基于擺動沖擊試驗的青香蕉碰撞損傷敏感性評估

付 函，劉恩秀，楊 洲,2，楊靖愷，張漢堯，謝博偉，杜文迪，段潔利

(1 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣東 廣州 510642； 2 嘉應學院/廣東省山區(qū)特色農(nóng)業(yè)資源保護與精準利用重點實驗室，廣東 梅州 514015)

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)[1]顯示，香蕉是我國排第五位的大宗水果，2019 年種植面積達 3.303×105hm2，產(chǎn)量達 1.1656×107t。在收獲時為了長途運輸，必須采摘未經(jīng)催熟而暫不能食用的青果，即青香蕉。青香蕉受外力碰壓或摩擦易發(fā)生機械損傷。機械損傷是影響果品質(zhì)量的重要因素。機械損傷既能直接降低果實的外觀品質(zhì)，影響消費者的購買欲望[2]，更會為某些微生物的侵染提供通道[3]，致使果實腐敗交叉感染，給果農(nóng)和商家造成巨大的經(jīng)濟損失。研究果實產(chǎn)生機械損傷敏感性的成因及其影響因素，探索有效的防護措施，對于確保果品質(zhì)量具有重要的意義。

碰撞損傷是水果機械損傷的主要類型,其敏感性被定義為單位吸收(或碰撞)能量下的損傷體積[4]。由于碰撞損傷敏感性的定義考慮了果實損傷中的吸收能量和損傷體積2個重要指標，因此被廣泛地用于評價水果發(fā)生沖擊損傷的可能。目前，有學者已經(jīng)研究了蘋果、梨、桃、番茄、獼猴桃等多種類球形水果的碰撞損傷敏感性，并揭示了相關(guān)的影響因素。這些因素既包括果實固有的物理特性(如尺寸、形狀、硬度、含水率)，也包含外部因素(如下落高度、碰撞能量、沖擊力、沖擊速度)。例如，Van Zeebroeck等[4]研究番茄時發(fā)現(xiàn)果實的碰撞損傷敏感性隨其成熟度的增加而增加；番茄的溫度與曲率的交互效應對其損傷敏感性存在顯著影響，曲率越大、溫度越低則番茄越易損傷。蘋果和桃子的碰撞損傷敏感性與其成熟度之間也有類似規(guī)律[5-6]。

除了損傷敏感性，損傷率[7]、損傷抵抗性、損傷指數(shù)[8]、跌落損傷指數(shù)[9]等指標也被用于評價水果吸收(抵抗)外力致?lián)p的可能。其中損傷抵抗性的定義與損傷敏感性的定義相反[10]。Schoorl等[11]發(fā)現(xiàn)，蘋果的損傷體積與吸收能量呈強線性正相關(guān)，于是采用損傷體積與吸收能量之間簡單線性回歸模型的斜率表達果實的碰撞損傷抵抗性。Hadi等[12]為了對油棕櫚果的損傷進行分類評價，提出了損傷指數(shù)的概念，根據(jù)果實的成熟度，確定了損傷指數(shù)與游離脂肪酸(Free fatty acid，F(xiàn)FA)含量之間的關(guān)系。

目前有關(guān)香蕉機械損傷的研究文獻很少，特別是針對青香蕉碰撞損傷敏感性的研究鮮見報道。Banks等[13]測量了準靜態(tài)壓縮下青香蕉損傷的閾值力及其隨加載時間變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)香蕉損傷敏感性隨其成熟度的增加而降低，且損傷更易被辨識，同時損傷深度逐漸變淺。Akkaravessapong等[14]發(fā)現(xiàn)香蕉貯藏的相對濕度對其碰撞損傷敏感性沒有顯著影響。Kajuna等[15]利用擺式?jīng)_擊的方法對比研究了貯藏時間對青香蕉與芭蕉碰撞損傷敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)貯藏初期芭蕉的損傷敏感性較低，但貯藏后期其敏感性快速升高并超過香蕉。Bugaud等[16]從物理和化學的角度考慮，通過沖擊試驗揭示了基因表型和采后貯藏條件對香蕉果皮損傷閾值的影響。Maia等[17]驗證了機械應力誘導下‘普拉塔’香蕉在室溫條件下的物理和生理代謝變化。Fernando等[18]測量并分析了香蕉在長途運輸過程道路振動對其機械損傷程度的影響，用于優(yōu)化減損包裝設計。

