催熟对采后菠萝品质的影响与光谱识别

徐 赛，陆华忠*，梁 鑫，丘广俊，林 伟

（1.广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所，广东 广州 510640；2.广东省农业科学院，广东 广州 510640；3.湛江市农业科学研究院，广东 湛江 524094）

催熟在目前菠萝生产中被普遍使用，通常采用种植过程中喷施乙烯利（2-氯乙基磷酸）的方式，可催花并促进果实风味形成，采后喷施可使果实成熟速度均一，以统一采收时间并提前进入市场[1-2]。已有研究证明了催熟在菠萝生长过程中的益处[3]，而对采后品质影响研究较少。近年来，菠萝催熟造成采后菠萝品质下降的质疑愈演愈烈，认为其可能是促使菠萝采后黑心病发生的重要因素之一[4-5]。因此，探究催熟对菠萝采后品质的影响并建立品质无损快速识别方法，可为菠萝科学采摘与货架管理提供指导，具有重要意义。

糖度与酸度是菠萝采后风味的重要评判指标，通常用可溶性固形物（total soluble solid，TSS）与可滴定酸（titratable acid，TA）含量表示[6-7]。Chuakula等[8]研究表明，催熟处理可增加果实的TSS含量，降低果实的TA含量。目前催熟对果实不同部位的影响尚缺乏探究。此外，近年菠萝黑心病发生频率倍增[9]，严重影响产业发展，故探明催熟对菠萝采后黑心影响意义重大。

可见/近红外光谱（visible near/infrared spectroscopy，VIS/NIR）检测技术主要根据获取被测样本透射或反射的VIS/NIR信号所携带的样本内部信息，建立可映射到理化指标的识别模型[10-12]。目前已在中小型薄皮农产品内 部品质无损识别中得到了广泛应用，如苹果[13]、梨[14]、橙[15]、芒果[16]的糖度和酸度检测，梨[17]和马铃薯[18]黑心病检测等。但菠萝属于较大型水果，表皮凹凸不平，反射光谱无法获取水果深层品质信息，透射光谱信号的强度与质量会被削弱。VIS/NIR技术能否识别采后菠萝的内部品质尚需进一步研究。

因此，本研究以菠萝果心、果肉和整果为对象，探究了催熟与未催熟菠萝采后一定贮藏期内的TSS、TA质量分数和黑心程度变化规律，并根据菠萝采摘早期的 光谱信号以及贮藏过程的光谱信号，探究VIS/NIR技术早期实时识别以及预测菠萝品质状态的可行性，为菠萝产业品质提升提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

实验‘巴厘’菠萝（（1.2±0.2）kg、七成熟）于广东湛江徐闻友好农场采收，催熟处理（采收前喷施乙烯利）菠萝和未催熟菠萝各100 个，采果后经3 d物流运送到实验室室内贮藏，室内条件为温度23 ℃、相对湿度76%。

0.1 mol/L NaOH溶液 深圳市博林达科技有限公司。

1.2 仪器与设备

QE Pro光纤光谱仪（400～1100 nm）、NIRQuest光纤光谱仪（900～1700 nm） 美国Ocean Optics公司；PAL-1数字光学折射仪 日本ATAGO公司。

1.3 方法

1.3.1 原料处理

采后第4天对200 个菠萝进行VIS/NIR无损检测，数据用于菠萝黑心病早期预测研究。采后第4、5、6、7、8、9天对催熟与未催熟菠萝均分别采集10、20、20、20、20 个和10 个样本进行VIS/NIR无损检测，并测定理化指标（TSS质量分数、TA质量分数、TSS/TA和黑心程度）。

1.3.2 VIS/NIR光谱信号采集

菠萝光谱数据获取采用实验室搭建的VIS/NIR透射光谱采集平台，其光源包含12 个100 W的卤素灯，入射角度为45°，采用QE Pro光纤光谱仪和NIRQuest光纤光谱仪联用采集400～1700 nm波长范围的光谱信号。

1.3.3 TSS、TA质量分数测定

去除果皮，将果心与果肉分开，采用打浆、过滤的方式取汁后，分别检测菠萝果心、果肉和整果（果心与果肉的混合）果汁的TSS、TA质量分数和TSS/TA。TSS质量分数采用PAL-1数字光学折射仪测定，具体参考NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的测定 折射仪法》进行；TA质量分数测定参考GB 5009.239—2016《食品安全国家标准 食品酸度的测定》，采用0.1 mol/L NaOH溶液进行滴定；TSS/TA即TSS质量分数与TA质量分数的比值，可用于反映菠萝果肉的综合风味[19]， TSS/TA越大表示甜味越突显，越小则酸味越突显。上述检测均重复3 次取平均值。

