番茄果实采收后的硬度测定及其变化规律

2005年6月

农业机械学报

第36卷第6期

番茄果实采收后的硬度测定及其变化规律

王　昕　李建桥　任露泉　马中苏

*

　　【摘要】　试验研究一种能够准确评价番茄硬度的测定方法, 建立番茄在贮藏期间硬度变化的动力学模型。在分析测定番茄硬度变化的全过程后, 认为番茄硬度和测定硬度时的变形量应同时用于评价番茄的品质。研究表明, 番茄硬度在贮藏期间的变化符合一级动力学模型, 通过试验确定模型的参数, 对新鲜番茄初硬度进行测定, 可预测番茄的品质变化, 为番茄的采摘和贮运提供理论依据。

关键词:番茄　品质评价　硬度　动力学模型中图分类号:S641

文献标识码:A

Mensuration and Changes on Firmness of Tomato Fruits

during the Post -harvest Storage

Wang Xin 　Li Jianqiao 　Ren Luquan 　M a Zhongsu

(J ilin University )

Abstract

Firm ness is an important aspect of the quality of fresh tom atoes. T his study developed a metho d for measuring firm ness of tom ato and determ ined the kinetic mo del of firm ness chang es on tom ato tissue dur ing stor ag e . Data analyzing in w ho le co urse w as recorded by impact senso r , and the firmness and disto rtio n w ere used to evaluate to mato tissue synchronously. Result show ed the firm ness in to mato fruits during sto rage follow ed a first order reactio n kinetics. Confirming the parameters by the test , this mo del can be used to predict and contro l the quality changes o f to mato fruits. T he m ethod can be applied to the harvesting sto rage and transpo rtation.

Key words 　To matoes , Quality ev aluation , Firmness , Kinetic model

等; 近年来还发展了较多的非破坏性测量方法, 如利用番茄的硬度与振动频率有关的特点以共振频率进行测量[4]、用近红外分光光度法预测果实的硬度[5]、用激光气动法对果实进行非接触的硬度测量等, 这些测定方法在国外已广泛用于果品的分级和品质检测。

我国测定番茄硬度常用果实硬度计, 提供的数据单一, 而且用硬度评价番茄品质的研究还较少。本文针对番茄在贮藏期间的品质评价, 研究能准确测定番茄硬度的方法, 建立番茄采摘后硬度变化的动

[3]

[6]

　　引言

果蔬在采收后品质下降表现在各个方面, 影响到贮藏和加工等各个环节, 因此国内外有关果蔬贮藏的动力学研究较多[1]。硬度是果蔬品质评价的重要指标之一, 研究硬度的测定方法及其变化规律, 可为贮藏过程中的优化控制提供有价值的依据, 用于果蔬贮藏过程中品质变化的预测和监控。

国外对番茄硬度测量方法较多, 如利用番茄的松弛特性、在加工线上用压力传感器进行测量

收稿日期:2003

1215

[2]

*吉林省科技发展计划资助项目(项目编号:2000146) 和吉林大学创新基金项目王　昕　吉林大学生物与农业工程学院　讲师　博士生, 130025　长春市李建桥　吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室　教授　博士生导师任露泉　吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室　教授　博士生导师

66

农　业　机　械　学　报2005年　

力学模型, 为番茄的采摘、贮藏、运输和加工提供理论参考。

根据GY 1型果实硬度计的原理, 设计了一个带有挡板的压头, 加在WDW 20型精密万能试验机上。压头端面的面积为1cm 2, 挡板外端压头长10m m, 测定时选取的番茄直径大于60mm, 以保证与压头接触的表面曲率半径足够大, 番茄放置时蒂端向下, 并使压头对准番茄的中心点, 见图1。

1　硬度变化理论

硬度(firmness) 作为番茄的品质因子记作F , 其随时间的变化速率可以表示为

n

=-k (F ) d t

式中　n ——反应级数

k ——反应速度常数

大多数食品的质量与时间关系表现出零级或一级的反应, 即n =0或1[1], 在正常条件下, 硬度的变化为非线性的, 故这里取n =1。而反应速度常数k 值与温度T 的关系一般符合Arrhenius 方程

k =A exp(-E a /R T )

由式(1) 、(2) 变形后求积分可得

-ln F ûF 0=At ex p (-E a /RT ) ln F 0-ln F t =A t exp (-E a /RT )

即

F t =F 0/ex p[At ex p(-E a /RT ) ]

式中　F 0——番茄采摘第一天的硬度

F t ——番茄采摘后第t 天的硬度A ——常数　　t ——番茄的贮藏时间T ——贮藏温度　　R ——气体常数E a ——活化能

式(3) 是番茄在贮藏期间硬度变化的动力学模型, 表明番茄硬度在贮藏期间的变化与番茄采摘初始硬度、贮藏时间、贮藏温度T 和该温度下的活化能E a 有关。

(4) (3)

