不同品種菠蘿果皮穿刺力學特性研究

潘睿，薛忠，李海亮，肖景豐

（1.中國熱帶農業(yè)科學院 農業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091；2.農業(yè)農村部熱帶作物農業(yè)裝備重點實驗室，廣東 湛江 524091；3.農業(yè)農村部熱帶果樹生物學重點實驗室，廣東 湛江 524091；4.中國熱帶農業(yè)科學院 南亞熱帶作物研究所，廣東 湛江 524091；5.河南農業(yè)大學 機電工程學院，河南 鄭州 450002）

菠蘿被譽為熱帶四大名果之一，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶地區(qū)［1］。近年來，受益于國家產業(yè)政策的扶持以及財政支持力度的不斷加大，我國菠蘿種植產業(yè)規(guī)模不斷擴大。然而，受自然環(huán)境條件與經濟發(fā)展水平的限制，我國菠蘿相關裝備的研發(fā)工作起步較晚，技術基礎相對薄弱，菠蘿采收、加工裝備技術整體發(fā)展水平較低，科技創(chuàng)新能力不足。菠蘿果實的生物力學特性研究是開展各類菠蘿裝備研究的基礎，對采摘后的菠蘿質地缺乏科學的評判標準［2］，限制了菠蘿采收、加工裝備技術的整體發(fā)展。因此，綜合運用機械、生物、信息、環(huán)境等科學技術，明確菠蘿果實的生物力學特征，優(yōu)化改進現有菠蘿采收、加工裝備，具有重要的戰(zhàn)略意義。

近年來，國內外學者大多采用質構儀對果蔬果實力學特性參數進行分析，質構常用方法主要為質地剖面分析及穿刺測定試驗。其中穿刺測定試驗主要通過參考果實自身特點選取測試探頭、探頭加載速率等參數直觀取得果皮強度、韌性、脆性、果肉硬度等多項指標，有效避免人為因素干擾［3-6］。許玲等［7］以毛葉棗為研究對象，通過質構儀整果穿刺法測定不同成熟度毛葉棗果皮強度、脆性、韌性差異；房大偉等［8］以鈣果為研究對象，通過穿刺試驗明晰不同品種鈣果、不同穿刺點位對其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮韌性以及果肉平均硬度的影響；梁靜等［9］以13 種果桑為研究對象，揭示了不同品種漿果果皮硬度及果皮破裂深度相關性存在差異；張翔宇等［10］以葡萄為研究對象，選用10 種葡萄通過模擬牙齒咀嚼漿果受力過程，建立可表征漿果質構特性穿刺參數并分析各質構參數間的相關性；余佳佳等［11］以南豐蜜橘為研究對象，通過對蜜橘表皮的擠壓、穿刺試驗分析其應力—應變曲線，獲得在采摘、運輸、加工等環(huán)節(jié)蜜橘表皮可承受的最大擠壓應力與穿刺壓強。穿刺在西瓜、蘋果、香梨等方面均有研究［12-14］，然而關于菠蘿的研究主要集中于品種、栽培和深加工方面，針對其生物力學穿刺特性方面的研究鮮有報道。菠蘿果皮生物力學性能研究在完成果皮穿刺力學特性試驗的基礎上，后續(xù)還需對果皮拉伸特性、壓縮特性、剪切特性等機理進行深入研究，因此本研究采用較質構儀應用范圍更廣泛的萬能材料試驗機開展試驗。

本研究基于WSW-50E 微機控制電子萬能試驗機對菠蘿進行了穿刺力學特性試驗，以探究不同品種、不同果眼位置的菠蘿果皮抗穿刺損傷性能，分析菠蘿品種、穿刺部位造成穿刺力學特性差異的原因，為菠蘿采收、加工設備的設計及優(yōu)化改進提供了參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用收獲期無損傷無病害的‘巴厘’、‘金菠蘿’、‘甜蜜蜜（臺農16 號）’、‘金鉆（臺農17 號）’菠蘿，2022 年5 月采摘于廣東省湛江市徐聞縣。采收后試樣迅速用塑料袋包裝，運回實驗室置于冰箱內（4 ℃）冷藏。每次試驗前取出試樣，靜置2 h。