香蕉的結(jié)構(gòu)特征與其他水果均不相同，本文結(jié)合青香蕉果穗的結(jié)構(gòu)特點，通過嵌套和單因素試驗設計，揭示梳層節(jié)點及其嵌套的排層、沖擊水平和果實表面區(qū)域?qū)麑嵟鲎矒p傷敏感性的影響；通過混合正交試驗設計，揭示各因素對碰撞損傷敏感性的影響顯著性以及影響主次關(guān)系。自行設計和搭建擺動沖擊試驗臺，開展果實的碰撞損傷試驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗裝置

香蕉是一種草本植物，一棵香蕉樹只結(jié)一束果穗，每束果穗一般包含7層果梳，每層果梳又包含內(nèi)外2排果指，每根果指的長度依據(jù)香蕉品種的不同在10～30 cm之間[19]，香蕉果穗和果實的形態(tài)和結(jié)構(gòu)組成如圖1所示[19-21]。本文以廣州本地廣泛種植的巴西蕉AAA品種為例開展試驗，在2020年4月1日(斷蕾后第110天)采收果穗并運回實驗室，在室溫條件下通風保存至整體溫度穩(wěn)定。試驗時，將果指保留果柄在靠近梳柄處單根取下，挑選位于蕉梳中部、顏色、大小和形狀一致、無機械損傷、無病蟲害的果指。將選出的果指按生長節(jié)點和內(nèi)排、外排分組，用清水清洗后軟布擦干。受光照、植株長勢等環(huán)境因素的影響，同一束果穗不同梳層、同一梳層的內(nèi)外排果指以及同一果指表面的不同區(qū)域，果指的生長狀況均可能存在差異，從而影響其損傷敏感性的差異。為此，本試驗重點研究梳層節(jié)點、排層和果指表面區(qū)域3個重要因素對果實碰撞損傷敏感性的影響。

圖1 香蕉果穗和果實的形態(tài)和結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Morphology and structure of banana bunch and fruit

果蔬碰撞損傷試驗的實施一般選用跌落或擺動沖擊2種類型的試驗裝置。由于香蕉果指是條狀，采用跌落試驗的方式難以精準控制其表面的碰撞位置，并且果指易發(fā)生彎轉(zhuǎn)，不便計算碰撞部位的吸收能量。為此，參考前人開發(fā)的試驗裝置[10,22]，設計并搭建了基于擺動沖擊試驗的香蕉果指碰撞損傷試驗臺，如圖2所示。試驗臺中部的擺臂長0.6 m，截面為20 mm×15 mm的實心鋁合金桿；擺錘碰撞頭為直徑40 mm的木質(zhì)半球；在擺臂鉸鏈處安裝了一臺角度傳感器，用于測量擺角；試驗臺的整體框架選用鋁合金型材搭建。試驗時，香蕉果指被固定在具有升降功能的支撐平臺上。為了避免果指碰撞區(qū)域外損傷，提前打印了多種規(guī)格的仿形部件，以適應香蕉接觸表面的不同形態(tài)，增大接觸面積。擺臂碰撞后的速度通過高速相機測量。試驗臺構(gòu)成的主要硬件包括：高速相機（2 000 fps，Mini UX50，Photron），數(shù)據(jù)采集卡（26.5 kHz，NI9234，National Instrument），卡槽（cDAQ-9174，National Instrument），角度傳感器（精度 0.3%，MCJSI420A-360-38AC，天宇恒創(chuàng)），升降臺（LZ80-2，匯科）。

