基于穿刺力學試驗的蘋果果肉質(zhì)地評價

蔣冰瑤，王菊霞，李 濤，陳 濤

(山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院，山西 太谷 030800)

0 引言

蘋果是我國產(chǎn)量第一的水果，果實營養(yǎng)豐富，采用質(zhì)構(gòu)儀對蘋果進行穿刺，可得到組織抵抗剪切和破壞的能力評價[1-3]。馮慧敏等[4]將蘋果制成大小不同的試樣，選取不同加載速度進行穿刺試驗，結(jié)果表明，果肉的各力學特性會隨著加載速度的增加而增大，整果試樣的穩(wěn)定性優(yōu)于切塊試樣。杜昕美等[5]采用剪切法、穿刺法及TPA壓縮法對5個品種的蘋果質(zhì)構(gòu)特性進行了測試，選取帶皮穿刺與去皮穿刺兩種方式，得到果實的硬度及穿刺模量數(shù)值，結(jié)果表明，帶皮穿刺試驗所得各項數(shù)據(jù)都要顯著高于去皮穿刺。

對于蘋果脆度的評價多來自于TPA壓縮試驗，取第1次擠壓時的破裂力作為脆度，但并不是每個樣本都會出現(xiàn)破裂峰，對蘋果脆度的評價需要引入其他指標[6]。余麗娟等[7]采用二階微分法和峰值法對香梨脆度進行了評價，結(jié)合果肉可溶性固形物與含水率參數(shù)進行分析，結(jié)果表明，峰值法可應(yīng)用于香梨脆度評價，與香梨各項物性參數(shù)結(jié)合較好。采用峰值法對金冠蘋果果肉穿刺力學數(shù)據(jù)進行處理，分析是否適用于脆度評價，采用不同加載速度進行果肉脆度評價方法評估，分析不同加載速度下果肉脆度的變化，為完善蘋果品質(zhì)評估體系提供數(shù)據(jù)支持[8-9]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用2019年10月采摘于山西省農(nóng)科院果樹研究所的金冠、富士蘋果，選用形狀規(guī)則、無病蟲害且表面無損的果實，于山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)工程學院農(nóng)業(yè)生物力學實驗室進行試驗[10]。采用電子天平測量質(zhì)量，電子游標卡尺測量縱徑與橫徑，皮尺測量果實赤道處周長。蘋果的單果質(zhì)量、尺寸參數(shù)如表1所示[11]。

表1 蘋果單果質(zhì)量及尺寸參數(shù)

1.2 穿刺試驗儀器與方法

對蘋果果肉、果核進行穿刺力學試驗，縱向?qū)⒐麑嵡袨閮砂耄N子附近的是果核，果皮附近的是果肉[12]。將半個果實果皮朝下放置在平整的操作板上，使用直徑為10 mm的圓筒形取樣工具，沿橫向取果肉試樣，使用刀片對試樣進行處理，得到高10 mm、直徑10 mm，兩端光滑平整的圓柱體試樣[13]。

試驗儀器選用Stable Micro Systems公司生產(chǎn)TA.XT plus型質(zhì)構(gòu)儀[14]。采用P2針狀探頭(直徑2 mm)，測前速度5 mm/s，測后速度5 mm/s，最小感知力5 g，穿刺距離5 mm，分別選用0.5、1.0、1.5、2.0、5.0、9.0、13.0和17.0 mm/s共8個加載速度，每個速度下取10個試樣進行重復試驗[15]。