1.2 試驗儀器

試驗儀器為WSW-50E 微機控制電子萬能試驗機（浙江禮顯試驗儀器制造有限公司）分辨率0.001 mm，測試速度范圍0.005~500 mm·min-1，試驗力測量范圍100~5000 N；YP502N 型電子天平，測試精度0.01 g，稱量范圍0~500 g；電子數顯游標卡尺，精度0.01 mm，測試距離0~150 mm；自制針狀探頭，探頭直徑4 mm。

1.3 試驗方法

1.3.1 形態(tài)指標測定

每個品種菠蘿選取30 個測定單果質量、果形指數，以單果為1 次重復。用電子秤測定單果質量；用游標卡尺測量菠蘿果實的最大橫徑和最大縱經，以果實的最大縱徑與最大橫徑比值表示果形指數［15］從而確定試驗樣品選取規(guī)格。果形指數0.6~0.8 為扁圓形，0.8~0.9 為圓形或近圓形，0.9~1.0 為橢圓形或圓錐形，1.0 以上為長圓形［9］。

1.3.2 穿刺試驗方法

利用WSW-50E 微機控制電子萬能試驗機進行穿刺試驗，如圖1 所示。穿刺測試探頭選擇直徑4 mm 的圓柱形不銹鋼探頭，儀器參數設定：測試前速度2 mm·s-1，測試時速度5 mm·min-1，測試后速度10 mm·s-1，負載觸發(fā)力0.05 N。選取每個品種菠蘿各18 個，將每個測試菠蘿放置于萬能試驗機的載物臺中心，試樣被穿刺位置分別選取赤道線處A（果眼中心）、B（2 個果眼之間）、C（果眼邊）、D（3 個果眼交界點）、E（4 個果眼交界邊），如圖2所示每測定5 個點位為1 組，將同一個測試菠蘿以果芯為中心軸旋轉觀察，選取延赤道線相同果眼性狀處進行重復試驗，試驗次數共3 組，測定結果取平均值。

圖2 穿刺點位Fig.2 Puncture points

1.3.3 穿刺參數定義

在進行菠蘿果皮穿刺試驗后，萬能試驗機會將探頭感知力（N）、探頭移動時間（s）、加載深度（mm）、應力（Mpa）以及應變（%）自動輸出為excel表格。

因菠蘿果皮在穿刺彈性變形階段，其應力σ與應變ε成正比例關系。根據胡克定律計算不同品種菠蘿不同穿刺點位彈性模量：

根據輸出結果，以穿刺果實過程中探頭移動時間（s）為橫坐標，測試探頭所在位置對應感知力（N）為縱坐標作圖，得到菠蘿果皮穿刺曲線（以‘巴厘’為例，下同），以曲線力最大值作為果皮硬度F（N）；加載至力最大值的運行距離為果皮破裂距離S（mm），如圖3 所示。

圖3 穿刺曲線圖Fig.3 Puncture curves

以果皮所受應變ε（%）為橫坐標，所受應力σ（Mpa）為縱坐標作圖，繪制果皮應力-應變曲線，如圖4 所示。對曲線進行擬合得到式（2）：

圖4 韌性曲線Fig.4 Toughness curve

對式（2）不定積分求其原函數后計算［0，xn］區(qū)間曲線定積分面積得出果皮韌性(Mpa)：

1.4 數據處理

應用Excel 2016 整理試驗結果，并進行平均值、標準差值計算，采用Origin 2019 繪圖，采用SPSS 25.0 進行單因素ANOVA 分析處理。

2 結果與分析

2.1 果實基本物性參數

測試時溫度為20 ℃，相對濕度為70%，測取不同品種菠蘿單果質量、果實橫徑、果實縱徑的平均值，根據測定數值可計算得‘巴厘’果形指數為1.32；‘金菠蘿’果形指數為1.49；‘金鉆’果形指數為1.35；‘甜蜜蜜’果形指數為1.18。試驗樣品選取規(guī)格如表1 所示。

表1 試驗樣品選取規(guī)格Table 1 Selected specifications of test samples

2.2 果皮硬度

果皮硬度即探頭穿破果皮所需力的大小，不同品種菠蘿在不同點位下的穿刺試驗結果如圖5所示。通過分別計算5 個穿刺點位的力平均值，可得出4 個品種菠蘿果皮硬度F 排序均為A>C>B>D>E。

