蜜橘中力学特性检测方案(质构分析仪)

7Forum of South China 南方论坛2020年8月上 南方论坛 Forum of South China2020年8月上8 成熟期南丰蜜橘力学特性试验* 余佳佳1.2²，戚艳艳33，饶洪辉1.2，林金龙1.2，石逸泽1.2 (1.江西省现代农业装备重点实验室，江西南昌330045；2.江西农业大学工学院，江西南昌330045；3.江西省南昌市农机化管理站，江西南昌330045) 摘 要：为了明确南丰蜜橘采摘损伤的作用机理，本课题小组开展了成熟期南丰蜜橘的力学特性试验研究，通过测试其三轴尺寸，获得其平均质量和球度等参数。基于 TMS-Pro 质构仪开展了蜜橘表皮挤压和穿刺试验，通过分析其应力一应变曲线，获得了蜜橘表皮挤压应力和穿刺应力。试验结果表明：南丰蜜橘平均质量为35.38g，表皮平均厚度为 1.38mm，球形度为 88.67%；蜜橘表皮的挤压应力为 20.60N~69.60N，平均挤压应力为 35.77N，方差结果表明蜜橘表皮挤压应力差异性较大，蜜橘穿刺应力为 1.46N~2.59N，平均穿刺压力为 2.08N。因此，南丰蜜橘在采摘、运输和贮藏过程中，其挤压应力不超过 20.60N，穿刺压强不超过 0.16MPa。本结论可为南丰蜜橘损伤机理研究和采摘装置研制提供参考。 关键词：成熟期；南丰蜜橘；力学特性；试验 中图分类号：S666 文献标志码：A 文章编号：1672-3872(2020)15-0007-03 0 引言 南丰蜜橘是我国宽皮柑橘良种之一，作为江西传统的优质特色品种，因果小、皮薄、少核、汁多、香甜等特点而享誉国内外，素有“桔中之王”美称"。南丰蜜橘具有较好的优势和发展空间，但存在农业机械装备不足和新技术应用不足等缺点。南丰蜜橘采摘时间主要集中在每年11月上旬至春节前后，使得鲜果贮藏、保鲜和深加工等工作集中，劳动强度大，近年鲜果市场还有浙江柑橘、福建芦柑、砂糖橘等优质品种与之竞争，冲击市场份额。随着我国城镇化发展、社会老龄化和劳动人口锐减等影响，从业人员数量急剧减少。因此，从蜜橘栽培、种植、管理、收获等生产环节来看，生产仍以人工劳动力为主。南丰蜜橘皮薄、肉嫩、易损伤，一旦腐烂会影响后续加工处理，机械采摘难度大，且采摘专用剪刀不可避免出现破坏表皮，降低生产利润，加上蜜橘采摘时间集中、劳动强度大。因此，研究南丰蜜橘的力学特性对明确蜜橘采摘损伤机理和研制采摘装置有重要的现实意义。 机械采摘和加工作业都会对南丰蜜橘产生机械损伤，分析南丰蜜橘的内部应力和机械损伤特性，姜松等12-3采用 TA-XTi2型质地分析仪分别测试了青色、半成熟和成熟的柑橘最大承压力和穿刺力，成熟柑橘最大承压力不超过100N，最大穿刺力不超过3N；陈燕等H-5测定了相橘的纵向果皮和果肉的弹性模量，并采用有限元预测了夹持损伤；王振亚设计了一种对辊式柑橘剥皮机，分析了果皮剥离和损伤伤理：陈红等等7-研究了宽皮柑橘机械损伤因素分析，提出了挤压、跌落和振动时缓冲减损防护 ( 基金项目：江西省教 育厅科 技计划项目“南丰 蜜 橘力 学特性 测试和剪切技术研 究 "( G JJ150392) ) ( 作者简介：余佳佳 ( 1984一 ) ，男，湖北鄂 州 人，博 士， 讲 师 ，研究方向：现代农业装备设计。 ) ( 通信作者：饶 洪 辉 (1 978一)，男，江西丰 城 人，博士， 副 教授 ， 研究方 向 ：现代农业装备设计。 ) 措施，同时也研究了柑橘的夹持剥皮特性，明确了环割划皮剥皮效率最高；KRISHAN K.等开展柑橘采摘过程果实损伤的试验研究；张水波等研究了柑橘的抗压特性和硅胶之间的摩擦特性，利用 Hertz 理论分析了柑橘的受力与变形量之间的关系。 