寬皮柑橘移動夾持剝皮力學特性與果皮分離特性試驗研究

陳 紅，徐翔宙，尹伊君，潘海兵，鮑秀蘭，李善軍，徐勤超

（華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070）

寬皮柑橘移動夾持剝皮力學特性與果皮分離特性試驗研究

陳 紅，徐翔宙，尹伊君，潘海兵，鮑秀蘭，李善軍，徐勤超

（華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070）

為了解決目前柑橘剝皮設備，果皮一次剝凈率較低，且損傷率較高。需要人工二次剝皮等問題，探索寬皮柑橘剝皮方法，該文以溫州蜜柑為研究對象，利用自制的試驗平臺開展柑橘剝皮試驗，對比了不同加載條件（不同剝皮方向、剝皮寬度及剝皮速度）對溫州蜜柑的果皮分離過程中拉力值以及果皮分離位移的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明：1）柑橘的剝皮特性具有各向異性，剝皮方向?qū)兤ぬ匦跃哂酗@著性影響（P＜0.05），沿柑橘軸向方向剝皮，剝離的果皮長度與徑向相比長約15%，且剝皮過程果皮能夠均勻剝離；2）柑橘果皮分離過程中大致存在3種果皮斷裂形態(tài)，其中剝離的果皮形態(tài)呈對稱狀，剝皮過程較為平穩(wěn)；而剝離的果皮形態(tài)呈偏移或是果皮邊緣帶鋸齒狀，剝皮過程均存在波動過程，果皮呈斜向撕裂，剝離的果皮長度小于正向撕裂的對稱狀果皮長度；3）剝皮寬度、剝皮速度對柑橘果皮分離的最大拉力值有顯著影響（P＜0.05），對果皮分離位移影響不顯著（P＞0.05），其對剝皮長度影響較小，根據(jù)試驗指標及自身剝皮設備參數(shù)，夾持較寬（采用環(huán)割劃皮）的果皮，較高的剝皮速度（300 mm/min以上），利于提高剝皮效率。該研究可為寬皮柑橘的機械剝皮加工設備提供一定的理論依據(jù)。

剝皮；力學特性；試驗；柑橘；剝皮方向；剝皮寬度；剝皮速度

0 引 言

柑橘剝皮是生產(chǎn)桔瓣罐頭、果醋等加工品的重要環(huán)節(jié)[1-2]。由于柑橘果皮脆性較大，難以成片剝離，加之果肉柔嫩，易損傷，這些都增大了機械剝皮的難度。20世紀60～70年代，日本作為曾經(jīng)的柑橘罐頭主產(chǎn)國，研制過成套的柑橘罐頭加工設備，利用軸向齒輥，將果皮從果實上拉扯下，但此套設備剝凈率極低，大部分柑橘上都有殘留果皮。20世紀80年代，阿根廷在現(xiàn)有技術基礎上研究了一種帶刀對輥剝皮柑橘剝皮設備[3]；國內(nèi)，浙江象山雙魚輕工機械有限公司、浙江省農(nóng)科院等單位借鑒美國、日本技術，也開發(fā)了一些柑橘剝皮設備[4-6]。此類設備采用的都是隨機劃皮，通過高速旋轉(zhuǎn)的刀輥在柑橘表面劃出多道切口，柑橘與劃皮刀輥的接觸存在較大隨機性，屬隨機劃皮，且柑橘果蒂（果柄處）的橘皮較其他部位硬且厚，橘絡密度大，橘皮與橘瓣間的黏附力大等自身性質(zhì)原因，導致后續(xù)對輥剝皮時剝凈率低[7-10]等技術問題。

