莲藕表皮力学特性试验研究

Experiment on the mechanical properties of the epidermis of the lotus root

摘要

目的 探究莲藕机械去皮技术，对用于深加工的主藕体外部形状以及表皮力学特性进行了试验研究。 方法 以广泛种植的鄂莲5号主藕体为对象，测量其外形轮廓并进行了统计分析。采用质构仪，以去皮切削极限力为评价指标，以切削方向、取样部位、加载速度为试验因素，开展了全因素试验；以拉伸断裂极限强度为评价指标，以取样部位、拉伸方向为影响因素，开展了全因素试验。 结果 三节主藕体长、宽、高为98.16~238.57 mm、62.51~91.11 mm、57.57~86.48 mm，表皮湿基含水率为80.46%~86.28%；莲藕不同截面孔边距以及内凹外观特性呈现出由最大截面向两端递减的趋势，莲藕去皮厚度t应满足t<3.00 mm。轴向平均切削力分别为（9.13±1.55）、（11.31±1.48）、（12.06±1.10）N，周向平均切削力分别为（10.21±1.97）、（12.88±2.45）、（12.28±1.42） N；取样部位、加载速度对去皮切削力均影响极显著，切削方向对去皮切削力影响显著；三节主藕体藕皮轴向平均拉伸强度分别为（1.41±0.15）、（1.29±0.260）、（1.08±0.22）MPa，周向平均拉伸强度分别为（0.62±0.09）、（0.67±0.25）、（0.71±0.19）MPa；方向对藕皮拉伸强度影响极显著，藕皮轴向拉伸强度大于周向。 结论 沿周向设计仿形机械去皮机构，通过提高切削速度以减小切削阻力，提高机械去皮效率。

Abstract

Objective In order to explore the mechanical peeling technology of lotus root，the external shape and skin mechanical properties of main lotus root for deep processing were studied. Method Taking the widely planted main lotus root of E lian NO.5 as the object，the dimensions，the distance between the cross-sectional pores and the surface （short for hole margin），and the cross-sectional contour were measured and statistically analyzed.The cutting and tensile characteristics of the lotus root epidermis were investigated by using a texture analyzer，with the peeling cut limit force as the evaluation index，the cutting direction，the sampling site and the loading speed as the test factors.The ultimate tensile strength was used as the evaluation index，and the sampling site and tensile direction were used as the influencing factors. Result The body length，width and height of the three main sections were 98.16~238.57 mm，62.51~91.11 mm and 57.57~86.48 mm，and the epidermal water content was 80.46%~86.28%.The cross-sectional outline of lotus root shows concave and convex appearance characteristics，and the axial hole edge distance and concave appearance characteristics show a decreasing trend from the maximum section to both ends.In order to reduce the damage of the lotus root body during mechanical cutting，the peeling thickness t of lotus root should be t<3.00 mm.The average axial cutting force was （9.13±1.55），（11.31±1.48），（12.06±1.10）N，and the average circumferential cutting force was （10.21±1.97），（12.88±2.45），（12.28±1.42）N，respectively.The specimen location and loading speed have a significant influence on the peel cutting force，and the cuting direction has significant influence on the peeling cut force.The average axial tensile strength of the root skin of the three main sections was （1.41±0.15），（1.29±0.260），（1.08±0.22） MPa，and the average circumferential tensile strength was （0.62±0.09），（0.67±0.25），（0.71±0.19） MPa，respectively.The axial tensile strength of lotus root skin is higher than that of the circumferential tensile strength. Conclusion A circumferential copying mechanical peeling mechanism is designed to reduce cutting resistance and improve the efficiency of mechanical peeling by increasing cutting speed.