为了明确成熟期南丰蜜橘在采摘、运输和贮藏过程损伤机理，开展了南丰蜜橘的力学特性试验研究，通过蜜橘挤压和穿刺试验，分析其应力应变规律，为明确蜜橘采摘损伤机理和研制蜜橘采摘装备提供参考。 1 南丰蜜橘力学特性测试 1.1试验材料与仪器 试验用南丰蜜橘同批次购买于江西农业大学水果市场，果实无病害、无损伤、表皮和成熟度一致。试验设备有：TMS-Pro 质构仪(美国FTC 公司)、CX-I2000 电子秤(东莞市南城长协电子制品厂)、游标卡尺。 1.2试验方法 利用 TMS-Pro 质构仪分别对南丰蜜橘开展挤压和穿刺试验，穿刺探头选用直径 2mm 的圆柱体，设置运行最小感应力为0.1N，运行速度为30mm/min，回程速度为50mm/min，每个处理重复10次，获得蜜橘表皮损伤的挤压应力和穿刺应力。 2试验结果与分析 2.1南丰蜜橘外形尺寸参数测定 表1 南丰蜜橘的三轴尺寸参数 名称 均值 方差 长/mm 45.29 6.33 宽/mm 44.96 6.84 厚/mm 31.81 6.27 球形度/% 88.67 6.94 质量/g 35.83 35.88 果皮厚度/mm 1.38 0.06 果瓣数量/个 10.55 1.60 随机测量40颗成熟的南丰蜜橘的外形尺寸，统计其平均值和方差，结果如表1所示。 从表1可知：蜜橘表皮厚度仅 1.38mm，方差为 0.06；果瓣数量为10.55个，方差为1.60，表明蜜橘的表皮都很薄，果瓣数量集中，球形度为 88.67%，三轴尺寸长、宽、厚方差分别为6.33、6.84和6.27，表明蜜橘外形尺寸差异较大。 2.2南丰蜜橘挤压损伤的应力—应变分析 图1南丰蜜橘挤压受力图 将蜜橘水平放置在质构仪底部托盘上，设定参数，运行机器，获得其应力一变形曲线，如图1所示，根据挤压试验结果，得到挤压应力，如表2所示。当南丰蜜橘受到机械挤压时，表皮发生弹性形变，当应力大于20.60N时，表皮的形变量超过其上限，发生机械损伤，在曲线第一个突变点处应力突然变小，此时，蜜橘表皮挤压开始出现破裂，应力急剧变小。 当质构仪继续挤压蜜橘时，蜜橘中心轴方向持续受到不断增大的正应力作用，其周向持续发生变形，内部果瓣折叠，由于果瓣的弧形结构，其中部果肉多，两端果肉少，导致折叠过程中果肉挤压直至撕裂，形成曲线的第二个突变点，此时应力突然减小；当质构仪的机械挤压持续作用，果瓣不断被撕裂，形成了锯齿状曲线，直至运行至设置数值。测试10个南丰蜜橘的挤压应力，如表2所示。 表2南丰蜜橘挤压应力 序号 挤压应力/N 69.60 41.90 34.10 4 26.10 35.30 6 23.20 7 20.60 53.80 29.10 10 24.00 均值 35.77 方差 241.62 从表2试式结果可知：蜜橘挤压应力在20.60N~69.60N，平均挤压应力为 35.77N，方差为241.62，表明不同蜜橘所受挤压应力差异较大。因此，南丰蜜橘摘、运输和贮藏过程中，应保持其挤压应力不超过20.60N。 2.3南丰蜜橘穿刺损伤应力——应变分析 将蜜橘水平固定在质构仪上，按照设定参数开展穿刺试验，获得其应力一变形曲线，如图2所示。 位移(mm) 图2南丰蜜橘穿刺受力图 当圆柱形穿刺探头作用在蜜橘表皮时，由于皮薄，其应力较小，随着穿刺应力增大，表皮被刺破时，其曲线发生第一次突变，应力急剧减小；当探头继续穿刺，接触果肉时，穿透内部果皮和果肉，产生第二个和第三个突变，直至穿透整个果瓣，形成断崖式的急剧变化曲线，如图2所示。 从穿刺曲线峰值可看出，表皮穿刺应力大于果瓣穿刺应力，即第1个峰值大于第2个峰值，表明蜜橘外部表皮硬度大于内部果瓣。