實現(xiàn)柑橘果皮分離，達到高剝凈率、低破損率的理想方式是，用較小的分離拉力撕扯下大片的果皮，撕扯過程中需要的拉力越小，果肉破損的機率越低；分離位移越大，能夠撕扯下的柑橘果皮越長，則柑橘剝凈率越高。迄今，在柑橘力學特性研究方面，國內(nèi)外學者主要針對柑橘儲運、貯藏、采摘中的碰撞、擠壓、機械損傷[11-14]等力學問題開展了大量研究。姜松等[15-16]對柑橘整果進行壓縮和穿刺試驗，得出了柑橘力學差異性與果實橫、縱徑以及果皮和果肉結(jié)構(gòu)等有關；張水波等[17-18]利用彈性力學 Hertz理論對寬皮柑橘的受力與變形量的關系進行了理論分析和試驗驗證，為保證柑橘不受損傷，抓持力不能高于10 N；William分析了佛羅里達州常見5種柑橘受冷凍后對壓縮和穿刺有顯著影響[19]；Katsiferis等[20]利用壓縮試驗，研究甜橙甜化過程中的硬度、破壞應力、破壞應變和楊氏彈性模量變化規(guī)律；Fidelibus等[21]得出了柑橘類水果果實抗壓、抗剪特性等剝離機械性能與果皮厚度相關；Moresi等[22]對塔羅科血橙在應力松弛試驗下得出其為黏彈性固體；Singh等[23]研究了采摘后橙子在垂直方向果頂處硬度、穿刺力等機械性能明顯高于中間部分。而有關柑橘果皮分離方面的理論研究比較薄弱，國內(nèi)外鮮有柑橘剝皮力學特性方面的文獻見諸報道。

受柑橘本身特性的影響，現(xiàn)有寬皮柑橘剝皮設備普遍存在果皮一次剝凈率較低，果肉損傷率高等問題[24-26]，限制了柑橘加工業(yè)的發(fā)展。實現(xiàn)柑橘果皮的機械剝離，模仿手工剝皮而不是車削式等方式切除果皮，需要研究在外界載荷作用下其機械性能的響應，也就是，柑橘果皮分離過程中分離拉力以及柑橘分離位移的變化規(guī)律。本文利用自制的果蔬剝皮力學特性試驗平臺探索柑橘果皮分離過程的力學行為，研究柑橘果皮分離特性以及果皮的斷裂形式，確定影響果皮分離效果的關鍵因素對柑橘剝皮性能的影響，以期為柑橘低損高效剝皮裝備的設計提供技術理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

購買同批次宜昌產(chǎn)溫州蜜柑，試驗時選用成熟程度近似，即果皮顏色為橙黃色[27]，表面沒有發(fā)生破損且新鮮的柑橘進行試驗，一共120個。

1.2 儀器與設備

基于 TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀搭建的柑橘剝皮力學特性試驗平臺如圖 1所示，主要包括北京盈盛恒泰科技有限責任公司生產(chǎn)的TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀（最小感應力為0.01 g、位移解析度0.000 1 mm）、固定架、固定夾持機構(gòu)、移動夾持機構(gòu)。固定夾持機構(gòu)包括固定座、回轉(zhuǎn)軸和 2個夾持刃，用于夾緊固定柑橘并繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；移動夾持機構(gòu)包括果皮夾、驅(qū)動繩索和定滑輪，驅(qū)動繩索的一端與果皮夾連接，另一端繞過定滑輪與位于定滑輪上方的質(zhì)構(gòu)儀的驅(qū)動探頭連接。

圖1 基于TMS-PRO質(zhì)構(gòu)儀的柑橘剝皮力學特性試驗平臺Fig.1 Experimental platform of citrus peeling mechanical properties based on TMS-PRO texture analyzer