圖2 擺動沖擊試驗臺示意圖Fig.2 Schematic of the pendulum impact test device

碰撞前，將香蕉果指試樣固定于仿形部件，調(diào)節(jié)升降臺以保證果指碰撞區(qū)域與木錘接觸時擺臂水平。試驗時，用手通過棉線將擺臂拉起，定位在設置的水平，然后自由釋放，使木錘沖擊在選定區(qū)域，在木錘再次沖擊前用手阻擋擺臂，避免二次撞擊。高速相機置于試驗臺一側(cè)，平視沖擊試驗臺，記錄整個沖擊過程。

1.2 試驗原理

參考蘋果[23]、梨[24]等水果敏感性的定義，本文采用單位吸收能量下的損傷體積表達香蕉的碰撞損傷敏感性，其值越大，果實越易損。

將損傷敏感性記為SB，cm3/J；損傷體積記為VB，吸收能量為ΔE，則：

在評估損傷時，首先觀察碰撞區(qū)域果皮的表面色態(tài)，用手觸摸確定損傷的確切位置，然后將損傷區(qū)域的中間依次橫切和縱切，用相機記錄損傷截面。損傷的典型示例如圖3所示。

圖3 香蕉果指不同截面損傷情況示例Fig.3 Illustration of bruised banana finger in different sections

用ImageJ1.8.0軟件測量損傷部位的面積和長度，分別記為S和b。損傷面積S的測量步驟如圖4所示，首先建立如圖4a所示的圖片標尺，其次將圖片二值化(圖4b)，然后選擇適宜亮度值劃分損傷部位和健康部位(圖4c)，計算損傷部位的面積。損傷長度b測量方法與損傷面積相似。

圖4 香蕉損傷面積測量方法示意圖Fig.4 Schematic of the method for measuring bruise area on banana

在蘋果[25]、梨[24]等多種類球形水果損傷程度的測量中，通常將損傷部位的形狀近似為半球或半橢球形，利用切片法進行積分計算。然而，香蕉橫截面顯示其損傷部位為3瓣狀，與其他水果的損傷形狀不同。為此，修改切片法測量損傷體積，將損傷在XOY截面上的邊界近似為橢圓形，在YOZ截面上近似為半橢圓形，損傷形狀類似于圖5所示。設損傷最深處Z(0,0)=h，根據(jù)橢圓公式可得YOZ平面的損傷邊界公式近似為：

圖5 用于計算損傷體積的變量示意圖Fig.5 Schematic of the definition of the variables for calculation of bruise volume

其中，y∈(-b/2,b/2)。

沿長度方向任意位置橫截面的損傷面積設為S(y)，根據(jù)實際情況S(y)在XOZ截面上最大，即S(0)=Smax?？梢缘玫剑?/p>

忽略擺錘鉸鏈處的摩擦損耗、空氣阻力和試驗臺振動損耗，根據(jù)能量守恒定律，香蕉果指的吸收能量ΔE為擺錘沖擊能量E1與其反彈能量E2之差，即：

設擺錘的轉(zhuǎn)動慣量為J，kg·m2，木錘質(zhì)量為m1，擺臂質(zhì)量為m2，木錘球徑為r，擺臂長度為l，木錘質(zhì)心到轉(zhuǎn)動中心距離為l1，那么轉(zhuǎn)動慣量為：

設ω為擺錘的角速度，rad/s，則鐘擺的轉(zhuǎn)動動能(E)為：

在進行沖擊試驗時，鐘擺的線速度通過高速拍照的方式測量。設高速相機攝像時相鄰2張圖片的拍攝間隔為ΔT，分別選出擺錘與香蕉果指臨近接觸和分離的相鄰2張圖片，測量擺錘沖擊和反彈的位移X1和X2，用位移與間隔時間的比計算擺錘沖擊和反彈的速度，分別記為V1和V2：

由于擺錘固定于擺桿上繞擺桿一端轉(zhuǎn)動，為了便于計算沖擊能量，將擺錘沖擊和反彈的瞬時線速度轉(zhuǎn)換為角速度，分別記為ω1和ω2，設擺錘到轉(zhuǎn)動中心距離為l1，那么