F

t

(1)

图1　果实硬度测定压头示意图

(2)

Fig. 1　Schematic diag ram o f det ect or in

fruit firm ness mensur atio n

1. 连接轴　2. 挡板　3. 压头　4. 样品

　

在测试过程中, 选用量程为25kN 的压力传感器, 用计算机控制压头以5mm /s 的速度挤压番茄, 设定压头的最大行程为20mm , 记录其单位面积上承受的压力和变形量, 测定过程计算机给出实时曲线如图2。其中A 点前为空行程。

图2　硬度测定过程实时曲线

Fig. 2　Pr o cessing cur ve o f measur ing fruit firmness 　

2　试验原料与方法

2. 1　试验原料

番茄样品取自长春市郊无公害示范区温室内, 青熟期果实, 略带淡粉红色, 选择均匀、饱满、形状一致的果实带蒂采摘, 采后4h 内测定各种硬度的初值。

2. 2　试验方法

将样品分7组, 每组5个样品, 贮存在302A 型恒温恒湿箱中, 控制温度为(25±2) ℃(298. 15K) , 相对湿度85%～90%。每3天进行一次硬度的测定, 测定结果取平均值。2. 3　硬度的测试方法

用果实硬度计测量果实硬度时, 应剥去果皮, 将压头压入果肉中, 仅得到果实内部的硬度值。但在本

3　结果与分析

3. 1　测试结果与分析

从图2可见, 测定过程中, 番茄表皮未被压破

前, 在压力作用下会产生一定的变形, 测得硬度值逐渐上升(A B 段) , 到达的峰值记为F 1(B 点) , 为果实的外部最大硬度。从压头接触到果实(A 点) 至硬度达到峰值的距离为果实的最大变形量, 记为$X 值。当测试杆压头压破番茄表皮(B 点) 后, 硬度迅速下降至C 点。此时压头深入到番茄的内部, 受到的阻力相对稳定(CD 段) , 在此区域内压力记为F 2。当挡板接触到果实(D 点) 后, 硬度急剧增加(DE 段) , 此时因挡板与番茄的接触面积不易量化, 硬度值亦无,

　第6期王昕等:番茄果实采收后的硬度测定及其变化规律

67

于表皮具有一定的韧性, 起到保护作用, F 1(带皮测定的硬度) 较F 2(内部的硬度) 大。

表1　番茄果实在贮藏期内的硬度变化Tab . 1　Changes of tomato f ruit f irmness at storage

贮藏时间t /d [1**********]

带皮硬度F 1/N õcm -20. 30215. 08816. 88012. 15414. 69412. 84210. 398

2

　　为消除F 1的离散程度, 将变形量$X 引入, 并定义为F 1/$X 为修正硬度, 其计算值见表1, 利用式(5) 可得修正硬度式

F 1t /($X t ) =263. 8exp(-0. 0333t )

(7)

修正变化趋势见图4,

可见其变化与理论分析相符。

带皮硬度F 2/N õcm -27. 4846. 3924. 9523. 3023. 1022. 5182. 388

变形量$X /mm 7. 6967. 00210. 67410. 67413. 67011. 15811. 116

修正硬度F 1/($X ) /N õcm -326. 3821. 5515. 8411. 3910. 7511. 519. 35

图4　番茄贮藏期间的修正硬度的变化F ig . 4　Chang e of to mato fruit modificat or y

fir mness at st or age

　

3. 2　动力学模型计算

根据表1的结果, 采用参数估计方法, 用曲线拟合方式得出式(3) 中的待定参数。本试验的置信域为95%时, 得到的表皮硬度F 1和内部硬度F 2的动力学方程为

ln F 10-ln F 1t =0. 0339t exp(-40. 59/RT ) ln F 20-ln F 2t =0. 0657t exp(-29. 15/RT ) 本试验中分别为

F 1t =20. 302exp(0. 0333t )

(5)

(6) F 2t =7. 484exp (-0. 0649t )

计算结果与测试值的硬度变化见图3, F 1、F 2均与理论分析相符。但图3中F 1的离差较大, 而剥去番茄表皮测量的硬度结果与F 2完全相符, 可见F 1的数值除内部硬度外, 还包括表皮抵抗外物压入时产生的表面抗力, 虽然F 1表现读数离散, 但这种测试方式最大限度地减少了人为因素对测试结果的影响,

而且操作方法简便。

4　讨论

(1) 式(3) 中参数A 和E a 因番茄的品种、采摘期等因素的不同而有差异。采用本试验方法, 并控制温度, 可用数据拟合加以确定。若已知番茄的初始硬度, 则番茄的硬度仅为贮藏时间和贮藏温度的函数。因此对于某品种番茄, 测定番茄果实采摘初始的硬度, 就可以预测番茄在贮藏条件下硬度下降的程度, 为番茄的采摘、贮运和加工提供理论依据。