1.3 試驗設計

1.3.1 剝皮試驗原理及指標選取

試驗時，取柑橘經(jīng)過85 ℃熱水熱燙70 s處理，果皮韌性提高[28]，用特制劃皮刀，根據(jù)不同試驗條件人工手動劃皮，使果皮向外翻出10～15 mm，方便平穩(wěn)裝夾，如圖2a所示徑向剝皮試驗，將柑橘果頂、果蒂固定于固定夾持機構(gòu)的2個夾持刃中。圖2b所示軸向剝皮試驗，將柑橘縱軸垂直于夾持刃，徑向部分固定于固定夾持機構(gòu)的 2個夾持刃中。由姜松等[15]研究可知，徑向與軸向平均壓縮抗力大于100 N，因此夾持力在10 N使柑橘壓縮位移為4 mm左右并不影響柑橘整體物理特性。移動夾持機構(gòu)的果皮夾夾住果皮外翻部分，啟動質(zhì)構(gòu)儀，當質(zhì)構(gòu)儀的移動探頭帶動移動夾持機構(gòu)運動時，克服果皮與果肉之間的黏附力，開始與果肉分離，隨著質(zhì)構(gòu)儀探頭繼續(xù)拉動果皮，而夾持端為自由轉(zhuǎn)軸帶動柑橘不斷轉(zhuǎn)動，果皮連續(xù)從柑橘表面剝離。整個剝皮過程，探頭勻速上升，直至果皮被拉斷，試驗結(jié)束。以試驗由質(zhì)構(gòu)儀所得果皮分離拉力與果皮分離位移曲線圖中的最大拉力與分離時位移為試驗指標。其中實時位移以及拉力值可根據(jù)質(zhì)構(gòu)儀探頭與之相應軟件直接讀出數(shù)值大小及相對應的曲線圖，最大拉力值越小，說明柑橘果、皮越容易分離；分離時位移越大，說明被剝離的果皮長度越長，剝皮的效果越好。

圖2 柑橘剝皮試驗現(xiàn)場Fig.2 Citrus peeling test site

1.3.2 試驗設計與因素水平

1）為了研究剝皮方向?qū)Ω涕俟し蛛x性能的影響，設置沿徑向剝皮、中部往底部（果蒂）軸向剝皮、中部往頂部軸向剝皮、頂部往中部軸向剝皮、底部往中部軸向剝皮等5種不同的剝皮方向，共5組試驗，每組試驗10次（10個柑橘），其中剝皮速度為100 mm/min，剝皮寬度為25 mm。

2）剝皮寬度對柑橘果皮分離性能的影響 取剝皮方向為徑向剝皮，剝皮速度為 100 mm/min，設置 20、25和30 mm 3組不同的剝皮寬度試驗，每組試驗10次。

3）剝皮速度對柑橘果皮分離性能的影響取剝皮方向為徑向剝皮，剝皮寬度為 30 mm，設置 100 、200和300 mm/min 3組不同的剝皮速度進行試驗，每組試驗10次。

1.3.3 柑橘幾何尺寸及不同部位果皮厚度測定

同一個柑橘果皮的厚度因其分布位置不同而有差異，為了研究其差異性對剝皮特性的影響，定義橫徑為柑橘最大赤道直徑，縱徑為果蒂（果柄處）到果頂中心之間的直線距離。取以上11組試驗的110個剝皮后的柑橘以及10個沒有進行剝皮試驗的柑橘，分為12組，測量時分別取果頂部、橫徑處、果蒂部果皮進行測量，由于柑橘果皮厚度不是完全均勻，同時對這 3個部位各隨機取 3處果皮厚度，利用數(shù)顯游標卡尺輕壓果皮測量，選取其平均值作為柑橘果皮厚度值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 柑橘幾何尺寸及果皮厚度

柑橘的果皮厚度及幾何尺寸如表 1所示，柑橘橫徑為(61.35±3.2) mm，縱徑為(46.43±5.3) mm。柑橘果實球形指數(shù)（橫徑與縱徑比值）的均值1.33，外形呈扁圓形。不同部位果皮厚度不同果蒂部(2.60±0.49)mm＞果實頂部(2.39±0.39) mm＞中徑部(2.32±0.41) mm，也就是中間薄，兩端厚。由柑橘生物學特性可知，果實生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)是由位于果蒂部位的果柄通過分生的維管束（橘絡）輸送的，果蒂和果頂部均有緊密包繞的橘絡，導致果皮厚度增加，果蒂處維管束（橘絡）最豐富，所以果皮最厚；從果蒂、果頂往中部方向，橘絡逐漸減少，果皮厚度也隨之減小。加之果實發(fā)育過程中，果皮細胞增大，果實中部果皮受到果肉膨脹擠壓，果皮逐漸變薄[29-30]。