果指被撞部位的吸收能量為：

1.3 試驗設計

1.3.1 嵌套試驗設計 香蕉一般有7個梳層節(jié)點，每個節(jié)點有2排果指，由于每一梳香蕉生長節(jié)點對應內(nèi)外2排果指，不同節(jié)點對應的內(nèi)排或外排果指無法交叉。為了確定一級因素梳層節(jié)點(A)和二級因素排層[B(A)]2個因素對果指碰撞損傷敏感性的影響，梳層節(jié)點和排層采用二級因素嵌套設計。梳層節(jié)點設為7個水平，排層為內(nèi)、外2排2個水平，試驗因素和水平如表1所示。每個嵌套組合重復5次，整個試驗在24 h內(nèi)完成，碰撞完成的樣本在22 ℃的室內(nèi)條件下儲存24 h，使損傷特征充分顯現(xiàn)。

圖6 香蕉果指表面被撞位置標記示例Fig.6 Illustration of the impact zones on a banana finger

表1 嵌套試驗因素和水平Table 1 Nested test factors and levels

表2 正交試驗因素和水平Table 2 Orthogonal test factors and levels

1.3.2 單因素試驗設計 香蕉果指較長，不同位置的損傷敏感性可能存在顯著差異。為了檢驗果指表面區(qū)域?qū)p傷的敏感性，從果指表面區(qū)域等間距選3個水平，即近果柄端、果指中部和近果頂端，如圖6所示。前人研究[24-25]發(fā)現(xiàn)沖擊水平是一種對水果碰撞損傷敏感性影響顯著的因素，為了選取合適的沖擊能量，在預試驗中對果指中部開展了10°、15°、20°、35°和 50°多種擺角下的系列碰撞，靜置 24 h 后發(fā)現(xiàn)：當擺角低于15°時，果指上幾乎沒有損傷顯現(xiàn)；當擺角為20°時，可在果指上觀察到小于1 cm2的不明顯機械損傷；當擺角為35°時，發(fā)現(xiàn)約1 cm2的較明顯損傷；當擺角為 50°時，發(fā)現(xiàn)大于 1 cm2但小于2 cm2的明顯損傷。青香蕉品質(zhì)分級標準[21]指出，若果指存在機械傷則被定為優(yōu)等品以下(一等品、二等品或劣等品)。根據(jù)預試驗結(jié)果，并結(jié)合青香蕉品質(zhì)分級標準，本文選擇了20°、35°和50°3種擺角，對應的沖擊能量分別為0.52、0.88和1.17 J，研究果指表面區(qū)域和沖擊水平2個因素對果指碰撞損傷敏感性的影響，每種處理重復7次。整個試驗在24 h內(nèi)完成，碰撞完成的樣本放置在22 ℃的室內(nèi)條件下儲存24 h，以使損傷特征充分顯現(xiàn)。

1.3.3 正交試驗設計 為進一步探究各因素對沖擊損傷敏感性影響的顯著性以及影響的主次關(guān)系，在嵌套試驗和單因素試驗基礎上，開展了混合正交試驗。根據(jù)嵌套試驗的結(jié)果，將B(A)因素的14個水平分為4組(見“2.1”節(jié))，因素記為生長位置，編號B ′。正交試驗因素水平表見表2，每種處理重復5次。

1.4 統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)用 Office excel 2016 軟件記錄；用Origin 2018 軟件繪圖；統(tǒng)計分析時，先用 IBM SPSS Statistics 22.0 對數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊性進行檢驗，然后通過方差分析(ANOVA)進行顯著性檢驗，選用Duncan’s法對同一因素各水平間的均值進行多重比較。數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值±標準差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 嵌套試驗

一級因素梳層節(jié)點各水平下的損傷敏感性服從正態(tài)分布，首梳至尾梳各水平下P值依次為0.33、0.79、0.45、0.63、0.46、0.09，且方差齊性檢驗結(jié)果為P=0.10。二級因素排層(梳層節(jié)點)各水平下的損傷敏感性服從正態(tài)分布，首梳外排至尾梳內(nèi)排各水平下 P 值依次為 0.39、0.19、0.54、0.46、0.63、0.09、0.67、0.58、0.31、0.25、0.25、0.53、0.85、0.89，且方差齊性檢驗結(jié)果為P=0.09。