重复10次试验，获得其穿刺应力，如表3所示。 表3南丰蜜橘穿刺应力 序号 穿刺应力/N 穿刺压强/MPa 1 2.59 0.82 2 2.34 0.75 3 2.29 0.73 4 2.36 0.75 5 1.46 0.46 6 2.16 0.69 7 1.61 0.51 8 2.42 0.77 2.27 0.72 10 1.81 0.58 均值 2.08 0.66 方差 0.11 0.01 根据表3试验结果可知：蜜橘表皮穿刺的应力为 1.46N~2.59N，平均穿刺应力为2.08N，方差为0.11，换算成穿刺压强为 0.46MPa~0.82MPa，其平均压强 (下转第13页) 3讨论 本研究从莲的全基因组中共鉴定到30个莲ARF基因。目前已有不少植物中的ARF基因家族被鉴定出来，但是不同的植物，其 ARF 基因家族成员数量也不相同。本实验从莲中鉴定出来30个LARF基因，比拟南芥和苹果鉴定到的基因多，与玉米米的31个LARF 基因相似，但少于从大豆中鉴定的51个和香蕉中吗的47个家族成员。有趣的是，莲的 ARF数量与玉米相似，但其基因组却远小于玉米，虽然莲ARF 数量大于苹果，但其基因组也是不如苹果大。由此可以推测，植物基因组的大小在决定 ARF 在基因组中的数量上不起绝对性作用。但也有可能是因为比对分析工具不够成熟，无法完全鉴定出其全部的基因家族成员。有理由相信随着高通量测序技术的进步，更多的ARF 基因家族成员会被鉴定出来。 ARF基因家族在调节植物生长和发育方面起着至关重要的作用，可调控植物生长发育的许多重要环节。本实验利用生物信息学方法在全基因组水平上分析了莲ARF基因家族，并对其基因结构、理化性质、蛋白保守结构域、系统进化树进行了分析，为进一步探讨莲ARF基因的功能提供了一定的数据支持。 ( 参考文 献 ： ) ( [ 1] 蒋素 梅 ，陶 均 ， 李 玲.早期生 长素响应 蛋白在 生长素信 号 转导 中的作 用 [.植 物 生理学通 讯，20 05， 4 1 ( 1)：1 2 5-130. ) ( [ 2] 胡 晓，侯 旭 ，袁 雪，等. ARF 和 A u x/IAA 调 控 果 实发 育 成熟 机 制 研究 进 展 井 .生物 技 术通 报 ，2 0 17，33 ( 12)： 3 7 -4 4 . ) (上接第8页)为0.66 MPa，因此，为了保证蜜橘不损伤，其穿刺应力应小于 1.46 N，穿刺压强应不超过0.46 MPa。 3 结论 1)测量了南丰蜜橘的三轴尺寸和物料参数，明确了蜜橘的平均质量为 35.38g，表皮平均厚度为 1.38mm，球形度为 88.67%. 2)基于质构仪开展了南丰蜜橘挤压试验，获得了蜜橘表皮损伤的应力应变曲线，其平均挤压应力为 35.77N，最小挤压应力为20.60N，最大挤压应力为69.60N，方差结果表明蜜橘表皮挤压应力差异性较大。 3)开展了蜜橘穿刺试验，获得了蜜橘穿刺的应力应变曲线，其平均穿穿应力为2.08N，最小穿刺应力为1.46N，方差结果表明其穿刺压力变化不大，大小范围为1.46N~2.59N. ( 参考文献： ) ( [1 ] 傅火 生 ， 王 泽义， 葛斌，等 .南丰蜜桔 优 良株系： “杨 小2一 6 ”的 选育 []. 中国 南 方果 树 ，199 9 (6)： 6- 7. ) ( [3 ] 李 雪雪 ， 陈信 波 .植 物 组织 特 异 性启动子及相关 顺 式作用元件 研究 进 展[].生 物 学杂志 ，2 0 1 5 ， 32(6)： 91 - 95 . ) ( [4]刘 振 华，于延冲，向宁宁.生长素 响 应因子与植物的生长发 育 J] .