圖5 不同穿刺點位果皮硬度Fig.5 Peel hardness at different puncture sites

2.3 果皮破裂深度

果皮破裂深度是果皮被探頭穿刺時果皮形變的距離，因果皮富有彈性，對探頭力的緩沖作用較大，穿刺過程需吸收更多的能量才能被破壞，因此探頭的運行距離增大，即果皮破裂深度增大。由表2 可看出，4 個品種菠蘿不同穿刺點位果皮破裂深度均在8~10 mm 區(qū)間范圍內，變異系數均小于0.15。雖因品種不同導致果皮果眼形態(tài)結構存在差異［16］，但4 種菠蘿A 點果皮破裂深度仍均為最大，而其它穿刺點位深度排序不一致。

表2 不同穿刺點位果皮破裂深度Table 2 Rupture depth of pericarp at different puncture sites單位：mm

2.4 果皮彈性模量

根據式（1）計算不同穿刺點位不同品種菠蘿果皮的彈性模量如表3所示。根據表中結果，‘巴厘’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠蘿’果皮彈性模量區(qū)間為0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金鉆’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 2~ 0.014 8 Mpa。4 種菠蘿不同穿刺點位彈性模量大小與其果皮破裂深度排序相反；彈性模量越低，果皮彈性模量變形相對越大，果皮破裂深度越大。

表3 不同穿刺點位果皮彈性模量Table 3 Elastic modulus of pericarp at different puncture sites單位：Mpa

2.5 果皮韌性

果皮韌性反映了菠蘿果皮抗穿刺的能力。由表4 結果所示，‘巴厘’在不同點位穿刺時，A 點位的韌性最大，E 點位韌性最?。弧鸩ぬ}’在不同點位穿刺時，A 點位的韌性最大，B 點位韌性最??；‘金鉆’在不同點位穿刺時，A 點位的韌性最大，E點位韌性最小；‘甜蜜蜜’在不同點位穿刺時，A 點位的韌性最大，B 點位韌性最小。4 個品種菠蘿A點位韌性均最大，果皮韌性變化規(guī)律與果皮破裂深度在不同點位穿刺時的規(guī)律相似，同時與不同穿刺點位果皮彈性模量排序相反。果皮韌性越大，在相同的載荷作用下產生彈性變形較大，破裂距離較大，彈性模量較小，表明菠蘿果皮物性參數具有各向異性。

表4 不同穿刺點位果皮韌性Table 4 Pericarp toughness at different puncture sites單位：Mpa

2.6 品種與穿刺點位對菠蘿穿刺力學性能的影響

由表5 可見，4 個品種對果皮硬度的影響均呈極顯著（P<0.01）；‘金菠蘿’對果皮破裂深度的影響呈極顯著（P<0.01），其他它品種不顯著；‘巴厘’對果皮韌性的影響呈極顯著（P<0.01），‘甜蜜蜜’對果皮韌性呈顯著性影響（P<0.05），其它品種不顯著。

表5 菠蘿果皮穿刺試驗結果單因素ANOVA 分析Table 5 Single factor ANOVA analysis of pineapple peel puncture test results

A、B、D、E 4 個穿刺點位對果皮硬度的影響均呈極顯著（P<0.01），C 點對果皮硬度呈顯著性影響（P<0.05）；E 點對果皮破裂深度呈顯著性影響（P<0.05），其它穿刺點位不顯著；E 點對果皮韌性的影響均呈極顯著（P<0.01），C 點對果皮韌性呈顯著性影響（P<0.05），其它點位不顯著。

3 討論

硬度對果實品質、果實貯藏特性和貯藏效果的影響極大［17］。已有研究表明，穿刺不同方位試樣果皮，對其果皮硬度、韌性、破裂深度等參數影響顯著［8，18-19］。菠蘿果皮不同部位生物力學參數存在差異的主要原因是果皮表面螺旋排列的子房尖刺與凹陷導致的。在相同加載速率、相同穿刺截面的條件下，不同點位穿刺試驗結果表明，不同品種菠蘿在不同點位下的果皮硬度F排序均為A>C>B>D>E，相關性分析結果表明4 個品種不同穿刺部位對果皮硬度的影響均顯著。由于不同品種菠蘿的果眼生長的速度和停止時間不同，其果眼隨果實膨大而加深、擴張，不論哪種類型的品種，開花時的花萼內側面基本處于直立狀態(tài)；開花后，宿萼因背面一側生長量較大而導致向內彎曲，萼基角逐漸變?。?6］，因此果眼、果眼交界處所需穿刺力不同，硬度F受不同穿刺部位影響顯著，與蔣冰瑤等［12］試驗結果相似。