(2) 本试验给出的硬度测定方法, 可得到带皮番茄硬度F 1、内部硬度F 2、变形量$X 和修正硬度F 1/$X , 并且修正硬度从量纲上看, 具有体积性质, 反映了单位体积的承载能力, 能更准确地表达番茄在贮运中的抗破损性能, 对番茄的贮藏和运输具有理论指导意义。

5　结论

(1) 贮藏期间番茄硬度变化符合一级动力学模型, 满足方程F t =F 0/[ex p(A t exp(-E a /R T ) ]。(2) 本方法可测得不同的番茄硬度, 其内部硬度F 2比较均匀, 带果皮的硬度F 1较内部硬度F 2大得多, 具有人为因素影响小和操作方法简便的特点。尤其是考虑了变形量的修正硬度的测定, 更适于产品

图3　番茄贮存期间硬度的变化

Fig. 3　Change o f tom ato fr uit fir mness a t stor age 　

参

考

在运输和贮藏中品质变化的预测。

文献

1　A zzouz S, G uizani A , Jo maa W , et al. M o isture diffusiv ity and dr ying kinet ic equat ion o f co nv ectiv e dr ying of g r apes . Jo ur nal of F ood Engineer ing , 2002, 55(2) :323～330

2　W u T ianx ia, Judith A A bbott. F ir mness and for ce relax atio n character istics of tomat oes sto red intact o r as slices. P ost har vest Bio lo gy and T echnolog y , 2002, 24:59～68

64

64

农　业　机　械　学　报2005年　

4　W ang J, T eag B, Y u Y. Pear dy namic chara ct eristics and firmness det ect ion. Euro pean Fo od Resear ch and T echno lo gy , 2004, 218(3) :289～294

5　W ang J, Jiang R S, Y u Y. R elat ionship bet ween dy namic resonance frequency and eg g physical pr opert ies. Fo od R esea rch Inter nat ional . , 2004, 37(1) :45～50

6　王俊, 滕斌, 周鸣. 梨敲击激励后产生的动力学特性研究. 农业机械学报, 2004, 35(2) :65～68

7　Chen H, De Baer demaeker J. F inite-element-based modal analy sis of fr uit firmness. T r ansactions o f the A SA E,

1993, 36(6) :1827～1833

8　L u R , A bbott J A . F init e element modeling of t ransient r esponses of apples to impulse ex citat ion . T ransactio ns of t he A SA E, 1997, 40(2) :1395～1406

9　V er streken E, De Baer demaeker J. Ev olutio n of matur ity o f peaches:non-destr uctive fir mness m easur ement fr om the a co ust ic impulse response . I nter natio nal A g ro phy sics , 1994(8) :469～473

10　Chen H , De Baer demaeker J , Bellon V . Finite element study of the melon for no ndestructiv e sensing o f firmness .

T r ansact ions of t he A SA E, 1996, 39(3) :1057～1065

11　L angenkens J, Vandewa lle X, De Baerdemaeker J. Influence o f global shape and int ernal structure of t omato es on

the r eso nant frequency . Jo urnal of A g ricultural Engineer ing R esea rch , 1997, 66:41～49

12　Dew ulf W, Jancsok P, N icolai B, et al. Deter mining the fir mness of a pear using finite elem ent mo dal ana ly sis.

Journal of A g ricultural Engineer ing Research, 1999, 74:217～224

13　Jancsok Pal T , L uc Clijmans, Bar t M , et al. Investigation o f t he effect o f shape pn the aco ustic r espo nse of

‘co nfer ence ’pears by finite elem ent m odeling . P osthar vest Biolo gy and T echnolog y , 2001, 23:1～1214　藤斌. 梨桃撞击频谱特性的研究:[硕士学位论文].杭州:浙江大学, 2002.

(上接第67页)

~a vate J, Ruiz-3　G ar c a-R amos F J, O rtiz-Can A ltisent M , et al. Dev elo pment and implementation of an o n-line impact sensor for fir mness sensing o f fruit s. Jo urnal of F oo d Engineering , 2003, 58(6) :53～57

4　K etelaer e B D, Baer dem aeker J D. T om ato firmness est imation using v ibrat ion measur ement s. M athemat ics and Co mputer s in Simulatio n , 2001, 56:385～394

5　L u R. Pr edicting fir mness and suga r co ntent o f sweet cherr ies using near-infrar ed diffuse reflectance spectr oscopy. T ra nsactio ns o f the A SA E, 2001, 44(5) :1265～1271

6　M cG lo ne V A , S M W Ko , Jor dan R B . N o n -co ntact fr uit fir mness measurement by the laser air -puff met ho d . T ra nsactio ns o f the A SA E , 1999, 42(5) :1391～1398