表1 柑橘形狀參數(shù)及不同部位果皮厚度Table 1 Fruit shape parameter and peel measurement of citrus

2.2 果皮分離力-變形規(guī)律

圖 3是典型的反映剝皮過程中載荷-位移關系的曲線。在曲線的第一階段，圖中A區(qū)，力與位移的關系均近似為線性曲線，在彈性變化范圍內(nèi)，果皮能夠克服果肉和果皮之間附著力而分離開來的載荷（分離拉力）不斷增大。當載荷快速上升到一個轉(zhuǎn)折點后，載荷和變形的關系曲線開始偏離第一區(qū)段，進入復雜的屈服階段，此時的拉力通常稱為屈服力，載荷-位移曲線顯示為典型的鋸齒形（B區(qū)），這時柑橘果皮開始出現(xiàn)撕裂，果皮撕裂后至被完全拉斷有較長一段過程，在這一過程中載荷波動較大，位移急劇增大。在屈服階段，彈性變形和塑性變形同時發(fā)生，塑性變形是主要的。在此皮-肉粘連區(qū)，曲線呈鋸齒形波動。受柑橘個體差異性以及不同剝皮方向受力大小、角度的影響，果皮斷裂的形式不同，很少出現(xiàn)突然斷裂。隨著拉力繼續(xù)增加，果皮隨著撕裂口從一個方向撕開，然后逐漸撕裂成一個尖點，柑橘果皮達到斷裂點，產(chǎn)生斷裂，最終果肉與果皮完成分離，即進入曲線第三階段，分離后拉力迅速下降，對應的載荷即為柑橘果皮斷裂力，此時受力變?yōu)?，出現(xiàn)圖3中所示載荷垂直向下變化。此過程中無明顯生物屈服點出現(xiàn)。整個分離過程很難確定果皮開始撕裂的階段，因為撕裂發(fā)生于一個角，然后逐漸撕裂成一個尖點。

圖3 柑橘剝皮試驗載荷-位移曲線圖Fig.3 Load-displacement curve of citrus peel test

根據(jù)徑向及軸向果皮剝皮試驗中，柑橘果皮分離存在3種果皮斷裂形態(tài)，見圖4可知，3種形式都具有沿一個聚集的方向被撕裂的共同特征，果皮正向?qū)ΨQ撕裂形式較為常見，剝皮過程較為平穩(wěn)，柑橘果皮長度最大，分離位移最佳；而當果皮斜向撕裂呈現(xiàn)不對稱狀態(tài)時，剝離過程漸停，果皮分離時位移變小，因而果皮長度減?。讳忼X形式果皮呈鋸齒狀，在分離過程中果皮出現(xiàn)二次裂紋，果皮較早斷裂，導致果皮長度短。

圖4 載荷-位移曲線及果皮斷裂形態(tài)Fig.4 Load-displacement curve of citrus peel test and fracture morphology of peel

如圖4a所示，在拉伸載荷作用下，剝皮過程中有一個快速增長的力（A區(qū)），即拉力克服果皮果肉之間橘絡黏附力做功的過程，果皮沿著預制撕裂方向撕開，撕裂開始于一個角度，進入較為穩(wěn)定期B區(qū)，從圖4b看出果皮隨之寬度變窄，橘絡黏附力降低，載荷波動較大，位移急劇增大，以橘皮撕裂為主，逐漸撕裂成一個尖點，最終完成果皮分離，分離后拉力迅速下降果皮出現(xiàn)斷面，實現(xiàn)柑橘果皮分離。這種果皮分離的形式比較常見，且剝皮過程較為穩(wěn)定，大部分出現(xiàn)在軸向剝皮，分離時位移較大，更有利于實現(xiàn)高的果皮剝凈率。

