储藏温度对库尔勒香梨动态粘弹特性的影响

吴杰，葛云，王虎挺，李凡

（绿洲特色经济作物生产机械化教育部工程研究中心／石河子大学机械与电气工程学院，石河子832003）

储藏温度对库尔勒香梨动态粘弹特性的影响

吴杰，葛云，王虎挺，李凡

（绿洲特色经济作物生产机械化教育部工程研究中心／石河子大学机械与电气工程学院，石河子832003）

采用Q800动态力学分析仪对4个温度水平下（－2℃、10℃、20℃和30℃）的库尔勒香梨果肉进行振荡剪切试验，以探讨温度对香梨果肉组织动态粘弹力学特性的影响，为香梨机械防损和质地品质保持提供指导。试验结果表明：不同温度下果肉的储能模量G′均远高于损耗模量G″，损耗正切tanδ（G″／G′）范围为0．082～0．095，表明香梨是以弹性为主导的粘弹体。香梨果肉组织的储能模量（G′）和损耗模量（G″）不受频率影响，均随温度下降呈上升趋势；当温差10℃时，各动态模量之间无显著差异，表明只有较大的变温幅度温才会对香梨果肉的粘弹特性和机械耐损性能有显著影响。

库尔勒香梨；储藏温度；动态粘弹特性

库尔勒香梨是新疆特色果品，其果肉酥脆多汁、香甜可口，在国际梨果市场具有较强的竞争力，是新疆出口创汇主要果品。但是，香梨果肉中含有石细胞，水量很高（84．5%～86%），因此极不耐机械损伤［1］。目前研究已认识到，果蔬材料受力时所表现出的粘弹特性有助于找到改善果蔬机械耐损性能的方法［2］。然而，早期研究采用质构仪或万能材料试验机很难获得梨果可靠的粘弹特性数据，原因是梨果的果肉在较长的测试期间，易出现大量水分散失和果肉褐变等理化变化，从而直接影响了测试精度［3］。近年来随着测试技术的发展，采用动态力学分析仪器可在极短时间对果品施加小于0．1%的应变，保证在线性粘弹范围内精确研究果品的粘弹特性［4－6］。

果蔬从田间至超市的各作业环节中会经历不同的温度变化，研究表明温度对果蔬的硬度和机械耐损性能有明显影响［7］。Bajema和Hertog对马铃薯力学特性的研究结果表明，温度升高使马铃薯的细胞壁酶解而使组织粘度发生变化，从而导致失效应力逐渐 增 大［8－9］。最 近 Van Canneyt研 究 发 现［10］，低温使果品具有较高刚度，但在受载时却易发生果肉脆裂。

目前，有关储藏温度对梨果的力学特性或粘弹特性影响的研究报道仍很缺乏。鉴于此，本文将研究揭示储藏温度对库尔勒香梨的动态粘弹特性的影响规律，为改善库尔勒香梨耐机械耐损性能、维持较好的质地品质提供指导。

1 材料与方法

1．1 试验材料

库尔勒香梨选自新疆巴州沙衣东园艺场，在2008年9月中旬成熟季节采摘。采集的果样必须无畸形、无虫害、无损伤、无粗皮果。果样随机分成4批，每批15个，立即储藏在一个多室低温冷藏系统内，该系统具有6个独立控制温度和湿度的储藏室，温控范围－10～30℃（精度1℃），相对湿度控制范围30%～95%（精度5%）。

根据香梨的采摘期、货架期和冷藏期的温度状况，在力学测试前将4批果样储藏温度分别设定为：－2℃、10℃、20℃和30℃，相对湿度均控制在90%，储藏时间为15d。

1．2 测试方法

采用Q800动态力学分析仪及配套的Universal Analysis 2000软件包（美国TA公司）进行动态粘弹力学测试分析，试样用2个“三明治”剪切夹具（规格10mm×10mm）固定，如图1所示。果肉取香梨赤道部，靠近核部和皮部果肉切除，试样尺寸要求为10mm×10mm，厚度不超过10mm，与夹具非接触的部位均匀涂抹硅油，以防止果肉褐变和失水。

试样采用振荡剪切（正弦波应变）方法测试，应力控制模式。加热炉和相连的氮气制冷罐（GCA）进行共同控温，以保证各测试的环境温度要求。香梨从储藏室取出制取试样后，迅速放入密闭的测试腔内。在测试前，腔室环境温度平衡20min，以防止果肉浅层温度出现变化而导致测量误差。

首先在1Hz频率下对试样进行应力扫描，以确定果肉频率扫描测试所要求的线性粘弹区（LVR），如图2所示。根据图2所示方法，对不同储藏温度的试样分别进行应力扫描，获得相应的线性粘弹区（LVR）为：温度为－2℃和10℃时，LVR为0．02%～0．08%；温度为20℃和30℃时，LVR为0．11%～0．17%。因此，取应变率0．06%作为香梨果肉在各温度均适用的线性粘弹值，然后在0．1～10Hz频率范围进行频率扫描，获得储能模量G′、损耗模量G″和损耗正切tanδ（G″／G′）动态频谱曲线。

图1 Q800动态力学分析仪及其夹具Fig．1Dynamic mechanical analyzer and its geometries for oscillatory shear measurement

图2 香梨果肉在1Hz时的典型应力扫描Fig．2Typical strain sweep of Korla pear tissue at a frequency of 1Hz

