，有助于設計和開發(fā)減振包裝。不同緩沖材料類型、緩沖材料的厚度、包裝結(jié)構(gòu)吸收振動沖擊的能量不同，減振效果表現(xiàn)不同。緩沖材料對果蔬振動保護的作用主要在于緩沖襯墊對沖擊能量的吸收、沖擊對緩沖襯墊的壓縮變形［18］，緩沖材料的種類、厚度、包裝結(jié)構(gòu)對其減振效果都有一定的影響。了解各種因素對減振效果的影響對減振包裝設計具有很強的理論指導作用。

2.2.1 材料種類 具有高滯后吸收能量的材料，如塑料、紙板、泡沫、植物纖維等，均能夠減少運輸中振動損傷的程度，但是不同的緩沖材料對果蔬減振效果不同。Raghav和Gupta［19］用寬松的水稻秸稈和紙碎片作為水果層之間的緩沖材料，發(fā)現(xiàn)沒有緩沖包裹的水果比包裹的水果腐爛速度要快得多，說明水果層之間的緩沖材料有利于減少運輸振動損傷。以竹籃為包裝材料時芒果損傷程度嚴重，以泡沫網(wǎng)包裹的瓦楞紙箱對芒果具有最優(yōu)的保護作用［20］。紙包裹和泡沫網(wǎng)都能大大減少黃花梨的運輸振動，泡沫網(wǎng)緩沖材料對于保持黃花梨貯運品質(zhì)效果更好，而紙包裝的黃花梨酶活性比泡沫網(wǎng)箱高出許多，但是硬度反而降低［21］。Jarimopas 等［22-23］發(fā)現(xiàn)塑料和紙板均具有降低沖擊損傷作用，但是紙板的減振效果優(yōu)于塑料板，緩沖能量與蘋果的大小無關(guān)。Chonhenchob和Singh［24］認為紙板緩沖和泡沫網(wǎng)緩沖材料具有相似的保護作用，但是紙板包裝更有利于番木瓜的成熟。但是?akmak等［25］認為在中長期高速運輸過程中，紙板包裝運輸增加了果品內(nèi)部的溫度，導致果品品質(zhì)的降低，而聚苯乙烯包裝盒可以減小這種負面反應。李春飛等［26］也發(fā)現(xiàn)，采用瓦楞紙板襯墊、發(fā)泡塑料網(wǎng)作緩沖包裝時，均可有效地降低蘋果損傷率，發(fā)泡塑料網(wǎng)對蘋果的整體保護特性優(yōu)于瓦楞紙板襯墊。

2.2.2 材料厚度 不同厚度的緩沖材料產(chǎn)生不同的緩沖作用，在一定范圍內(nèi)，緩沖材料的厚度越大，緩沖吸收能量越大，減振效果好［27］。多層瓦楞紙板能量吸收顯著大于單層，多層瓦楞紙板抗沖擊能力強［28］，雙壁瓦楞紙板箱較單壁有利于減少蘋果的損傷率［29］。當緩沖材料厚度超過一臨界值時，甜羅望子損傷率不再發(fā)生變化，以30%5mm大小的泡沫球與甜羅望子混合在15cm直徑、20cm高度的瓦楞紙箱中，甜羅望子的損害率最?。?0］。

2.2.3 包裝結(jié)構(gòu) 包裝結(jié)構(gòu)的不同對緩沖性能也有一定的影響，盧立新等研究表明，瓦楞紙板襯墊與隔檔可以減小梨損傷率達15%～25%，瓦楞紙板襯墊、隔檔以及網(wǎng)罩的聯(lián)合包裝形式可以使梨損傷率減小35%～45%。實際物流過程中，果品常常堆積多層，研究發(fā)現(xiàn)多層蘋果的總損失體積與其吸收總能量存在線性關(guān)系，而其中的單個蘋果不存在線性關(guān)系，盧立新建立了多層果實跌落沖擊模型［31］。包裝箱所處堆碼層數(shù)對果實的振動損傷有重要的影響，最上層包裝箱內(nèi)梨果實的損傷最大，最下層梨果實的損傷次之，中間層梨果實的損傷最小;在同一包裝箱內(nèi)，最上層梨果實損傷最大，中間兩層次之，最下層最?。?2］。但是李春飛等［27］研究發(fā)現(xiàn)，瓦楞紙板內(nèi)部隔檔可以減小蘋果的損傷率，同一種緩沖包裝的中間層蘋果的損傷率最大，底層蘋果損失率次之，頂層蘋果損傷率最小。雙壁瓦楞紙板箱較單壁減振效果較好［29］，多層瓦楞紙板作為緩沖介質(zhì)夾層結(jié)構(gòu)減振效果較好，因為多層波紋夾層結(jié)構(gòu)振動能量吸收顯著大于單層結(jié)構(gòu)，多層瓦楞紙板具有重復抗沖擊能力，減小果實的振動損傷程度［28］。