如圖4c所示，與對稱形式相比，不對稱斷裂的果皮存在一個力降低的過程（C區(qū)），原因在于柑橘果皮沿著預制裂紋撕裂時，既要克服果皮果肉之間的橘絡黏附力，同時果皮兩端撕裂時受到的力不等，果皮從起始方向斜向撕裂，拉力降低，之后進入到撕裂的穩(wěn)定期，沿著撕裂角度方向撕開，形成的斷面尖角，此種分離形式導致果皮分離位移均較小，該種形式多發(fā)生在徑向剝皮，究其原因剝皮過程總沿著曲率梯度方向進行，而徑向曲率半徑變化較小處，阻礙柑橘剝皮的實現(xiàn)，因此柑橘果皮剝離過程中，便斜向撕裂。

而對于鋸齒狀形式，如圖4e所示，柑橘果皮在拉伸過程中出現(xiàn)2次增長趨勢（A、B區(qū)），在果皮沿著預制裂紋撕裂，迅速進入了二次撕裂過程，這種果皮邊緣呈鋸齒狀斷裂形式多表現(xiàn)在柑橘果實表面呈凹凸狀且果皮韌性較小，軸向徑向剝皮均存在，究其原因，進入二次撕裂的柑橘果皮撕裂方向均產(chǎn)生不對稱的現(xiàn)象，果皮表面曲率變化較大，橘絡分布較不均勻，且果皮韌性較低，預制裂紋兩端受到的力不等，導致一端果皮發(fā)生二次撕裂，柑橘果皮兩側(cè)斜向撕裂。這種果皮分離的形式導致分離的位移較小，不利于實現(xiàn)高的果皮剝凈率。

2.3 剝皮方向?qū)し蛛x特性的影響

如圖5所示，為剝皮寬度為25 mm，不同剝皮方向?qū)Ω涕俟し蛛x力學特性的影響。剝皮方向?qū)Ω涕僮畲罄χ涤绊憳O顯著（P=0.006），對分離時位移影響顯著（P=0.016），據(jù)圖5數(shù)據(jù)分析得，軸向相比徑向剝皮分離時位移長約15%，是影響柑橘果皮分離效果的主要因素。軸向剝皮中，從果頂部往中部軸向剝皮所需分離力最小，但是果皮分離位移也?。黄渌?3個軸向剝皮時所需的剝離力大于徑向剝皮，分離位移也比徑向剝皮時大，表明軸向剝皮剝離的果皮長度比徑向剝皮的長度長，尤其是從果實橫徑中部往果蒂、果頂方向剝皮，分離位移大。

圖5 剝皮方向?qū)Ω涕賱兤ぴ囼炗绊懡Y(jié)果Fig.5 Influence of peeling direction on peeling test of citrus

剝皮方向?qū)е碌膭兤ばЧ牟町惻c柑橘果實的生物學特性有關，由表 1可知，靠近柑橘果蒂、果頂部，橘絡較為緊實，因此從中部往兩端軸向剝皮，需要克服更大的橘絡黏附力，同時由于果皮厚度增加，分離過程中果皮不容易斷裂，因此，剝離的果皮長度較長。

對于目前的對輥方式等柑橘剝皮設備中，徑向剝皮完成一次剝皮后，后續(xù)殘余果皮較難被輥齒夾持住，而完成一次軸向剝皮，大部分未剝?nèi)サ墓と杂休^大幾率被輥齒夾持，再經(jīng)對輥去除果皮。

