基于減振包裝設(shè)計的蘋果貯運性能研究

王仕棟 孫建明 劉 輝 李 昭 王甜甜 申子旺 栗 倩

河南科技大學(xué) 包裝工程系 河南 洛陽 471000

雖然我國是世界上水果種類最多的國家之一，也是水果產(chǎn)量第一大國[1]，但是水果采后處理技術(shù)的應(yīng)用滯后，流通過程中水果損耗率超過20%[2]。采后處理是果品規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、商品化生產(chǎn)的重要工序。目前，研究人員主要通過模擬運輸試驗和跌落試驗分析水果采后的物流損傷，為包裝設(shè)計提供依據(jù)。研究結(jié)果表明，擠壓、跌撞以及磨損等會造成水果機械損傷，機械損傷會加快水果軟化，使其品質(zhì)下降[3-4]。

蘋果是薔薇科蘋果亞科蘋果屬植物。中國統(tǒng)計年報數(shù)據(jù)顯示，2021年我國蘋果產(chǎn)量約為4597.34萬t。目前，蘋果包裝主要采用泡沫塑料制品或瓦楞紙箱，前者雖具有一定的緩沖效果，但極不環(huán)保且不易回收；后者雖價格低廉、綠色環(huán)保，但防護效果較弱。本研究基于瓦楞紙板設(shè)計蘋果減振包裝，并分析其貯運性能。

1 蘋果減振包裝設(shè)計

蘋果產(chǎn)地與消費地分布不均，因此蘋果運輸方式主要為長途運輸。運輸中引起蘋果損傷的主要形式及解決辦法見表1。

表1 引起蘋果損傷主要形式及解決辦法Table 1 Main forms of apple damage and solutions

本研究針對運輸過程中的振動及跌落情況設(shè)計了3種減振結(jié)構(gòu)包裝，并用蘋果理化指標(biāo)對包裝保護效果進行評價。不同減振結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，相應(yīng)的截面示意圖如圖2所示。

圖1 蘋果減振包裝Fig. 1 Vibration reduction packaging for apples

圖2 蘋果減振包裝截面示意圖Fig. 2 Section map vibration reduction packaging for apples

2 仿真分析

蘋果減振包裝的主材料為瓦楞紙板。根據(jù)紙板自身的特性和蘋果減振包裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用ABAQUS有限元分析軟件進行跌落仿真試驗。

2.1 參數(shù)設(shè)置

瓦楞紙板具有特殊的波紋結(jié)構(gòu)，因而包裝物品時具有良好的保護效果。但在ABAQUS有限元分析軟件中無瓦楞紙板相關(guān)結(jié)構(gòu)模型，故需進行模型等效建模，橫向?qū)Ρ冉Y(jié)構(gòu)性能。包裝單元各部分材料屬性[6-7]定義見表2。

表2 包裝單元各部分材料屬性Table 2 Material properties of each part in a packaging unit

2.2 有限元模型建立

減振包裝中起保護作用的主要結(jié)構(gòu)是底部，故將包裝簡化為底部單元。跌落高度設(shè)為0.8 m。在SOLIDWORKS 2018中建立單元件等效模型，并導(dǎo)入ABAQUS有限元分析軟件中。蘋果、減振單元件及剛性地面均采用自由網(wǎng)格劃分，單元形式采用C3D4。根據(jù)沖擊內(nèi)能第一次峰值，分析步時間設(shè)為0.004 s，蘋果、模型及地面接觸位均添加表面-表面接觸，以防作業(yè)中出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，固定地面所有自由度，將地面與空間坐標(biāo)原點進行綁定。法向接觸為硬接觸，約束地面為剛體，全模型施加g=9.8 m/s2的重力場。根據(jù)公式，可得包裝件落地速度為3.96 m/s。

2.3 仿真結(jié)果分析

底部結(jié)構(gòu)面跌落應(yīng)力圖如圖3所示。由圖3可以看出，設(shè)計1的應(yīng)力主要集中在襯墊中部，最大應(yīng)力集中在圓切口寬度最窄位置，為106.6 MPa；設(shè)計2的應(yīng)力主要集中在減振襟片與蘋果接觸處、襟片與三角結(jié)構(gòu)連接處，最大應(yīng)力為160.6 MPa；設(shè)計3的應(yīng)力主要分布在底部折疊襯墊部分，且最大應(yīng)力為148.4 MPa。

圖3 底部結(jié)構(gòu)面跌落應(yīng)力圖Fig. 3 Drop stress diagram of bottom structural plane

