基于穿刺力学试验的苹果果肉质地评价

蒋冰瑶，王菊霞，李 涛，陈 涛

(山西农业大学农业工程学院，山西 太谷 030800)

0 引言

苹果是我国产量第一的水果，果实营养丰富，采用质构仪对苹果进行穿刺，可得到组织抵抗剪切和破坏的能力评价[1-3]。冯慧敏等[4]将苹果制成大小不同的试样，选取不同加载速度进行穿刺试验，结果表明，果肉的各力学特性会随着加载速度的增加而增大，整果试样的稳定性优于切块试样。杜昕美等[5]采用剪切法、穿刺法及TPA压缩法对5个品种的苹果质构特性进行了测试，选取带皮穿刺与去皮穿刺两种方式，得到果实的硬度及穿刺模量数值，结果表明，带皮穿刺试验所得各项数据都要显著高于去皮穿刺。

对于苹果脆度的评价多来自于TPA压缩试验，取第1次挤压时的破裂力作为脆度，但并不是每个样本都会出现破裂峰，对苹果脆度的评价需要引入其他指标[6]。余丽娟等[7]采用二阶微分法和峰值法对香梨脆度进行了评价，结合果肉可溶性固形物与含水率参数进行分析，结果表明，峰值法可应用于香梨脆度评价，与香梨各项物性参数结合较好。采用峰值法对金冠苹果果肉穿刺力学数据进行处理，分析是否适用于脆度评价，采用不同加载速度进行果肉脆度评价方法评估，分析不同加载速度下果肉脆度的变化，为完善苹果品质评估体系提供数据支持[8-9]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用2019年10月采摘于山西省农科院果树研究所的金冠、富士苹果，选用形状规则、无病虫害且表面无损的果实，于山西农业大学农业工程学院农业生物力学实验室进行试验[10]。采用电子天平测量质量，电子游标卡尺测量纵径与横径，皮尺测量果实赤道处周长。苹果的单果质量、尺寸参数如表1所示[11]。

表1 苹果单果质量及尺寸参数

1.2 穿刺试验仪器与方法

对苹果果肉、果核进行穿刺力学试验，纵向将果实切为两半，种子附近的是果核，果皮附近的是果肉[12]。将半个果实果皮朝下放置在平整的操作板上，使用直径为10 mm的圆筒形取样工具，沿横向取果肉试样，使用刀片对试样进行处理，得到高10 mm、直径10 mm，两端光滑平整的圆柱体试样[13]。

试验仪器选用Stable Micro Systems公司生产TA.XT plus型质构仪[14]。采用P2针状探头(直径2 mm)，测前速度5 mm/s，测后速度5 mm/s，最小感知力5 g，穿刺距离5 mm，分别选用0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、9.0、13.0和17.0 mm/s共8个加载速度，每个速度下取10个试样进行重复试验[15]。

1.3 扫描电镜观察试验仪器与方法

对果肉进行微观结构观察，分析不同品种间脆度差异的原因。取样时参照穿刺力学试验的取样方法，得到圆柱体试样，将试样切片，每个试样取5～6个样品，同一品种取5个试样进行固定[16]。将样品放入4%戊二醛固定液(pH=6.8)中固定，固定时间2 h以上，用缓冲液洗涤4次，每次10 min，采用不同浓度(30%、50%、70%、80%和90%)的乙醇溶液进行逐级脱水，每次10 min，采用100%的乙醇溶液进行脱水，共3次，每次30 min[17]。采用叔丁醇进行置换，时间为15 min，JEOL JFD-320冷冻干燥，采用导电胶带将干燥后的材料粘在样品台上，用JEOL JFC-1600型离子溅射镀膜仪喷镀铂金，采用JEOL JEM-6490 LV型扫描电子显微镜对喷镀好的材料进行观察[18]。

1.4 数据处理

采用Origin2017进行载荷-位移曲线绘制与基础峰值参数的提取，采用SPSS13.0软件对试验结果进行方差分析及相关性分析，取95%的置信区间[19]。

2 结果与分析

2.1 果肉穿刺载荷-位移曲线峰值分析

2.1.1 穿刺载荷-位移曲线

对图1所示的载荷-位移曲线图进行划分，选取中间2/3处进行分析，即1.6～4.6 mm穿刺深度。通过Origin2017提取区间内基础峰值参数：曲线下面积S、总峰数n、曲线相邻两点间力差ΔFs、曲线相邻两点间位移差Δl、力降代数和ΣΔF、力降绝对值的代数和Σ|ΔF|、平均穿刺力Fcr、平均峰值力Fmean及最大峰值力Fmax[20]。

图1 载荷-位移曲线Fig.1 Load-displacement curve

其他峰值参数的计算如下。

(1)Heidenreich峰值指数[21]。

(1)

(2)

(3)

(2)Arimi峰值指数[22]。

(4)

(3)Ktenioudaki峰值指数[23]。

(5)

(6)