香蕉果指生長位置嵌套試驗的方差分析結(jié)果顯示，一級因素梳層節(jié)點間和二級因素排層(梳層節(jié)點)間的F值分別為0.17和6.94，P值分別為0.98和0.00，表明一級因素梳層節(jié)點對果指碰撞損傷敏感性影響不顯著；二級因素排層(梳層節(jié)點)間的果指碰撞損傷敏感性差異顯著。

為了進一步比較7個梳層節(jié)點內(nèi)外2排不同水平間果指碰撞損傷敏感性的均值，利用Duncan’s法對其進行多重比較，結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，果指損傷敏感性的均值為1.06～1.34；同一梳層內(nèi)排果指的損傷敏感性的均值總比外排果指的高。根據(jù)7個梳層節(jié)點內(nèi)外2排不同水平間果指損傷敏感性均值的多重比較結(jié)果，可以將一條果穗14層不同生長位置的香蕉果指分為4組處理：第1組包括首梳內(nèi)排、第5梳內(nèi)排、第4梳內(nèi)排、第2梳內(nèi)排、第3梳內(nèi)排、第7梳外排、第7梳內(nèi)排、第6梳內(nèi)排、第5梳外排和第4梳外排；第2組包括第7梳外排、第7梳內(nèi)排、第6梳內(nèi)排、第5梳外排、第4梳外排和第3梳外排；第3組包括第7梳內(nèi)排、第6梳內(nèi)排、第5梳外排、第4梳外排、第3梳外排和第6梳外排；第4組包括第6梳內(nèi)排、第5梳外排、第4梳外排、第3梳外排、第6梳外排、第2梳外排和首梳外排。這種差異可能與果指的彎曲程度有關(guān)。香蕉果指總體向上生長，外排果指受到內(nèi)排果指的影響，只能先水平再向上生長，所以內(nèi)排果指的曲率半徑總比外排果指的大，圖1a與圖1b較好地展現(xiàn)了這一點。Abedi等[26]的研究結(jié)果表明，當沖擊水果的沖擊能量超過0.24 J時，果實接觸的曲率半徑越大，其損傷敏感性越高，這與本文的試驗結(jié)果是一致的。

表3 不同生長位置香蕉果指碰撞損傷敏感性均值的多重比較結(jié)果1)Table 3 Multiple comparisons of average bruise susceptibility of banana finger at various growth positions

2.2 單因素試驗

2.2.1 果指表面區(qū)域?qū)ε鲎矒p傷敏感性的影響為研究果指表面區(qū)域?qū)p傷敏感性的影響，從果指的凸起部分沿其生長方向等間距選取3個區(qū)域，分別記為近果柄端、果指中部和近果頂端，用低水平(0.52 J)的沖擊能量對相同生長位置的香蕉進行碰撞，果指表面區(qū)域單因素試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 外排香蕉果指不同表面區(qū)域的損傷敏感性Fig.7 Bruise susceptibility of different surface positions of the banana finger in the outer row

果指表面區(qū)域3種水平下的損傷敏感性的正態(tài)性檢驗顯著，近果柄端水平下P=0.07；果指中部水平下P=0.23；近果頂端水平下P=0.60。方差齊性檢驗顯著，P=0.14。

近果柄端、果柄中部和近果頂端的損傷敏感性分別為0.48、0.50和0.59 cm3/J，其損傷敏感性沿著果指生長方向逐漸增加。近果頂端的損傷敏感性與其他2個區(qū)域差異顯著。果指中部與近果柄端的損傷敏感性無顯著差異。

統(tǒng)計香蕉果指的形態(tài)發(fā)現(xiàn)，香蕉果指從果柄至果指中部區(qū)域彎曲較大，從果指中部至果頂幾乎不彎曲或彎曲較小，說明果指的曲率半徑從近果柄端到近果頂端依次增加，圖6也很好地證實了這一點。先前的研究發(fā)現(xiàn)，水果的曲率半徑越小，在低水平?jīng)_擊下越易損傷[27]。然而，Abedi等[26]發(fā)現(xiàn)當沖擊水平超過0.24 J時，撞擊區(qū)域的曲率半徑越大，水果的損傷程度越大，其損傷敏感性反而越高，本文的試驗結(jié)果也很好地證明了這一點，即曲率半徑對水果的碰撞損傷敏感性扮演了雙重角色。Bugaud等[16]在研究貯藏條件與基因型對香蕉損傷敏感性影響的研究中發(fā)現(xiàn)，香蕉損傷敏感性與其硬度負相關(guān)。為了揭示造成香蕉果指不同區(qū)域損傷敏感性顯著差異的機理，我們將在今后的研究中進一步證實。