與其它果蔬果皮相比，菠蘿果眼深可達（1.08±0.03） cm［20］，果皮結構復雜且不同品種菠蘿存在果眼深度不一致的現象。其它果蔬果皮由于果皮較薄，穿刺試驗結果易受果肉物性參數干擾，導致其物性參數間規(guī)律與菠蘿果皮有所不同。試驗結果表明，4 種菠蘿A 點果皮破裂深度均為最大，原因可能是在相同加載速度下探針需要更大的穿刺深度才能穿透A 點處果皮，穿透A 點所需加載深度明顯高于其他穿刺點位。隨著穿刺深度不斷增加，探頭處接觸力不斷增大，當達到最大受力時，果皮破裂導致受力突降，與杜昕美等［21］試驗結果相似。

果皮韌性指果皮受到穿刺損傷后的抗壓程度。穿刺試驗結果表明，果皮韌性與果皮破裂深度大小排序一致、果皮彈性模量大小排序相反，不同品種菠蘿A 穿刺點位處韌性均最大，而其它點位韌性大小受品種影響導致排序不同。與王啟慧等［18］相關性分析結果不同的是，除‘巴厘’外的品種對果皮韌性的影響均不顯著，除E 點、C 點外的穿刺點位對果皮韌性的影響均不顯著，可能由于菠蘿果皮構造較復雜，不同品種菠蘿基因表達存在差異。

本研究通過對4 種菠蘿果眼及果眼邊界處穿刺試驗和相關性分析，發(fā)現其結構與性狀對果皮硬度、破裂深度、果皮彈性模量、果皮韌性存在影響且不同果眼邊界處生物力學性能不一致，試驗結果與預期一致。有研究表明果皮硬度、破裂力等物性參數可能受果實果皮厚度、半纖維素含量、含水率、果實成熟度等因素影響［22］，后續(xù)應針對果皮黏力、彈力、內聚性等做進一步分析。

本研究明晰了不同品種菠蘿由于果眼性狀不同導致其果皮硬度、果皮破裂深度、果皮彈性模量變化區(qū)間以及果皮韌性不一致的客觀規(guī)律，從微觀角度分析菠蘿果皮所承受的生物力學負荷，為動態(tài)作業(yè)過程中裝備夾具、刀具等的適用性進行定量分析和綜合評價提供參數，為后續(xù)建立菠蘿果皮虛擬樣本-產前產后作業(yè)環(huán)境的生物力學耦合模型及基于生物力學參數的菠蘿機械碰撞損傷綜合評價指標提供一定參考依據。

4 結論

綜上所述，本研究通過對‘巴厘’、‘金菠蘿（MD2）’、‘甜蜜蜜（臺農16 號）’、‘金鉆（臺農17號）’4 種菠蘿果皮進行穿刺特性試驗，明確了菠蘿品種不同對果皮硬度、破裂深度、果皮彈性模量、果皮韌性存在影響且不同果眼邊界處生物力學性能不一致的現象，主要結論如下：

（1）4 個品種菠蘿果皮硬度F 排序均為A>C>B>D>E，硬度F 受不同穿刺部位影響顯著。

（2）不同穿刺點位果皮破裂深度均在8~10 mm 區(qū)間范圍內，4 種菠蘿A 點果皮破裂深度均為最大，而其他穿刺點位深度排序不一致。

（3）‘巴厘’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 7~0.013 8 Mpa；‘金菠蘿’果皮彈性模量區(qū)間為0.014 0~0.015 6 Mpa；‘金鉆’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 3~0.013 4 Mpa；‘甜蜜蜜’果皮彈性模量區(qū)間為0.010 2~0.014 8 Mpa。果皮破裂深度受不同穿刺點位彈性模量影響較大。

（4）菠蘿果皮物性參數存在各向異性，不同穿刺點位處韌性大小與果皮破裂深度大小排序一致，而穿刺處果皮彈性模量越小，該點位韌性越大。

本研究為不同品種菠蘿果皮硬度、果皮破裂深度、彈性模量以及韌性提供了一定的物性規(guī)律，為進一步探究不同生長發(fā)育階段菠蘿果皮生物力學性能提供了一定科學依據。同時為新型菠蘿作業(yè)裝備的優(yōu)化設計和制造工藝提供一定理論基礎。