遗传 ，2 0 11， 33 (12) ： 1335-1346. ) ( [5] U lmasov T， Hagen G ， G uifoyle T J.ARF1 . A Tran-s cr ipting f a c tor and a uxiliar y re spons e J ]. S cie n c e， 1 997， 2 76 (5 320 )： 18 6 5 - 1868 ) ( [6] Okus h ima Y ， O ve r vo ord e P J ， Ar i ma K， et a l. F u n c tional g e nomi c a n a l y s is of the AU X IN RESPON S E FACTOR genefami l y members i n A r ab i do p sis th aliana： unique and ov e rlappingfunction s o f ARF 7 a nd A RF19[ ] . P l ant Ce l l， 2005， 1 7 (2 ) ： 444 - 463 ) ( [ 7] 孙 亭亭，张 磊 ，陈乐， 等. 普 通烟 草 A R F基 因 家 族序 列 的 鉴 定 与表达 分 析[].植物植传资源 学 报， 2 0 1 6，17(1)：62-168. ) ( [8] ] 刘 松 瑜， 闫艳秋，冯 秋 硕 ，等. 番茄生长素响应因 子 基因 SlARF12在果实 发 育过程 中的 功能分析[ 园 艺学报， 2 01 8 ，454)：678 - 690 ) ( [ 9 ] |汪 琨璧， 付 亚 雄 ， 刘 思 琪， 等. 水稻 A RF 基 因家族新 成员 ADP - Ribosylation Factor- L ike Protein 5(Os AR FL 5 ) 的 克隆及表达 分 析]. 分 分 植 物育种，20 1 9 ， 17 ( 3) ：69 3-6 9 9. ) ( [1 0 ] 李 小平 ，曾庆发，张根生 ，等 .大 豆 生 长 素响应 因子 GmARF16 参与调 节 叶 片衰老 进程.中 国细胞 生 物学学报， 20 14(12)： 1636-1643. ) ( [11 ] John L a mb， A leksandra I . Jarmolinska，Mirco Michel， e t a l. An I nter a ctive Database o f S tructure P red i ct i ons o f P f am Fa m i l iesU]. Journ a l of Mo l ecul a r Biology ， 2 0 19. ) ( [12 ] 杨 浩，杜中军，徐立 ， 等 .香蕉 ARF 3 基因全长克隆及 其对 枯萎病 菌 的响 应 特性 分析 |分 子 植物育 种 ，2013 ，11 (2)：199 - 203. ) ( [13 ] GUI L FOYLE T J . T he PB 1 domain in a ux i n respons e f a ctor a nd A ux/I A A pro t eins： a v e r satile p rotei n i n terac t ion module i n the auxin response . The Plant C ell ， 2015 ， 27 ( 1)：3 3 - 43. ) ( [2 ]姜松， 鲍黄 贵，蔡健荣， 等 . 不 同 成熟度 柑橘力学 特性研 究 [ ] .食 品 工 业 科技 ， 2009，30(12) ： 11 7 -1 19. ) ( [3 ]姜松， 鲍黄贵， 蔡健荣，等.