彩圖

3 模擬試驗

3.1 材料與儀器

紅富士蘋果，產(chǎn)自洛寧縣，購自水果超市，果實無機械損傷，大小和成熟度基本一致；微瓦楞紙板購自東莞市厚街智盈紙箱廠。

電子天平，F(xiàn)A1004型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；數(shù)顯果實硬度計，GY-4型，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司；數(shù)顯折光儀，LH-B55型，杭州陸恒生物科技有限公司；恒溫恒濕箱，HD-100型，東莞市海達儀器有限公司；紙箱紙盒切割打樣機，DCZ50型，東莞市奧科電腦切割設(shè)備有限公司；振動試驗臺，LD-50ATPP型，廣州市番禺凡正電磁振動機廠。

3.2 試驗方法

使用微瓦楞紙板對3種設(shè)計進行打樣，制作模型。對照組包裝僅為在底部放置微瓦楞紙板，不做其他結(jié)構(gòu)性支撐。參考GB/T 4857.5—1992《包裝運輸包裝件跌落試驗方法》，跌落高度取0.8 m。跌落臺示意圖如圖4所示。

圖4 跌落臺示意圖Fig. 4 Schematic of drop test apparatus

根據(jù)GB/T 4857.23—2012《包裝運輸包裝件基本試驗 第23部分：隨機振動試驗方法》，鋼簧減震卡車公路運輸?shù)恼駝訌姸确譃?種嚴(yán)酷水平。本試驗考慮極端情況，采用嚴(yán)酷水平Ⅰ。為縮短振動時間，將加速度均方根值擴大倍，振動時間縮短為原來的1/5，即模擬運輸振動時間為120 min[8]。振動臺示意圖如圖5所示。

圖5 振動臺示意圖Fig. 5 Schematic of vibration test apparatus

3.3 指標(biāo)測定與分析方法

蘋果的質(zhì)量、硬度、可溶性固形物（total soluble solids，TSS）含量分別采用電子天平、數(shù)顯果實硬度計、數(shù)顯折光儀進行檢測。模擬試驗完成后，所有包裝物品置于室溫25 ℃、相對濕度50%的條件下貯藏，測定相關(guān)數(shù)據(jù)。每個樣品平行測試3次，取均值并計算標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用SPSS（statistical product and service solutions）軟件進行顯著性分析，用Origin 2018進行繪圖。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 不同減振設(shè)計對蘋果失重率的影響

經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，不同減振設(shè)計對蘋果失重率的影響如圖6所示。

圖6 不同工況下減振設(shè)計對蘋果失重率的影響Fig. 6 Influence of vibration reduction design on weight loss rate of apple under different working conditions

由圖6可知，經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，隨著貯藏時間的增加，各組蘋果的失重率均呈增勢。在貯藏3 d時，對照組質(zhì)量下降較快，可能是損傷部位受到外界污染而導(dǎo)致果肉腐爛變質(zhì)，大量消耗果肉內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)，同時由于機械振動加大了果實的呼吸作用，加速了果實質(zhì)量的下降[9]。貯藏后期（第6天），設(shè)計1與其他組在失重率方面出現(xiàn)極顯著差異（P＜0.01）。

3.4.2 不同減振設(shè)計對蘋果硬度損失率的影響

本研究對經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ后，蘋果胴端、萼端的硬度損失率進行分析。不同減振設(shè)計對蘋果胴端、萼端的硬度損失率的影響如圖7所示。

圖7 不同工況下減振設(shè)計對蘋果硬度損失率的影響Fig. 7 Influence of vibration reduction design on the hardness loss rate of apple under different working conditions

由圖7可知，經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，隨著貯藏時間的增加，蘋果各部位的硬度損失率逐漸增大。前期受到外界瞬時激勵，導(dǎo)致蘋果硬度迅速下降。有學(xué)者認(rèn)為外界機械脅迫引起的細胞壁水解酶活性變化是導(dǎo)致果品軟化的重要原因[10]。后期包裝的緩沖性能減緩了蘋果的成熟速率。貯藏6 d時，設(shè)計1較其他組的胴端、萼端的硬度損失率均呈極顯著差異（P＜0.01）。

3.4.3 不同減振設(shè)計對可溶性固形物含量的影響

TSS含量是衡量果蔬成熟度和營養(yǎng)物質(zhì)含量的重要指標(biāo)。經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，蘋果的TSS含量變化如圖8所示。

圖8 不同工況下減振設(shè)計對蘋果TSS含量的影響Fig. 8 Effect of vibration reduction design on TSS content of apple under different working conditions