Graphical abstract

关键词

莲藕 / 去皮加工 / 剪切力 / 拉伸强度 / 力学特性

Key words

lotus root / peeling processing / cut force / tensile strength / mechanical properties

Author summay

陈亚欣，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

莲藕是水生植物莲的膨大根状茎，含有丰富的碳水化合物、蛋白质、维生素等营养物质，具有较高的食用价值和药用价值^［1-4］。莲藕经加工调制成腌藕片、糯米灌肠、藕淀粉等产品深受大众喜爱^［5］。莲藕采收后用于食用和深加工还需经历清洗、分级和去皮等环节^［6］，现有莲藕去皮方式主要有摩擦式和机械切削式两种。摩擦式去皮使用金刚砂或摩擦辊去皮，设备结构简单、处理量大且易操作，但去净率低，对莲藕表面损伤严重，加速其表面褐变。切削式去皮莲藕表面光滑平整，碰撞损伤以及褐变少，但存在莲藕内凹处表皮难去除、削皮方向和削皮厚度范围不明确等问题。故目前莲藕去皮仍以人工作业为主。

为研究农业物料去皮最优方式并确定最佳工作参数，国内外学者对相关物料的力学特性进行了试验研究。陈争光等^［7］以玉米秸秆为试验对象，研究了含水率、取样高度和剪切速度对玉米秸秆皮剪切强度的影响。宁彤等^［8］，张喜瑞等^［9］设计了一种固定复合运动轨道式割胶设备，并通过Box-Behnken设计试验确定了最佳切割角度、切割深度和耗皮厚度。Fidelibus等^［10］研究获得柑橘类水果表皮抗压、抗剪等剥离机械性能与果皮厚度相关的结论。Krishna K.Singh等^［11］研究了在不同贮藏条件下，贮藏期对柑橘削皮的影响。Wang Juxia等^［12-13］对苹果皮进行了力学特性试验，得出苹果皮是一种各向异性非均质材料的结论。针对莲藕收获问题，郭洋民等^［14］，肖科星等^［15］和玉苏甫江·艾米都力等^［16］分别对不同品种莲藕进行力学特性试验研究，对藕节和藕身进行压缩、弯曲和拉伸试验，分析得到藕节和藕体抗压特性、抗弯特性和抗拉特性。针对莲藕切片，毕伟等^［17］对莲藕外观形状，不同部位的节径差异进行了统计分析，对藕身抗压、抗弯、剪切强度及藕片的抗压强度进行了测试。袁巧霞等^［18］探究了莲藕成熟度、切割速率、刀片刃角对切割阻力的影响。

目前针对莲藕物料特性的研究，主要围绕莲藕收获和切片环节开展压缩、拉伸、弯曲等试验，针对莲藕机械切削去皮的表皮力学特性研究极少。为此，本文开展莲藕表皮力学特性试验，对其外形尺寸、含水率、截面气孔与表层间距（简称孔边距）、横截面轮廓等测量并进行了统计分析；对莲藕不同部位开展不同方向去皮切削试验和不同方向表皮的拉伸试验，以期为莲藕去皮机械关键部件设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验样本为全国广泛种植、湖北省常见莲藕品种鄂莲5号。莲藕深加工中常选用长度及直径相近、无破损的主藕体为对象，为此挑选莲藕30支，将其洗净、去除根须，对其主藕体进行测量和试验。参照文献^［15］对莲藕试样结构和各部位的名称进行定义，沿着莲藕头部至根部将莲藕主藕体依次命名第1节、第2节、第3节，如图1所示。

1.2 试验设备

切削试验在质构仪（TMS-Pro，美国FTC公司）上进行，量程0~1 000 N，精度为±0.01 N；尺寸测定采用成都成量工具集团生产的数显游标卡尺，量程0~150 mm，精度±0.01 mm；水分测定采用浙江赛德仪器设备有限公司生产的SDH-1202快速卤素水分测定仪。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 外观尺寸及表皮含水率测量

藕皮取样参考人工削皮厚度，采用家用标准刨皮刀从三节主藕体外表削取2 mm左右薄片。由于莲藕表皮含水率是影响切削过程力学特性的重要因素^［19］，试验时采用快速卤素水分测定仪测定其含水率求取平均值。按照如图2所示位置和方式，测量主藕体长、宽、高和表皮含水率，并求取平均值。