1.3.4 黑心指数测定

将菠萝果实纵切两半，观察黑心区域面积占菠萝切面面积的比例R[20-21]：0级，无黑心发生；1级，R≤10%；2级，10%＜R≤20%；3级，20%＜R≤30%；4级， 30%＜R≤50%；5级，R＞50%。黑心指数按下式计算。

1.4 数据处理与分析

本研究的催熟、贮藏时间、黑心程度识别预测的期望输出均为10以内的正整数，属于分类问题，采用线性判别分析（linear discriminant analysis，LDA）法[22]进行分类识别。LDA是采用降维的方法将提取样本主要信息的线性判别因子映射在二维空间，越相似的样本距离越近，反之距离越远。TSS、TA质量分数和TSS/TA识别结果为带小数的随机数，需用回归的方法解决定量分析问题，采用偏最小二乘回归（partial least squares regression，PLSR）进行识别[23-24]。PLSR定量识别效果采用决定系数（R2）和均方根误差（root mean square error，RMSE）表征，其中R2越接近1、RMSE越小，识别效果越好，R2越接近0、RMSE越大，识别效果越差。此外，通过对比数据点与各类别之间的欧氏距离，辅助判定黑心程度分类识别的精确度[25]。PLSR用于对黑心发生预测效果的进一步验证，样本整体识别正确率以识别输出结果取整（四舍五入）后与期望输出的比对结果表示，将定量输出转化为定性结果[26]。采用Excel 2007软件进行数据整理，采用Matlab 7.0软件[27]进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 催熟对菠萝TSS、TA质量分数和TSS/TA的影响

如图1A所示，催熟菠萝果肉TSS质量分数最高，其次是整果，果心最低。未催熟菠萝各部位TSS质量分数较接近，说明各部位TSS分布较均匀。催熟菠萝的TSS质量分数在采摘初期（第4天，后同）高于未催熟菠萝，在贮藏过程中逐渐降低，可以推断菠萝催熟处理后第4天已经完全成熟。未催熟菠萝TSS质量分数在贮藏过程逐渐升高，第9天与催熟菠萝接近，是后熟的体现。

如图1B所示，催熟和未催熟菠萝的TA质量分数从高到低均依次为果肉＞整果＞果心。催熟菠萝的TA质量分数在采摘初期高于未催熟菠萝，在贮藏过程中无明显变化趋势，但果实不同部位之间的差异逐渐减小。未催熟菠萝TA质量分数随贮藏时间延长逐渐上升，第9天与催熟菠萝较接近，但不同部位差异无明显变化。

如图1C所示。催熟与未催熟菠萝TSS/TA从高到低依次排列均为果心＞整果＞果肉，但催熟菠萝各部位质量分数差异较小，未催熟菠萝差异较大。未催熟菠萝 TSS/TA在采摘初期大于催熟菠萝，但在贮藏过程中逐渐降低，第9天与催熟菠萝相近，催熟菠萝TSS/TA在贮藏过程中变化较小，未催熟菠萝较未催熟菠萝在采摘前4 d具有明显的风味优势，随后贮藏过程中伴随着未催熟菠萝TSS/TA逐渐下降，优势减小[28]。

图 1 催熟与未催熟菠萝采后TSS（A）、TA（B）质量分数 和TSS/TA（C）变化Fig. 1 Changes in TSS (A), TA (B) and TSS/TA (C) of postharvest pineapples with and without artificial ripening

2.2 催熟对菠萝黑心程度的影响

图 2 催熟与未催熟菠萝采后黑心指数变化Fig. 2 Changes in black heart index of postharvest pineapples with and without artificial ripening

如图2所示，催熟与未催熟菠萝黑心指数在采后第4天分别为1.0和0.2，采后第9天分别达到4.1和1.5。可见，催熟与未催熟菠萝黑心程度均随着贮藏时间延长逐渐增加，催熟菠萝增加速度明显较未催熟菠萝快，说明催熟是促进菠萝黑心病发展的重要因素。

2.3 催熟对菠萝初始光谱数据的影响

催熟与未催熟菠萝采摘初期（第4天）光谱原始数据如图3A所示，400～600 nm较为相似；600～800 nm未催熟菠萝光谱曲线较平坦，催熟菠萝曲线呈上升趋势；催熟菠萝800～1200 nm的波峰较未催熟菠萝尖锐；未催熟菠萝VIS/NIR光谱的透射率在全波段（400～1700 nm）较催熟菠萝低。催熟与未催熟菠萝贮藏过程（4～9 d）的光谱如图3B所示，随着贮藏时间的延长，800～1000 nm波段波峰变得更明显。基于光谱数据利用LDA法对催熟与未催熟菠萝的分类识别结果分别如图3C、D所示，发现采摘初期和贮藏过程中催熟和未催熟的菠萝可以被较好地区分开。因此，VIS/NIR光谱可以有效展现菠萝果实的特征信息，并用于分类识别。