2.1.2 不同加载速度载荷-位移曲线特征

由图2a可知，在0.5～5.0 mm/s速度区间内，金冠果肉载荷-位移曲线力峰数量少、力峰尖细，各基础峰值参数中，总峰数偏小，最大峰值力Fmax、平均峰值力Fmean、平均穿刺力Fcr都偏大，力降绝对值的代数和Σ|ΔF|偏大，果肉较脆；在5～17 mm/s速度区间内，曲线趋近平滑，Fmax、Fmean、Fcr都偏小，Σ|ΔF|偏小，果肉脆度较低。由图2b可知，在0.5～2.0 mm/s速度区间内，富士果肉载荷-位移曲线力峰数量多、力峰尖细，总峰数偏多，波幅较小，变化频率高Fmax、Fmean、Fcr都偏大，果肉较脆；在2～17 mm/s速度区间内，曲线接近平滑，Fmax、Fmean、Fcr都偏小，Σ|ΔF|偏小，果肉脆度较低。果肉载荷-位移曲线图可以反映果肉脆度的变化，采用峰值参数表征果肉脆度是可行的[24]。

图2 速度载荷-位移曲线Fig.2 Speed load-displacement curve

2.1.3 不同品种苹果果肉微观结构

由图3、图4可知，富士果肉细胞大而饱满、细胞壁清晰完整、细胞间隙较小，细胞壁强度高，果肉脆度高；金冠果肉细胞较小、细胞壁模糊、细胞间隙较大，结构不完整，果肉脆度较低。

2.1.4 峰值参数脆度评价敏感度

对峰值参数脆度评价敏感度分析计算公式为：

(7)

图3 富士果肉微观结构Fig.3 Microstructure of Fuji varieties

式中P——脆度敏感度

S17——加载速度为17 mm/s时果肉载荷-位移曲线参数均值

S0.5——加载速度为0.5 mm/s时果肉载荷-位移曲线参数均值[25]

2.1.5 峰值参数随加载速度产生的变化

图5 峰值参数变化趋势Fig.5 Peak parameter change trend graph

2.1.6 峰值参数随加载速度变化的敏感度

图6 峰值参数对果肉的敏感度Fig.6 Sensitivity of peak parameters to pulp

2.2 不同加载速度下果肉穿刺力学特性分析

如图7所示，Fp为曲线上最大的力，代表断裂力；Dp为从0 mm穿刺深度到Fp对应穿刺深度，代表断裂变形量；Ep为断裂力与断裂变形量的比值，代表断裂斜率；Wp为从0 mm穿刺深度到Fp对应穿刺深度的曲线下面积，代表断裂功；Wt为整个穿刺过程中探头做的总功，代表断裂总功。

图7 载荷-位移曲线Fig.7 Load-displacement curve

如表2所示，对不同品种间穿刺质地参数进行差异性分析，在0.5 mm/s与13 mm/s加载速度下，两品种果肉断裂力差异显著，其他加载速度下差异不显著；在0.5 mm/s加载速度下，两品种果肉断裂变形量差异显著，其他加载速度下差异不显著；两品种断裂斜率在不同加载速度下差异不显著，断裂力、断裂变形量与断裂斜率不能区分两品种苹果。在2、5、13和17 mm/s加载速度下，两品种断裂功差异显著，其他加载速度下差异不显著；在1、13和17 mm/s加载速度下，两品种断裂总功差异显著，其他加载速度下差异不显著。

在穿刺质地参数方面，金冠与富士的差异不显著。对不同加载速度间穿刺质地参数进行差异性分析，对于断裂力，金冠品种0.5与5、0.5与13、1与13、2与5、2与9、2与13、2与17 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著；富士品种0.5与1.5、0.5与5、0.5与9、1与1.5、1与2、1与5、1与9、1.5与13、5与13、9与13 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著。对于断裂变形量，金冠品种各加载速度下差异不显著，富士品种0.5与1.5、0.5与5、0.5与9、0.5与13、0.5与17 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著。对于断裂斜率，金冠品种各加载速度下差异不显著，富士品种0.5与1.5、0.5与2、0.5与5、0.5与9、0.5与17、1与1.5、1与5、1与9、1与17 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著。对于断裂功，金冠品种各加载速度下差异不显著，富士品种0.5与13、0.5与17、9与13加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著。对于断裂总功，金冠品种0.5与1.5、0.5与5、0.5与9、0.5与13、0.5与17、1与5、1与9 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著；富士品种0.5与1.5、0.5与5、0.5与9、1与1.5、1与2、1与5、1与9、1.5与13、5与13、9与13、9与17 mm/s加载速度下差异显著，其他加载速度下差异不显著。

表2 苹果果肉组织穿刺质地结果

分析品种、加载速度对果肉穿刺质地参数的影响，结果如表3所示。品种、加载速度对断裂力Fp、断裂变形量Dp、断裂斜率Ep、断裂功Wp和断裂总功Wt的影响均不显著。

表3 相关性分析结果

3 结论

(1)对峰值参数随加载速度增加产生的变化进行分析，结合对果肉脆度的敏感度评价，可以得出结论。

(2)对不同加载速度下果肉穿刺力学特性进行分析，可以得出结论：品种、加载速度对断裂力Fp、断裂变形量Dp、断裂斜率Ep、断裂功Wp和断裂总功Wt的影响均不显著。