1.3.2 主藕体孔边距测量及截面轮廓规律统计

由于莲藕为多孔结构，果肉分布不均匀，定义藕体截面气孔至莲藕表皮径向距离为孔边距，认为理论上孔边距是莲藕去皮的最大厚度，测量该参数可为莲藕去皮切削厚度提供参考。

莲藕外表的凹凸变化是制约刀具仿形削皮的重要因素，获取其变化规律可为确定刀具安装布置数量、刀具结构尺寸设计以及去皮机械作业时刀具最大削皮厚度和研究削皮厚度均匀性提供支撑，为此，参考甘薯表皮平整度测定方法^［20］和不同区域划分测量思路^［21］，对主藕体截面形状进行了测量。

随机选取不同尺寸莲藕主藕体进行测量预试验，结果显示，三节莲藕孔边距变化规律一致。考虑到第3节莲藕的外形尺寸最大，便于测量取得数据，为此选取外形尺寸接近的第3节主藕体，沿轴向（Z轴）间隔30 mm将其垂直切开成段，如图3-A所示；同时将每个截面藕孔依次编号，如图3-B所示，测量每截面每孔孔边距以及莲藕表皮至莲藕中心的距离。

对莲藕建立如图4所示笛卡尔坐标系，选取莲藕截面中心处为原点O，定义Z轴沿藕体轴向从藕枝尾部指向头部方向，Y轴沿径向垂直莲藕最大内凹面切线方向，X轴沿径向平行莲藕最大内凹处切线方向。以X轴为起点沿逆时针方向，间隔45°将藕段截面划分成8个区域，测量横截面处莲藕表皮距离中心处距离，并导入Origin中拟合莲藕横截面轮廓线。

1.3.3 莲藕去皮切削力测试试验

物料生长部位是影响其生物力学性能的重要因素^［22］，切削方式和切削速度对切削力也产生影响，因此以切削方向、取样部位、加载速度为试验因素，以去皮切削力为试验指标设计全因素试验。沿主藕体最大直径垂直Z轴方向切开藕体，距藕段外边缘10 mm处，平行Z轴切制成带有表皮的10 mm×10 mm×10 mm标准试样，如图5所示。

由于可沿轴向（Z向）、周向（绕Z轴旋转）去除莲藕表皮，因此试验时刀片在距离莲藕表皮2 mm处分别沿轴向和周向切入；标准剪切试验刀片厚度为（3.00±0.2）mm，具有刀片厚度大，刀口钝等特点，不适合作为模拟莲藕去皮切削试验的刀具，因此试验选取厚度为0.55 mm，刀口锋利的美工刀片开展切削试验，试验场景如图6所示。设定加载位移为14 mm，触发力为0.1 N。每组试样重复3次，轴向和周向切削各12组，合计72次，记录每次试验切削峰值力。参考文献显示农产品物料加载速度一般采用10~75 mm/min^［23］，莲藕含水率较高，属于软质物料，为了详细观察莲藕去皮切削过程中力-位移受力变化规律，将加载速度控制在10~40 mm/min ^［14］。故确定试验因素水平如表1所示。

1.3.4 莲藕表皮拉伸试验

为获取去皮切削阻力，减少机械去皮中藕皮碎屑堵塞刀具、提高切削连续性，对藕皮进行拉伸试验，确定不同藕体、不同切削方向表皮承受拉力随位移变化的规律，以取样部位、拉伸方向为影响因素，以拉伸断裂极限强度为评价指标开展全因素试验，试验设计如表2所示。

利用家用刨皮刀对莲藕沿着轴向和周向削皮，参考文献^［24］，制作如图7-A所示样本。藕皮样本厚度2 mm，拉伸部位宽度3 mm。试验前对样本进行编号，为防止藕皮在夹具边沿断裂，在夹具夹持物料部位粘贴长×宽×厚为12 mm×12 mm×2 mm的泡沫胶带。

测量样本中间位置厚度和宽度以计算藕皮截面积A。藕皮样本及试验过程如图7-B所示，将样本固定在夹具上拉伸，样本断裂即单次拉伸试验停止，样本在夹具中间位置断裂为有效式样，如图7-C所示。每组试验重复5次，共6组，30次，记录试样断裂时的最大拉力F，拉伸强度计算公式为式（1）。

