柚子皮仿生缓冲结构对苹果抗冲击损伤的保护机制研究与包装设计优化

《Food Packaging and Shelf Life》：Analysis of protective ability of pomelo peel against impact damage to apple for cushioning packaging design

本文通过冲击试验、微观结构观察和离散元法(DEM)，揭示了柚子皮中果皮网状结构对冲击能量的耗散机制，建立了基于细胞孔隙特征的生物抗损伤结构预测模型(R2=0.9003)，为果蔬运输防护包装提供了仿生设计新范式。

　　

Highlight

抗冲击试验台滑轨下落设计

如图1A所示（图示说明已省略），测力装置核心包含数字测力仪（型号：FGP-100；最大测量力：1000 N；精度0.1 N）、滑块、滑轨和固定板。通过螺栓将中间连接板、数字测力仪与滑块固结为整体运动单元，安装于固定板以保障测试稳定性。为精准测量冲击瞬间的作用力，设置滑块沿倾斜角15°的滑轨自由下滑，冲击速度通过调节滑块初始高度实现精确控制。

柚子皮抗冲击损伤分析

图2展示了“沙田柚”与“红蜜柚”果皮的抗冲击性能对比。冲击前后果皮厚度测量显示（图2A），“沙田柚”平均果皮厚度由9.55 mm降至2.26 mm，而“红蜜柚”从3.97 mm减至1.34 mm，两者冲击后厚度差异显著。“红蜜柚”虽果皮较薄，但其网状结构中果皮可承受更高冲击力（116.53 N）和弹性模量（1.10 MPa），证明防护性能由结构设计主导而非组织厚度。微观结构显示，“红蜜柚”中果皮具有独特的蜂窝状网状架构，细胞间孔隙分布均匀，有效将冲击动能转化为纤维变形能。

结论

本研究明确柚子皮抗冲击性能与其微观结构密不可分。“红蜜柚”致密外皮层与多孔网状中果皮的协同作用，使其在较薄厚度（3.97 mm）下实现优于厚皮品种的冲击能量吸收能力（应变0.66）。基于中果皮细胞结构与孔隙特征构建的生物抗损伤预测模型，精准量化了载荷速度(V)、孔隙率(P)与结构块尺寸(S)对抗损伤性能的影响序列（V>P>S），为仿生缓冲包装材料开发提供了理论依据。