3 模擬振動實驗

運輸過程中不同路面造成的沖擊和振動之間的加速度存在明顯差異［33］，在模擬振動損傷時，必須把沖擊和振動分開，達到實際振動隨機性［34］。通過模擬運輸實驗，在實驗室內(nèi)再現(xiàn)實際運輸環(huán)境，通過包裝內(nèi)果蔬的損傷情況來評定包裝系統(tǒng)的減振效果，是目前開發(fā)或改進緩沖包裝，解決果蔬運輸損傷的最有效途徑?？稻S民等通過模擬運輸振動實驗，確定了運輸模擬實驗的振動頻率、振動加速度、振動時間參數(shù)［35］。Thompson 等［36］通過模擬振動運輸開發(fā)了一套新的水果包裝系統(tǒng)，當結(jié)合一個塑料翻蓋或瓦楞紙板控制器時，這套包裝運輸系統(tǒng)幾乎可以防止梨的所有振動損傷。

3.1 振動頻率

通過模擬實際運輸條件，在一定頻率范圍內(nèi)進行振動掃描，確定共振頻率。黃翔飛等發(fā)現(xiàn)，共振頻率隨著包裝箱層數(shù)的增加而增大，箱內(nèi)梨果實的共振頻率隨著激勵源加速度的增加而減?。?7］。在相同加速度條件下，振動頻率越小，梨越容易產(chǎn)生損傷［38］。因此，果蔬損傷主要產(chǎn)生在低頻范圍內(nèi)，Barchi等研究發(fā)現(xiàn)，在頻率為13～25Hz范圍內(nèi)，枇杷損傷從底部到頂部逐漸加強［39］。Shahbazi等［40］模擬卡車運輸西瓜的研究中也發(fā)現(xiàn)，在7.49和13.03Hz產(chǎn)生損傷率峰值。但是，Berardinelli等模擬梨運輸振動損傷時發(fā)現(xiàn)，振動頻率與振動加速度會產(chǎn)生交互作用，在出現(xiàn)振動加速度峰值的頻率范圍內(nèi)，不同包裝箱所處位置所受的振動加速度不同，因此在減振包裝設計時，應考慮到多方面的影響因素［41］。

3.2 振動加速度

振動加速度分為穩(wěn)定振動條件和隨機振動條件下的加速度，隨機振動條件下進行模擬振動實驗，以隨機振動加速度進行實際運輸時間的振動，水果的振動損傷和實際運輸條件下的相同。振動時間和振動加速度具有相關(guān)性，為提高實驗效率，縮短實驗時間，在進行模擬振動實驗時，可以通過改變振動加速度來確定振動時間。模擬振動時間越長，梨果實損傷越大。振動時間對梨果實損傷也受到包裝方式的影響，不同包裝方式條件下，梨果實損傷隨振動時間的變化不同［32］。

振動加速度越大，梨越容易受損傷［39］，西瓜振動損傷隨著加速度的增加而增加，而且西瓜肉的損害明顯高于西瓜皮［40］。貨車前后部的振動加速度幅值最高峰分別是0.51、0.83m/s，車廂后部的振動加速度顯著高于車廂前部，使得車廂后部的梨損傷要高于車廂前部同樣高度堆放的。在車廂內(nèi)同一位置，頂部塑料箱所受的振動加速度高于底部塑料箱，因此，裝載頂部塑料箱內(nèi)的梨損傷情況顯著高于裝在底部塑料箱的［42］。但是 Zeebroeck 等［43］研究發(fā)現(xiàn)在高峰值加速度時，位置從高往低，擠壓不斷加強，因此蘋果受到的擠壓損傷逐漸增加。

3.3 振動損傷檢測

果蔬模擬損傷運輸過程中往復振動產(chǎn)生的損傷，可以根據(jù)Palmgren-Miner理論和S-N曲線來定量評價［35］。果蔬因振動引起的機械損傷會產(chǎn)生一系列生理異常，影響果蔬的貯藏，如表皮腐爛、呼吸加強、乙烯釋放量增多、電導率升高等［44］。Jiang和Shiina研究表明，以表皮破損程度、呼吸和乙烯、電導率和吸光度為指標，可以評價振動引起的果蔬損傷程度。由于果蔬損傷后能量吸收發(fā)生變化，可以通過能量吸收、聲波和超聲波、X射線、熒光、核磁共振等物理方法來檢測振動損傷［45-46］。