图 3 催熟与未催熟菠萝原始光谱数据变化Fig. 3 Raw spectral data of postharvest pineapples with and without artificial ripening

2.4 VIS/NIR对菠萝贮藏时间的识别

图 4 催熟（A）与未催熟（B）菠萝贮藏时间的LDA识别Fig. 4 Linear discriminant analysis (LDA) plots for storage time identification of postharvest pineapple with (A) and without (B) artificial ripening

催熟菠萝贮藏时间的LDA分类识别结果如图4A所示，各贮藏时间均能被区分开来。未催熟菠萝贮藏时间的LDA分类识别结果如图4B所示，第5天和第7天的菠萝样本数据点存在重叠，第5天有1 个数据点与第6天重叠，无法较好地识别，其他贮藏时间均能被区分开来。未催熟 菠萝贮藏时间识别效果欠佳可能是受菠萝黑心的影响较小，造成水果品质变化不大。

2.5 VIS/NIR对菠萝TSS、TA质量分数和TSS/TA的识别

表 1 催熟与未催熟菠萝TSS、TA质量分数和TSS/TA的PLSR识别结果Table 1 Partial least squares regression recognition of TSS, TA and TSS/TA of pineapples with and without artificial ripening

如表1所示，催熟与未催熟菠萝的TSS、TA质量分数和TSS/TA均无法较好地识别。目前菠萝内部品质的无损检测方法报道较少，Chia等采用VIS/NIR反射光谱有效识别了菠萝的TSS质量分数[29]，但反射光谱仅能识别菠萝外部果肉（表皮约1 cm范围）的糖度，目前市面普遍存在催熟果内部糖度分布差异较大，因此参考意义不大。本实验VIS/NIR透射光谱对内部风味品质检测效果不佳（Rv2均小于0.5）可能是受黑心发生等因素的干扰。

2.6 VIS/NIR对菠萝黑心程度的识别

图 5 催熟（A）与未催熟（B）菠萝黑心程度的LDA识别Fig. 5 LDA recognition for black heart degree of postharvest pineapples with (A) and without (B) artificial ripening

0级黑心菠萝商品价值最高；1级黑心菠萝具有轻微黑心症状，价值下降，但仍可食用或去除黑心部分后用于加工；1级以上黑心菠萝几乎完全失去商品价值，因此本研究将菠萝黑心程度分为上述3 类。统计贮藏4～9 d 过程中每天各分级的菠萝总数，采集到0级、1级和1级以上黑心菠萝分别为8、20 个和72 个，未催熟菠萝采集到0级、1级和1级以上黑心菠萝分别为37、44 个和19 个。催熟和未催熟菠萝黑心程度的LDA分类识别结果分别如 图5A、B所示，可以看出催熟与未催熟菠萝的黑心程度能较好地被分类识别。

为判定LDA分类结果中样本类别的归属，本研究以数据点与类别中心位置（同类别样本数据点坐标平均值）之间的欧氏距离为参考，将欧氏距离最近的中心位置判定为该样本所属类别。以欧氏距离作为空间划分标准，LDA对催熟与未催熟菠萝黑心程度分类识别判定结果分别见表2、3，对催熟菠萝黑心程度的识别正确率为98%，对未对催熟菠萝黑心程度的识别正确率为94%。

表 2 催熟菠萝黑心程度LDA识别的欧氏距离判定结果Table 2 Euclidean distance judgement of LDA recognition of black heart degree of postharvest pineapples with artificial ripening

表 3 未催熟菠萝黑心程度LDA识别的欧氏距离判定结果Table 3 Euclidean distance judgement of LDA recognition of black heart degree of postharvest pineapples without artificial ripening

2.7 VIS/NIR对菠萝黑心发生的预测

菠萝黑心是一个发展的过程，随贮藏时间延长逐渐加重，因此，通过采摘早期的无损检测预测未来的黑心发展状况对菠萝产业的发展极具意义。本实验菠萝果实均为果园采摘后立即物流第3天到达实验室进行检测，较好地模拟了产业实际运输流程（采后立即装车3～4 d内运到全国各地）。今后可先预测黑心程度后再科学地进行商品调配与销售。为此，本研究提出了按剩余寿命识别与贮藏期内黑心发生识别两种方案。