由圖8可知，經(jīng)過跌落后，從貯藏第4天開始，由減振設(shè)計1包裝的蘋果TSS含量仍保持上升趨勢，而其他組的均開始下降；經(jīng)過運輸振動后，除對照組外，其他組的蘋果TSS含量均呈上升趨勢，造成這種情況的原因是底部托盤的緩沖極大降低了外界沖擊對果實的影響，延緩了果實成熟。貯藏第6天，采用設(shè)計1包裝的蘋果TSS含量與其他組呈顯著性差異（P＜0.05）。

綜上，在模擬物流環(huán)境中設(shè)計1對蘋果具有良好的保護效果，可有效降低蘋果在物流環(huán)節(jié)中的失重率、硬度損失率并可有效延緩蘋果成熟。因此，本研究對設(shè)計1進行優(yōu)化。

4 優(yōu)化后減振包裝對蘋果品質(zhì)的影響

4.1 材料與儀器

A瓦楞紙板，購自東莞市厚街智盈紙箱廠。

高速冷凍離心機，TGL-16型，四川蜀科儀器有限公司；紫外可見分光光度計，UV759CRT型，上海佑科儀器儀表有限公司；其他儀器同3.1節(jié)。

4.2 指標(biāo)測定

丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量、過氧化氫酶（peroxidase，POD）活性測量分別參照Zhang X.T.[11]、曹建康[12]等提出的方法。

4.3 優(yōu)化設(shè)計

從兩個方面對設(shè)計1進行優(yōu)化：一是采用具有較好緩沖效果的A瓦楞紙板[13]作為包裝材料；二是對底部托盤進行優(yōu)化，以滿足包裝不同果徑的要求，以及分散垂直跌落時蘋果對緩沖葉片的作用力。底部托盤直接接觸果品，對果品抵御外界激勵起重要作用。在模擬流通試驗時，發(fā)現(xiàn)個別蘋果會出現(xiàn)跌落損傷，因為底部緩沖葉片不足以全方位保護蘋果免受垂直沖擊帶來的損傷。因此，將底部支撐結(jié)構(gòu)由原三角結(jié)構(gòu)優(yōu)化為三角全包結(jié)構(gòu)，優(yōu)化前后截面如圖9所示。優(yōu)化設(shè)計增加了底部緩沖襯墊的寬度，使蘋果受到緩沖葉片加底部瓦楞紙板雙重保護。

圖9 優(yōu)化前后底部托盤剖面示意圖Fig. 9 Schematic diagram of bottom tray profile before and after optimization

4.4 仿真分析

A瓦楞紙板參數(shù)定義如下：泊松比為0.31，彈性模量為944.9 MPa，密度為180.0 kg/m3[14]，蘋果和地面的參數(shù)、網(wǎng)格劃分同第2章。跌落后優(yōu)化設(shè)計的底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖10所示。

圖10 優(yōu)化設(shè)計的底部結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖Fig. 10 Stress diagram for optimizing vibration reduction design of bottom structure

彩圖

由圖10可知，跌落后優(yōu)化設(shè)計的底部托盤所受的最大應(yīng)力為98.75 MPa，低于優(yōu)化之前的設(shè)計。

4.5 模擬試驗

4.5.1 優(yōu)化設(shè)計對蘋果失重率的影響

經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，不同減振包裝對蘋果失重率的影響如圖11所示。設(shè)計1記為對照組1，僅用A瓦楞紙板進行優(yōu)化的記為對照組2。

圖11 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果失重率的影響Fig. 11 Effects of optimal design on weight loss of apples under different working conditions

由圖11可知，經(jīng)過跌落或嚴(yán)酷水平Ⅰ之后，在整個貯藏期內(nèi)，各組蘋果失重率均呈上升趨勢，由優(yōu)化設(shè)計包裝的蘋果失重率均低于各對照組。貯藏前期（6 d之前），各組蘋果失重率上升速率較高，且優(yōu)化設(shè)計組與兩對照組存在顯著性差異（P＜0.05）。蘋果失重率上升速率較高的主要原因是果品受到外界損傷后，呼吸作用明顯增強，營養(yǎng)物質(zhì)被大量消耗[15]。第15天，優(yōu)化設(shè)計組的蘋果失重率極顯著低于各對照組（P＜0.01）。

4.5.2 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果硬度損失率的影響

優(yōu)化設(shè)計對蘋果不同部位硬度損失率的影響如圖12所示。由圖12可知，各組蘋果的硬度均呈下降趨勢，由優(yōu)化設(shè)計包裝的蘋果硬度損失率始終低于兩對照組。貯藏前期（3 d內(nèi)），各組蘋果失重率快速上升，這主要是因為外界激勵遠遠超過果品自身屬性，導(dǎo)致其出現(xiàn)物理層面的硬度下降。貯藏第15天，優(yōu)化設(shè)計組的蘋果硬度損失率極顯著低于其他各組（P＜0.01），說明優(yōu)化包裝可有效保持蘋果硬度，延長蘋果貨架期。