試驗結(jié)果表明，剝皮方向影響剝離果皮長度。在目前的對輥方式剝皮中，輥輪夾持果皮撕扯方向即為試驗中的剝皮方向，隨機劃皮引起柑橘起始剝皮方向和劃皮寬度不確定，導致對輥剝皮時從果面上撕扯下來的果皮長度短，且容易被拉斷，影響剝凈率，果皮收回率也不高；另一方面隨機劃皮，受果皮厚度不同及橘絡分布不均等自身特性影響，易造成果肉損傷，因此，應該從采用定向劃皮代替以往的隨機劃皮并采用軸向剝皮等方面對現(xiàn)有剝皮設備進行改進。

對柑橘果皮分離過程進行受力分析，以進一步探究剝皮方向?qū)Ω涕俟し蛛x力學特性的影響。根據(jù)著名Rivlin公式以及Kendall等研究[31-32]，外力F在剝離過程中做功為2部分形式：1）克服果皮和果肉之間的橘絡黏附力做功；2）由于柑橘果皮的拉伸，部分轉(zhuǎn)化為柑橘果皮彈性勢能。

根據(jù)能量守恒有：

整理得剝離角度θ與剝離力F間的關系，

式中R為單位長度下柑橘果皮分離所需耗能，J；ΔC為剝離長度，mm；L為柑橘果皮剝皮寬度，mm；d為柑橘果皮厚度，mm；F為柑橘果皮所受拉力，N；E為柑橘果皮彈性模量，MPa；θ為剝離角度，(°)。柑橘果肉和果皮間連接力做功為：1=QR C- Δ ；柑橘果皮彈性勢能為：

剝離角度θ為剝離力F與Y軸（豎直方向）的夾角，由于柑橘果皮表面曲率半徑實時變化，軸向與徑向變化率相差較大，且試驗平臺夾持柑橘軸會因隨剝離力F帶動柑橘旋轉(zhuǎn)，因此剝離角度θ是動態(tài)變化。根據(jù)式（2），利用matlab，繪制出剝離力F與剝離角度θ關系理論曲線，如圖6所示，剝離力F隨剝離角度θ的減小而快速增大，由公式（1）可知，F(xiàn)增大，則柑橘果皮彈性勢能快速增大，表明能量大多轉(zhuǎn)化為用于拉果皮的彈性勢能；當剝離角度為0°時，此時為純拉伸果皮，直至果皮拉斷，即做功完全用于果皮彈性勢能的增加，果皮無法從果肉上剝離。

受柑橘形狀影響，剝皮方向不同造成剝離角度不同。軸向剝皮時受力分析如圖7a～7b所示，由于柑橘整體呈扁圓形，從果實中徑到果實兩端曲率半徑逐漸增加，分離拉力F拉扯果皮的過程中，拉力方向發(fā)生變化，導致剝離角度θ逐漸增加，沿X方向拉力增加，拉力大部分克服橘絡連接力做功，拉至果實端部，將果皮拉斷。

圖6 不同剝皮方向下剝離力與剝離角度曲線Fig.6 Peeling force curve varies with peeling angle under different peeling directions

圖7 柑橘剝皮受力分析示意圖Fig.7 Peeling force analysis diagram of citrus

徑向剝皮時受力分析如圖7c所示，由于柑橘徑向具有較大圓度，曲率半徑變化較小，剝離角度θ改變較小，拉力F剝離一段果皮后，拉力F做功轉(zhuǎn)化為果皮彈性勢能較多，直至果皮拉斷，更多地表現(xiàn)為果皮承載作用，而不是克服橘絡間的黏附力，從而剝皮長度較短。

2.4 剝皮寬度、剝皮速度對果皮分離特性的影響

如圖8a所示，為不同剝皮寬度下的徑向剝皮試驗。剝皮寬度對柑橘果皮分離最大拉力值（P=0.034）有顯著影響，對分離位移（P=0.795）影響不顯著。隨剝皮寬度增加，需要克服的橘絡黏附力變大，果皮分離最大拉力值隨之變大。在剝皮寬度為25 mm時，最大拉力值較低，為2.31 N，當剝皮寬度為35 mm時，最大拉力值增為2.55 N。剝皮寬度在 25～35 mm 范圍內(nèi)，分離位移為 47.32～48.33 mm，其顯著性P=0.795，表明剝皮寬度對分離時位移影響并不大，剝離果皮長度差別小。