通過實驗室模擬公路運輸果蔬所受的振動，可以從振動頻率、振動加速度和振動時間等不同方面來研究果蔬振動損傷模型，有很強的理論指導意義和現(xiàn)實價值，有助于加強貯運中果蔬保鮮和減少果蔬損傷，同時也是減振包裝設計步驟中關(guān)鍵的一環(huán)。

4 減振包裝設計

減振包裝，又稱為防振、隔振包裝，它是通過在包裝內(nèi)設計具有高阻尼特性的隔振墊層，使外界振動傳遞到被包裝產(chǎn)品后，產(chǎn)品被激勵的加速度不超過脆值，減小產(chǎn)品在功能和形態(tài)上的損傷。減振包裝設計形式大致可以分為兩類:一類是以防沖擊破損為主的包裝設計，應選擇具有強壓縮能力、高彈性的材料，適用于沖擊破壞強度高于振動破壞強度的產(chǎn)品;另一類是以減振為主的包裝設計，側(cè)重強衰減能力、高阻尼特性材料，適用于由于長期運輸振動易產(chǎn)生疲勞損傷、脆值低的產(chǎn)品［47］，例如振動敏感性強的水果和蔬菜，因此果蔬的減振包裝設計常以防振為主要目標。

減振包裝設計的核心在于調(diào)節(jié)防振襯墊的傳送率來控制產(chǎn)品的共振響應，產(chǎn)品、容器以及高阻尼性材料構(gòu)成產(chǎn)品包裝系統(tǒng)，可以看作“質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)”模型［48］，當忽略外包裝箱的彈性和緩沖材料的質(zhì)量時，可視為單自由度線性模型。

果蔬減振包裝設計必須按照一定的要求進行。首先，必須確定果蔬流通環(huán)境的條件，了解果蔬自身生理和力學特性，設計襯墊材料的結(jié)構(gòu)和尺寸;然后，進行模擬振動損傷實驗，確定振動環(huán)境條件，主要是振動頻率、加速度及最大耐受時間;最后，確定在既定振動環(huán)境條件和損傷率下果蔬振動損傷脆值、疲勞損傷閾值，果品允許損傷率的確定要綜合考慮果品自身特性、運輸條件及綜合成本等，確定襯墊材料的種類。在以上基礎(chǔ)上，確定不至于引起果品過度損傷的系統(tǒng)振動傳遞率，選擇合適的襯墊，設計合理的包裝結(jié)構(gòu)，最后進行振動模擬實驗，進行實驗校核［49-50］。

5 結(jié)語

從作用力與包裝動力學的角度，明確果蔬在運輸過程中的損傷機理，對減少在運輸過程中由于振動載荷對果品產(chǎn)生的機械損傷，有著重要的理論價值和現(xiàn)實意義。目前國內(nèi)外學者在這方面作了一些研究工作，同時取得了一定的成果與進展，但離工程應用距離尚遠，對于實際減少果蔬的損傷僅具有淺表的指示作用，未能從根本上提供運輸中果品機械損傷與減損包裝的基本技術(shù)機理、技術(shù)參數(shù)。因此，作者認為，在今后的工作中還有一些問題值得深入研究。

首先，果蔬等作為生物產(chǎn)品，不同于一般的工業(yè)產(chǎn)品，具有其本身的力學特性，這些基本性質(zhì)對理解和闡明機械損傷機理以及運輸模型的建立都有非常重要的影響。其次，目前果蔬機械損傷的研究對象種類較少，主要集中在少數(shù)抵抗能力較強的果品上，大量易損傷的果蔬振動特性與減損包裝研究還非常欠缺。再者，實施緩沖包裝，是減少果蔬運輸過程中機械損傷的關(guān)鍵，但是緩沖包裝材料需考慮到其本身的特性，以及其與果蔬產(chǎn)品的相互作用，既要保證緩沖材料的抗震能力，又要兼顧其安全性、耐用性及回收利用。最后，為了驗證緩沖包裝的合理性，需要進行實驗室模擬運輸實驗，如何再現(xiàn)在途運輸以及系統(tǒng)地分析包裝材料的抗震特性，都將成為日后工作的重點。

總之，當今機械化不斷發(fā)展，果蔬所受到的沖擊損傷大大減少，振動損傷成為影響貯運保鮮的重要影響因素，如何最大程度減少振動對果蔬的破壞作用，包括果蔬表皮的可見破壞以及內(nèi)在的無形品質(zhì)下降，成為日后工作的關(guān)鍵。除了建立果蔬減振包裝的力學模型，開發(fā)新型環(huán)保材料、循環(huán)利用緩沖材料、實驗室模擬運輸校核減振包裝設計的合理性，將有助于建立綠色包裝體系，設計合理的減振包裝方式，降低果蔬運輸振動損傷。

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