1．3 试验数据处理

采用SPSS11．5软件对动弹模量各参数进行单因素方差法分析。

2 结果与分析

储能模量G′表征果肉的弹性；损耗模量G″表征果肉的粘性，可说明果肉冲击变形过程能量的储存和损耗，直接反映了果品抗冲击损伤性能；损耗正切tanδ为损耗模量与储能模量的比值，即tanδ＝G″／G′，反映了果肉总体的粘弹特性［3］。

图3和图4分别表示库尔勒香梨果肉不同温度（－2℃、10℃、20℃、30℃）时的动态粘弹频谱曲线，其中G′和tanδ的统计值可见表1。

表1 库尔勒香梨果肉4个温度水平的G′、G″和tanδ统计值Tab．1Average storage modulus G′and loss tangent（G″／G′）for Korla pear tissue at four temperatures

在不同储藏温度时香梨果肉储能模量G′和损耗模量G″的变化均几乎不受频率影响，这与Gerschenson关于猕猴桃果肉的研究结论一致［11］，但与Varela关于苹果果肉的研究结果不同［12］。这可能是因为香梨果肉与猕猴桃果肉一样具有较高含水量且果肉质地较为疏松，因此在动态力学频谱特性上与猕猴桃果肉质地更为接近。在0．1～10Hz整个频域内，损耗正切tanδ值未观察到有显著变化。各试样的储能模量G′在任意频率下均高于损耗模量G″，损耗正切tanδ值的范围为0．082～0．095，这一方面表明香梨果肉具有粘弹特性，另一方面也说明香梨果肉的弹性特征具有主导性。

图3 香梨果肉的动态模量频率扫描曲线Fig．3Variation of storage（G′）and loss（G″）modulus with frequency for Korla pear tissue at different temperatures

香梨果肉的频率扫描表明（图3），随着香梨储藏温度升高，其果肉的储能模量G′和损耗模量G″同时呈现下降的趋势。当温差约为10℃时，香梨果肉的储能模量G′和损耗模量G″的差异很小或不显著，这暗示较小的变温幅度对香梨这种果胶材料的变性作用较为微弱，不会对香梨果肉的粘弹特性产生明显影响；但是，－2℃香梨果肉的储能模量G′值却是30℃果肉G′值的2～3倍（表1），由于储能模量G′表征材料的弹性，这表明香梨果肉在－2℃时较脆硬，而30℃时则较软。经分析，产生这种较大差异的原因有两方面：1）30℃是香梨呼吸跃变的关键温度，在改储藏温度条件下香梨的果肉中纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶（PG）活性上升，使细胞壁发生酶解，可溶性果胶含量增加，果肉出现软化［13－14］。2）－2℃是香梨组织水的冰点温度，也是冷藏的最低温度，该温度下细胞液内形成冰晶，细胞收缩，并造成细胞壁刚度增大［8，10］。因此，可以认为香梨果肉在临近冰点温度或超过呼吸跃变温度之后，其粘弹特性会有显著变化。另外，损耗因子tanδ值受温度影响很小，在4个温度水平下无显著差异，这表明香梨果肉的阻尼特性基本不受温度变化影响。

图4 香梨果肉的损耗正切频率扫描曲线Fig．4Loss tangent with frequency for Korla pear tissue at different temperatures

3 结论

1）香梨果肉的储能模量G′和损耗模量G″在0．1～10Hz的频域中不受频率影响，各试样果肉的储能模量G′均远高于损耗模量G″，表现出弹性为主导的粘弹特性，而损耗正切tanδ值则在整个频域中几乎保持不变。2）香梨果肉的储能模量G′和损耗模量G″均随着温度升高而降低，在－2℃和30℃时比较有较大差异，但变温幅度10℃时差异却很小，这表明香梨果肉只有在较大的变温幅度才会对果肉的粘弹特性和机械耐损性能有显著影响。

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［4］Wang J，Lu Q J．The steady－state sinusoidal dynamic behaviour of peach and pear［J］．Biosystems Engineering，2004，87（4）：463－469．

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［14］李沛文．果品贮藏加工学［M］．北京：农业出版社，1996：47－50．

Storage Temperature Effect on Dynamic Viscoelastic Behavior of Korla Pear

WU Jie，GE Yun，WANG Huting，LI Fan
（Research Center of Oasis Agricultural Mechanization，Ministry of Education／College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

The effect of storage temperature on the dynamic viscoelastic properties of Korla pears was investigated to provide suggestions for mechanical damage prevention and textural quality maintenance of Korla pear．Samples were subjected to oscillatory shear test using Q800dynamic mechanical analyzer by conditioned at four temperatures（－2℃，10℃，20℃and 30℃）．Pear tissue behaved an elastic solid with storage moduli（G′）much higher than loss moduli（G″）over the entire frequency range （G″／G′≈0．082－0．095）．Both G′and G″were frequently independent，but increased with the decreasing of temperature．Values of the dynamic parameters（G″，G′）showed greater changes in samples exposed to a temperature range from －2℃to 30 ℃，but changes were relatively insignificant when the temperature interval was 10℃ or less．Theseeffects suggest that temperature changes have influences on the viscoelasticity of pear tissue．Lower and higher temperatures can affect markedly the mechanical bruise susceptibility of Korla pear．

Korla pear；storage temperature；dynamic viscoelasticity

S183

A

2010－03－10

吴杰（1972－），男，副教授，从事农产品品质安全与检测研究；e－mail：wjie＿mac＠shzu．edu．cn。