2.2.2 沖擊水平對碰撞損傷敏感性的影響 為了研究沖擊水平對香蕉果指碰撞損傷敏感性的影響，選擇相同生長位置的香蕉，對香蕉果指的近果頂端施加 3 種水平的沖擊：低水平 (0.52 J)、中水平 (0.88 J)和高水平(1.17 J)。3種沖擊水平下的損傷敏感性正態(tài)性檢驗顯著，低水平下P=0.83，中水平下P=0.27，高水平下P=0.43；方差齊性檢驗顯著，P=0.91。

損傷敏感性隨沖擊水平變化的結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，香蕉果指碰撞損傷敏感性在3種沖擊水平下分別為0.52、0.95和1.35 cm3/J，隨沖擊水平的增加而顯著增加。這個結(jié)果與先前其他水果碰撞損傷敏感性的規(guī)律是一致的。Van Zeebroeck等[4]用鐘擺沖擊的方式研究了番茄碰撞損傷的敏感性，發(fā)現(xiàn)被撞部位吸收的能量隨沖擊水平的提升而增加，即果實損傷的敏感性也在增加。Du等[28]通過自由下落試驗與有限元分析的方法研究獼猴桃的碰撞損傷敏感性時也有類似發(fā)現(xiàn)。所以，在香蕉采收或采后處理時需盡量降低果實沖擊，以保證果實質(zhì)量。

圖8 不同沖擊水平下香蕉內(nèi)排果指近果頂端的損傷敏感性Fig.8 Bruise susceptibility near apex of the banana finger in the inner row under different impact levels

2.3 正交試驗

正交試驗結(jié)果如表4所示，方差分析如表5所示。

根據(jù)表4極差分析可知，影響香蕉果指損傷敏感性的主次順序為：沖擊水平＞生長位置＞果指表面區(qū)域；表5的正交試驗方差分析結(jié)果顯示，沖擊水平、生長位置、果指表面區(qū)域?qū)ο憬豆麑崜p傷敏感性影響極顯著(P＜0.01)。

表4 正交試驗方案及結(jié)果1)Table 4 The scheme and result of orthogonal test

表5 正交試驗方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal test

3 結(jié)論

1)嵌套試驗結(jié)果表明：香蕉果指的碰撞損傷敏感性從首梳節(jié)點到尾梳節(jié)點無顯著性差異，而同梳節(jié)點嵌套的內(nèi)外2排果指的損傷敏感性差異顯著，從首梳至尾梳內(nèi)排果指的損傷敏感性逐漸增加，而外排果指的損傷敏感性與此相反；多重比較結(jié)果顯示，根據(jù)顯著性水平，可以將節(jié)點嵌套排層的14種水平分為4組處理。

2)單因素試驗結(jié)果表明：果指表面區(qū)域和沖擊水平對其碰撞損傷敏感性影響極顯著，其中近果頂端的損傷敏感性明顯高于果指中部和近果柄端，而果指中部和近果柄端的損傷敏感性無顯著差異；損傷敏感性隨沖擊水平的升高而增加。

3)正交試驗結(jié)果表明：影響損傷敏感性各因素的主次順序為沖擊水平＞生長位置＞果指表面區(qū)域。

本文揭示了適收期內(nèi)青香蕉果穗的梳層節(jié)點、嵌套的排層、果指表面區(qū)域和沖擊水平對果實碰撞損傷敏感性的影響，初步分析了相關(guān)的原因，但對造成顯著差異機理層面的解釋還存在不足，將在后續(xù)的研究中進一步證實。