試驗說明，對于目前的對輥式柑橘剝皮設備，剝皮寬度大，所需的輥輪夾持力大，利于提高剝離果皮面積，因此在剝皮設備中增加最大赤道面處環(huán)割的定向劃皮，驅(qū)使輥輪能夾持更長的果皮，提高剝皮效率。

不同剝皮速度下果皮分離的最大拉力值及果皮分離位移，如圖 8b所示。剝皮速度對柑橘最大拉力值（P=0.043）有顯著影響，對分離位移（P=0.105）影響不顯著。當剝皮速度增加時，果皮分離最大拉力值增加。果皮分離要同時克服 2部分能量：橘絡連接層的黏附能以及果皮的斷裂能。據(jù)有關研究表明，層狀多聚物間的黏附能與剝離速度有關。Kendall等[32]曾研究過薄膜膠帶和有機玻璃板間黏附力與剝離速度的關系，在平穩(wěn)剝離過程中，剝離力隨著剝離速率的增加而增加；在實際中單位剝離能R是關于剝離速度的變量，見式（3），單位長度剝離能R和剝離強度之間也存在著正相關關系，驗證了試驗中柑橘剝皮隨著剝皮速度的增加，剝離力F也會相應的增加。

圖8 不同加載條件對柑橘剝皮試驗影響結(jié)果Fig.8 Effects of different loading conditions on peeling test of citrus fruit

在實際對輥剝皮設備中，試驗剝皮速度表征輥輪速度。由動能定理可知，隨著輥輪速度增加，輥輪夾持力增加，撕扯果皮速度更快；因此在配合柑橘翻轉(zhuǎn)速度下，盡可能需要選用較高的輥輪轉(zhuǎn)速，提高剝皮速度。

3 結(jié) 論

通過寬皮柑橘剝皮力學特性試驗以及對試驗數(shù)據(jù)的定量和定性分析，探討了寬皮柑橘在不同剝皮方向、剝皮寬度和剝皮速度下的果皮分離規(guī)律，得出的主要結(jié)論有：

1）溫州蜜柑果皮分離存在3種果皮斷裂形態(tài)；果皮對稱撕裂、果皮斜向撕裂和鋸齒形式果皮邊緣呈鋸齒狀，其中對稱形式，柑橘果皮長度最大，分離位移最佳。

2）果皮的抗拉能力具有明顯各向異性；剝皮方向?qū)Ω涕俟し蛛x時的最大拉力值影響極顯著，對分離時位移亦有顯著影響（P＜0.05）；柑橘呈扁圓形，與徑向等方向剝皮相比，軸向剝皮剝離角度變化范圍大，果皮剝離時果皮更長，約15%，有利于柑橘果皮剝離；徑向剝皮，更多表現(xiàn)為果皮承載作用。

3）剝皮速度和剝皮寬度對柑橘果皮分離的最大拉力值有影響，但對分離時位移的影響不顯著。果皮分離力隨著剝皮速度和剝皮寬度的增大而增大，剝皮機構(gòu)允許的范圍下，盡可能地選擇較大的剝皮寬度（即采用環(huán)割劃皮），較高剝皮速度（300 mm/min以上），提高目前的對輥去皮的剝皮效率。

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Experimental study on mechanical properties and peel separation characteristics of citrus reticulate blanco with peel clamped moving

Chen Hong, Xu Xiangzhou, Yin Yijun, Pan Haibing, Bao Xiulan, Li Shanjun, Xu Qinchao
(College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan,430070,China)