\sigma =\frac{F}{A}（1）

式中：σ为拉伸强度，MPa；F为拉力，N；A为试样横截面积，mm²。

2 结果与分析

2.1 莲藕外形尺寸及含水率

各主藕体尺寸及含水率结果如表3所示。由表1可知鄂莲5号3节主藕体的长、宽、高范围分别为98.16~238.57 mm、62.51~91.11 mm、57.57~86.48 mm，表皮含水率范围为80.46%~86.28%。由第1节至第3节主藕体外形尺寸逐渐增大，表皮含水率逐渐降低，外形尺寸差异显著。表皮含水率减小，是因为不同主藕体生长位置、成熟度有所差异导致。

2.2 孔边距及径向截面轮廓线

莲藕不同截面孔边距测量结果如图8所示。从每个截面看，孔1至孔10的孔边距变化规律具有一致性，呈现出先增大后减小再增大的趋势；当截面位于120~150 mm，孔2、9处孔边距最大，约为12 mm。同时测得当截面位于0~30 mm，180~210 mm时（即藕体两端的孔边距），孔5、6处孔边距最小，约为3 mm，由此得出莲藕最大去皮厚度t<3 mm。沿藕体轴向（Z轴）看，同一编号（气孔）处，孔边距呈现出先增大后减小的规律，以孔1为例，莲藕孔边距沿Z轴由3.92 mm逐渐增大，当z=120 mm时，孔边距最大，为10 mm，之后孔边距逐渐减小，当z=210 mm时孔边距最小，为5.90 mm。分析原因是由于莲藕截面呈现内凹外观，内凹位置位于5、6孔处，这种内凹外观特性，以及轴向孔边距呈现两端小、中间大的趋势，致使机械去皮方式易造成两端藕体损伤，去皮均匀度难以控制，去皮难度增大。

莲藕截面轮廓测量结果如图9所示，内凹出现在莲藕轮廓下侧中间部位，内凹程度呈现出由最大直径截面至两端逐渐递减的趋势，当z=150 mm时，莲藕下侧中间部位的内凹程度最大，上轮廓点距离藕体中心距离为37.51 mm，下轮廓点（内凹处）距离藕体中心距离为28.45 mm，上下两侧相差9.06 mm；当z=30 mm时，莲藕下侧中间部位的内凹程度最小，上轮廓点距离藕体中心距离为18.84 mm，下轮廓点（内凹处）距离藕体中心距离为15.56 mm，上下两侧相差3.28 mm；莲藕内凹面宽度W₀（莲藕轮廓线由外凸至内凹的临界点）为15~40 mm。位于不同截面莲藕表皮轮廓线凹凸性变化规律一致。

2.3 不同方向去皮切削力试验结果分析

2.3.1 典型轴向、周向切削力曲线

图10为第1节莲藕在加载速度10 mm/min时轴向去皮和周向去皮的典型力-位移曲线。在刀具切入藕体0~2 mm时，切削力随位移增加而增大但斜率变小；刀具移动至临近去皮结束时，去皮切削力达到峰值。轴向切削试验和周向切削试验对比得出，周向切削力最大为10.7 N，周向切削力最大为13.8 N，轴向切削力较周向小且波动范围小，表明轴向去皮切削过程较平稳且力量较小。

2.3.2 取样部位、去皮方向、加载速度对去皮切削力的影响

3节主藕体轴向和周向不同加载速率下的最大切削力结果如表4所示，采用SPSS软件对其进行方差分析，结果列于表5。方差结果显示修正模型极显著（P<0.01），说明模型具有统计学意义；切削方向对去皮切削力影响显著（P<0.05），取样部位、加载速度在10~40 mm/min时，对去皮切削力均影响极显著（P<0.01），各因素之间的交互作用对去皮切削力影响均不显著。

表4结果表明，第1节至第3节主藕体去皮平均切削力增大，轴向去皮切削力小于周向，其原因可能在于轴向切削去皮刀具顺莲藕果肉纤维方向，而周向去皮刀具垂直果肉纤维方向。当加载速度为10、20、30、40 mm/min时对应轴向平均切削力分别为（11.58±0.75）（11.19±1.71）（9.66±1.62）（10.90±2.54）N，对应周向平均切削力分别为（13.03±2.29）（12.24±1.70）（11.26±2.51）（10.61±1.98）N，去皮切削力随速度增加，总体呈现下降趋势。轴向去皮切削力随速度增加，峰值切削力平均值在11 N附近上下浮动：周向去皮切削力随速度增加较轴向峰值切削力下降更显著；取样部位对去皮切削力影响极显著（P<0.01）。第1节、第2节、第3节主藕体轴向平均切削力依次为（9.13±1.55）（11.31±1.48）（12.06±1.10）N，周向平均切削力分别为（10.21±1.97）（12.88±2.45）（12.28±1.42）N。