圖12 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果硬度損失率的影響Fig. 12 Influences of optimal design on hardness loss rate of apples under different working conditions

4.5.3 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果TSS含量的影響

不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果TSS含量的影響如圖13所示。

圖13 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果TSS含量的影響Fig. 13 Effects of optimal design on TSS content of apples under different working conditions

由圖13可知，隨著貯藏時間的增加，TSS含量呈先上升后下降趨勢。貯藏前期（3 d內(nèi)），優(yōu)化設(shè)計組的蘋果TSS含量上升速率明顯低于兩對照組，這說明在振動情況下，優(yōu)化設(shè)計組相比對照組能屏蔽部分外界激勵，延長果品成熟期。兩種工況下，在貯藏第15天時優(yōu)化設(shè)計組的蘋果TSS含量極顯著高于對照組（P＜0.01）。這與程曦等[16]模擬賽買提杏運輸試驗得到的結(jié)論相類似。可見，優(yōu)化減振包裝可有效保護蘋果，延長其成熟期。

4.5.4 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果MDA含量的影響

MDA是常用的膜脂過氧化物指標(biāo)，是自由基發(fā)生反應(yīng)后的產(chǎn)物，不斷堆積會導(dǎo)致果品自身機能的老化。不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果MDA含量的影響如圖14所示。

圖14 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果MDA含量的影響Fig. 14 Effects of optimal design on MDA content in apples under different working conditions

由圖14可知，隨著貯藏時間增加，各組的MDA含量均呈上升趨勢，且優(yōu)化設(shè)計組的MDA含量始終低于對照組。MDA含量升高的主要原因是外界瞬時過載沖擊導(dǎo)致蘋果組織細胞膜發(fā)生膜脂過氧化作用。這與李逸等[17]研究水蜜桃保鮮所得結(jié)論類似。貯藏第15 天，優(yōu)化設(shè)計組的MDA含量極顯著低于對照組（P＜0.01）。

4.5.5 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果POD活性的影響

在跌落及振動情況下蘋果POD活性變化如圖15所示。由圖15可知，各組蘋果POD活性隨著貯藏時間的增加而減少。在貯藏期間，優(yōu)化設(shè)計組POD活性均大于兩對照組，貯藏前3 d，POD活性出現(xiàn)了大幅度的下降，其原因主要是物流過程中，蘋果受到過量外界激勵，直接導(dǎo)致細胞膜破裂。貯藏第15天，優(yōu)化設(shè)計組POD活性極顯著高于兩對照組（P＜0.01），說明優(yōu)化設(shè)計可減少外界激勵對蘋果的影響，將POD活性維持在較高水平，以更好地催化分解蘋果內(nèi)的過氧化物，這與易建華等[18]研究蘋果褐變所得結(jié)論類似。

圖15 不同工況下優(yōu)化設(shè)計對蘋果POD活性的影響Fig. 15 Influences of optimal design on apple POD activity under different working conditions

從蘋果各理化指標(biāo)的測定結(jié)果可知，具有雙層保護的優(yōu)化減振包裝較其他包裝，其減振保護效果更好，可有效延長蘋果貨架期。本設(shè)計具有一定的應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

本研究根據(jù)蘋果的實際物流情況設(shè)計了3種減振包裝，以微瓦楞紙板作為材料，通過有限元仿真分析及蘋果理化指標(biāo)測定，發(fā)現(xiàn)3種設(shè)計相比傳統(tǒng)紙箱具有較好的減振效果，且設(shè)計1對蘋果的保護效果更好。針對設(shè)計1底部防護不足的情況，從兩個方面進行優(yōu)化，采用綠色環(huán)保、低成本的瓦楞紙板，設(shè)計具有雙層結(jié)構(gòu)的減振包裝。通過有限元仿真分析及跌落振動試驗，發(fā)現(xiàn)相較于設(shè)計1，優(yōu)化設(shè)計在0.8 m跌落情況下所受應(yīng)力減小了7.36%，其失重率、硬度損失率、MDA含量均處于較低水平，同時蘋果成熟期延后，貨架期更長。本研究所設(shè)計的包裝采用一紙成型結(jié)構(gòu)，大大降低了制造成本，可進一步推廣到其他類似形狀的果品包裝中。