The mechanical properties of Satsuma mandarin are an important basis for the design and control of the automatic peeling device. In this paper, Satsuma mandarin was taken as the research object, and TMS-PRO texture analyzer was adopted.Special scissors cut along the fruit radial (fruit maximum equatorial diameter direction) and axially peeled out and pulled out different peeling widths. Citrus fruit top and pedicle were fixed in the 2 clamping edges of the fixed clamping mechanism or the longitudinal axis perpendicular to the clamping edges, and the radial part was fixed in the 2 clamping edges of the fixed clamping mechanism. Gripper clamped the peeled part of the peel. The moving probe of the texture instrument drove the gripping mechanism to move to overcome the adhesive force between peel and pulp. As the texture instrument continued to pull peel, the peel was peeled off from citrus surface. The maximum tensile force and the displacement in the separation of peel were obtained, which were as the experimental indices. The smaller the maximum separation tension, the more easily separated the skin of the citrus fruit; the separation of the larger displacement indicated that the longer the peeled peel length,the better the effect of peeling. The paper studied the peeling law of Satsuma mandarin in different pulling direction, pulling width and pulling speed by carrying out the mechanical properties test of peeling citrus. The main results were as follows:Firstly, there were 3 types of rupture during citrus peel separation (peel symmetrical tear, peel oblique tear and jagged cracks),in which the citrus peel length with symmetric cracks was the largest and the displacement was the best. Asymmetrical and jagged cracks forms of peel separation lead to shorter separation of peel, which is not conducive to achieving higher peel rate.Secondly, the stripping direction had the most significant effect on the maximum tension value of citrus fruits (P=0.006). The stripping direction also had a significant effect on the displacement (P=0.016). Results showed that the peeling strength of Satsuma mandarin had obvious anisotropy. Compared with radial direction of peeling, peeling width of the axial skin peeling is conducive to peel citrus, which can get longer peel. Thirdly, the peeling width had a significant effect on the maximal pulling force (P=0.034) and the displacement (P=0.795) in citrus fruit. When the peeling width was 25 mm, the maximum tension value was lower, 2.31 N. When the peeling width was 35 mm, the maximum tension value was larger, 2.55 N. When the peeling width was in the range of 25-35 mm, the displacement value was 47.32-48.33 mm and the fluctuation was small.Peel separation force increased as the width of the skin increased. For the existing citrus peeling machine with random cutting approach was not conducive to peeling, the ring cutting peeling should be used for the existing roller way to provide the possibility of axial peeling. At last, the maximum pulling force (P=0.043) and the separation displacement (P=0.105) were not significant. Peeling separation force increased with the increasing of pulling speed. For most of roller citrus peeling equipment,the maximum clamping force of the roller was generally much larger than the stripping force, so the citrus in the rolling process chose larger peeling width (the ring cut peel) and peeling speed, and peel separation process was more stable and efficient. In conclusion, this study provides an important basis for the design of wide-peel citrus peeling machine.

peeling; mechanical properties; experiments; citrus; peeling direction; peeling width; peeling speed

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004

S666.2；S226.4

A

1002-6819(2017)-14-0025-07

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10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004 http://www.tcsae.org

Chen Hong, Xu Xiangzhou, Yin Yijun, Pan Haibing, Bao Xiulan, Li Shanjun, Xu Qinchao. Experimental study on mechanical properties and peel separation characteristics ofcitrus reticulate blancowith peel clamped moving[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 25－31. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.004 http://www.tcsae.org

2017-01-11

2017-05-05

國家現(xiàn)代柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系專項基金（農(nóng)科教發(fā)[2011]3號）；湖北省自然科學基金（ZRY2014000710）；國家重點研發(fā)計劃項目 智能農(nóng)機 現(xiàn)代果園智能化精細生產(chǎn)管理技術 2017YFD0701400

陳 紅，女，湖南長沙人，博士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術與裝備研究。武漢 華中農(nóng)業(yè)大學工學院，430070。

Email：chenhong@mail.hzau.edu.cn