2.7.1 按剩余寿命识别

参考本课题组此前对荔枝剩余寿命的识别[30]，本研究以菠萝达到1级黑心程度的贮藏时间作为菠萝的剩余寿命，表示菠萝采后能存放的时间。采集到剩余寿命4、5、6、7、8 d和9 d的催熟菠萝分别为8、6、4、1、1 个和0 个，未催熟菠萝分别为2、7、5、12、11 个和7 个。催熟和未催熟菠萝的剩余寿命识别结果分别见图6A、B，均无法较好地识别，表明该方案不可行。

图 6 催熟（A）与未催熟（B）菠萝剩余寿命的LDA识别Fig. 6 LDA recognition for the remaining lifespan of postharvest pineapples with (A) and without (B) artificial ripening

2.7.2 按贮藏期内黑心发生情况识别

图 7 菠萝采后第6天黑心发生情况的LDA识别Fig. 7 LDA recognition for black heart incidence in pineapples at day 6 postharvest

据调研，菠萝采后通常会在6 d内被消费者食用，菠萝在耐黑心能力上存在个体差异，预测菠萝采后6 d内菠萝是否发生黑心具有重要意义。由图7A可知，催熟菠萝采后第4天黑心率已达到80%，第6天达到90%，几乎完全黑心，预测意义不大；未催熟菠萝采后6 d黑心率为50%，具有预测意义。研究采集6 d内（含第6天）发生黑心的菠萝和6 d后（不含第6天）未发生黑心菠萝分别为19 个和21 个，其LDA分类识别结果如图7B所示，可以 较好地进行识别。因此，采用VIS/NIR预测早期菠萝黑心发生情况是可行的。

为进一步验证此结论，本研究从19 个6 d内发生黑心的菠萝和21 个6 d后未发生黑心的菠萝中分别提取14 个和16 个样本作为训练集，剩余样本作为验证集，得到训练集样本共30 个，验证集样本共10 个。参考文献[31]的研究方法，采用LDA提取的线性判别因子作为特征值减少冗余特征后，进行PLSR识别。第6天黑心与不黑心的期望输出标签分别设置为0和1。将PLSR识别结果四舍五入取整后与期望输出比对，PLSR对训练集的识别正确率为96.67%，对验证集的识别正确率为80%，进一步验证了本方案预测菠萝黑心发生的可行性。

3 结 论

本研究分果心、果肉和整果对比了催熟与未催熟菠萝采后一定贮藏期内的TSS、TA质量分数和黑心程度变化规律，并利用VIS/NIR技术对菠萝贮藏品质进行检测、对菠萝黑心发生情况进行早期预测。

菠萝采后理化变化研究结果表明，催熟菠萝果肉TSS质量分数最高，其次是整果，果心最低，未催熟菠萝各部位TSS质量分数较一致。催熟菠萝的TSS质量分数在采摘初期高于未催熟菠萝，在贮藏过程中逐渐降低，未催熟菠萝TSS质量分数在贮藏过程逐渐升高，第9天与催熟菠萝相近。催熟和未催熟菠萝的TA质量分数从高到低均依次为果肉＞整果＞果心。催熟菠萝的TA质量分数在采摘初期高于未催熟菠萝，在贮藏过程中无明显变化趋势，未催熟菠萝TA质量分数随贮藏时间延长逐渐上升，第9天与催熟菠萝较接近。催熟与未催熟菠萝TSS/TA质量分数从高到低均依次为果心＞整果＞果肉。未催熟菠萝TSS/TA在采摘初期大于未催熟菠萝，但贮藏过程中逐渐降低，第9天与催熟菠萝相近。

VIS/NIR光谱识别结果表明，VIS/NIR光谱可以有效展现菠萝果实的特征信息，识别催熟与未催熟菠萝，识别催熟菠萝贮藏时间（第4、5、6、7、8、9天），识别未催熟菠萝贮藏时间（第4、5～7、8、9天），预测未催熟菠萝采后第6天是否会发生黑心；但对催熟与未催熟菠萝果心、果肉和整果的TSS、TA质量分数和TSS/TA识别效果均不佳，对菠萝的剩余寿命识别效果不佳。

综上，为保证菠萝采后品质，菠萝采摘前不宜使用催熟剂，未催熟可降大幅度低果实采后黑心风险。利用VIS/NIR技术，采购商、销售者、检测部门等可掌握菠萝是否进行了催熟处理，并判断菠萝的贮藏时间信息及是否发生黑心，并对菠萝黑心情况进行预测；销售者可利用这些信息将不耐黑心果就近销售，减少损失。本研究为菠萝产业的提升与发展提供科学参考。