柑橘力 学差异 性研究[ ].江 苏 农 业 科 学， 2009(5 )： 2 44- 2 46. ) ( [4 ] 陈 燕 ， 谈 建 豪，蒋志林 ， 等.柑橘机器人 夹 持 损 伤有限元 预测及 试 验 验证[] .华 南 农业大学 学 报， 2 0 1 6，37(5)： 9 8 - 102 . ) ( [ 5] 陈 燕，蒋志林，李嘉 威 ，等 .基于机器 人 采摘的柑橘 果 柄切割力 学特性研究 . 河 南农 业科学，2 01 7 ， 46(4 ) ：14 7 -150. ) ( [ 6]王振 亚. 基于对辊 式 剥皮 机 的柑橘果皮 剥 离及果肉损伤机理研究[D] .武 汉 ：华中 农业 大 学， 20 1 6 . ) ( [7 ] 陈红 ， 尹伊 君，潘 海 兵， 等.宽皮柑橘机 械 损伤致损 因 素 分 析及 缓 冲减 损 防护措施[]. 农业工 程学报，2 01 8， 3 4(1)：2 5 8-266 . ) ( [8 ]陈红，徐翔宙，尹伊 君 ， 等. 宽皮柑橘移动 夹 持 剥 皮力 学特性 与 果 皮分 离 特性 试 验 研 究 [] .农 业工 程 学 报 ，2 017 ，33(14)：2 5 -3 1 . ) ( [9] KRISHAN K . ， S I NGH B.， SREENIVA S ULA R .. Po st- h a r vestphysico-mechanical p r operties o f o range pee l a nd fruit] . Jo ur n al of Food E ngineer i ng ， 2 0 06 ，7 3： 1 1 2-1 2 0 . ) ( [1 0 ]张 水波 ，鲍官军， 杨庆 华 ，等 .基于机器 人采摘 的柑橘机械特 性研究[ ].浙 江工 业大学学报， 20 12，40(3)：3 4 0-344. ) 实验材料与设备试验用南丰蜜橘同批次购买于江西农业大学水果市场，果实无病害、无损伤、表皮和成熟度一致。试验设备有：TMS-Pro 质构仪（美国 FTC 公司）利用 TMS-Pro 质构仪分别对南丰蜜橘开展挤压和穿刺试验，穿刺探头选用直径2mm的圆柱体，设置运行最小感应力为0.1N，运行速度为30mm/min，回程速度为50mm/min，每个处理重复10次，获得蜜橘表皮损伤的挤压应力和穿刺应力。实验结果与分析南丰蜜橘挤压损伤的应力——应变分析将蜜橘水平放置在质构仪底部托盘上，设定参数，运行机器，获得其应力—变形曲线，如图 1 所示，根据挤压试验结果，得到挤压应力，如表 2 所示。 南丰蜜橘穿刺损伤应力——应变分析当圆柱形穿刺探头作用在蜜橘表皮时， 由于皮薄，其应力较小，随着穿刺应力增大，表皮被刺破时，其曲线发生第一次突变，应力急剧减小；当探头继续穿刺，接触果肉时，穿透内部果皮和果肉，产生第二个和第三个突变，直至穿透整个果瓣，形成断崖式的急剧变化曲线，如图 2 所示。 从穿刺曲线峰值可看出，表皮穿刺应力大于果瓣穿刺应力，即第1个峰值大于第2个峰值，表明蜜橘外部表皮硬度大于内部果瓣。重复10次试验，获得其穿刺应力，如表 3 所示。 实验结论与探讨蜜橘表皮的挤压应力为20.60N~69.60N，平均挤压应力为35.77N，方差结果表明蜜橘表皮挤压应力差异性较大，蜜橘穿刺应力为 1.46N~2.59N，平均穿刺压力为2.08N。因此，南丰蜜橘在采摘、运输和贮藏过程中，其挤压应力不超过20.60N，穿刺压强不超过0.16MPa。本结论可为南丰蜜橘损伤机理研究和采摘装置研制提供参考。文献来源：江西省现代农业装备重点实验室