上述试验结果表明，莲藕低速切削去皮优先考虑轴向去皮方式，莲藕高速去皮优先考虑周向去皮方式。

2.4 藕皮拉伸试验

表6为藕皮拉伸试验结果，表7为拉伸试验方差分析结果。方差结果显示修正模型极显著（P<0.01），说明模型具有统计学意义。拉伸方向对藕皮拉伸强度影响极显著（P<0.01），取样部位对藕皮拉伸强度影响不显著（P>0.05）。

表6结果表明，第1节至第3节轴向平均拉伸强度为（1.41±0.15）（1.29±0.26）（1.08±0.22） MPa，周向平均拉伸强度为（0.62±0.09）（0.67±0.25）（0.71±0.19） MPa。第1节至第3节主藕体藕皮轴向拉伸强度减小，周向拉伸强度增大，分析原因可能是，由第1节至第3节莲藕表皮含水率逐渐降低，含水率越高，阻碍莲藕表皮组织沿纤维方向断裂的能力越强，垂直莲藕纤维方向拉伸则相反；轴向拉伸强度显著大于周向拉伸强度，这是由于沿轴向拉伸断裂方向垂直莲藕纤维方向，需使藕皮纤维断裂，而沿周向拉伸断裂方向平行莲藕纤维方向。由此也表明刀具沿周向切削去除藕皮与轴向相比，藕皮易断裂产生藕皮碎屑堵塞刀具，因此设计刀具时要合理设计藕皮排出口。

3 结论

1） 鄂莲5号3节主藕体的长、宽、高范围分别为98.16~238.57 mm、62.51~91.11 mm、57.57~86.48 mm，表皮湿基含水率范围为80.46%~86.28%。3节主藕体由第1节至第3节三向尺寸、表皮含水率逐渐降低，外形尺寸差异显著。

2） 对莲藕孔边距、横截面轮廓进行了测量，轴向孔边距以及内凹外观特性呈现由最大截面向两端递减的趋势，为降低机械切削去皮时藕体损伤，莲藕去皮厚度t应满足t<3.00 mm。莲藕去皮刀具结构及排布方式要合理设计、布置以适应莲藕径向截面轮廓凹凸性变化规律，进而提高莲藕表皮去净率和效率。

3） 莲藕去皮切削力试验结果表明：切削方向、取样部位、加载速度对去皮切削力均影响显著；其他条件相同时，轴向切削去皮力大于周向切削去皮力，这是因为莲藕纤维排列具有方向性，轴向去皮总体沿着莲藕果肉纤维方向，而周向去皮垂直纤维方向；随速度增加，周向去皮切削力下降趋势显著高于轴向，表明在高速条件下，莲藕周向去皮更易满足减小去皮剪切力，提高去皮效率的条件。

4） 莲藕表皮拉伸试验得出：拉伸方向对藕皮拉伸强度影响极显著，取样部位对藕皮拉伸强度影响不显著。轴向拉伸强度显著大于周向拉伸强度。表明刀具沿周向切削去皮与轴向相比，藕皮易断裂产生藕皮碎屑堵塞刀具，因此设计刀具时要合理设计藕皮排出口。

整支莲藕不同主藕体外径尺寸、截面轮廓凹凸性、表皮纤维方向等存在差异。综合分析，沿周向设计仿形机械去皮机构，结构简单，通过提高切削速度以减小切削阻力，合理设计藕皮排出口，提高机械去皮效率。研究结果可为莲藕削皮及其装备研究提供指导。

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基金资助

国家特色蔬菜产业技术体系专项资助项目(CARS-24-D-02)

湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201934)

湖北省农杨装备补短板核心技术应用攻关项目(HBSNYT2028/8)