1.3 掃描電鏡觀察試驗儀器與方法

對果肉進行微觀結(jié)構(gòu)觀察，分析不同品種間脆度差異的原因。取樣時參照穿刺力學試驗的取樣方法，得到圓柱體試樣，將試樣切片，每個試樣取5～6個樣品，同一品種取5個試樣進行固定[16]。將樣品放入4%戊二醛固定液(pH=6.8)中固定，固定時間2 h以上，用緩沖液洗滌4次，每次10 min，采用不同濃度(30%、50%、70%、80%和90%)的乙醇溶液進行逐級脫水，每次10 min，采用100%的乙醇溶液進行脫水，共3次，每次30 min[17]。采用叔丁醇進行置換，時間為15 min，JEOL JFD-320冷凍干燥，采用導電膠帶將干燥后的材料粘在樣品臺上，用JEOL JFC-1600型離子濺射鍍膜儀噴鍍鉑金，采用JEOL JEM-6490 LV型掃描電子顯微鏡對噴鍍好的材料進行觀察[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin2017進行載荷-位移曲線繪制與基礎(chǔ)峰值參數(shù)的提取，采用SPSS13.0軟件對試驗結(jié)果進行方差分析及相關(guān)性分析，取95%的置信區(qū)間[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 果肉穿刺載荷-位移曲線峰值分析

2.1.1 穿刺載荷-位移曲線

對圖1所示的載荷-位移曲線圖進行劃分，選取中間2/3處進行分析，即1.6～4.6 mm穿刺深度。通過Origin2017提取區(qū)間內(nèi)基礎(chǔ)峰值參數(shù)：曲線下面積S、總峰數(shù)n、曲線相鄰兩點間力差ΔFs、曲線相鄰兩點間位移差Δl、力降代數(shù)和ΣΔF、力降絕對值的代數(shù)和Σ|ΔF|、平均穿刺力Fcr、平均峰值力Fmean及最大峰值力Fmax[20]。

圖1 載荷-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve

其他峰值參數(shù)的計算如下。

(1)Heidenreich峰值指數(shù)[21]。

(1)

(2)

(3)

(2)Arimi峰值指數(shù)[22]。

(4)

(3)Ktenioudaki峰值指數(shù)[23]。

(5)

(6)

2.1.2 不同加載速度載荷-位移曲線特征

由圖2a可知，在0.5～5.0 mm/s速度區(qū)間內(nèi)，金冠果肉載荷-位移曲線力峰數(shù)量少、力峰尖細，各基礎(chǔ)峰值參數(shù)中，總峰數(shù)偏小，最大峰值力Fmax、平均峰值力Fmean、平均穿刺力Fcr都偏大，力降絕對值的代數(shù)和Σ|ΔF|偏大，果肉較脆；在5～17 mm/s速度區(qū)間內(nèi)，曲線趨近平滑，F(xiàn)max、Fmean、Fcr都偏小，Σ|ΔF|偏小，果肉脆度較低。由圖2b可知，在0.5～2.0 mm/s速度區(qū)間內(nèi)，富士果肉載荷-位移曲線力峰數(shù)量多、力峰尖細，總峰數(shù)偏多，波幅較小，變化頻率高Fmax、Fmean、Fcr都偏大，果肉較脆；在2～17 mm/s速度區(qū)間內(nèi)，曲線接近平滑，F(xiàn)max、Fmean、Fcr都偏小，Σ|ΔF|偏小，果肉脆度較低。果肉載荷-位移曲線圖可以反映果肉脆度的變化，采用峰值參數(shù)表征果肉脆度是可行的[24]。

圖2 速度載荷-位移曲線Fig.2 Speed load-displacement curve

2.1.3 不同品種蘋果果肉微觀結(jié)構(gòu)

由圖3、圖4可知，富士果肉細胞大而飽滿、細胞壁清晰完整、細胞間隙較小，細胞壁強度高，果肉脆度高；金冠果肉細胞較小、細胞壁模糊、細胞間隙較大，結(jié)構(gòu)不完整，果肉脆度較低。

2.1.4 峰值參數(shù)脆度評價敏感度

對峰值參數(shù)脆度評價敏感度分析計算公式為：

(7)

圖3 富士果肉微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of Fuji varieties

式中P——脆度敏感度

S17——加載速度為17 mm/s時果肉載荷-位移曲線參數(shù)均值

S0.5——加載速度為0.5 mm/s時果肉載荷-位移曲線參數(shù)均值[25]

2.1.5 峰值參數(shù)隨加載速度產(chǎn)生的變化

圖5 峰值參數(shù)變化趨勢Fig.5 Peak parameter change trend graph

2.1.6 峰值參數(shù)隨加載速度變化的敏感度

圖6 峰值參數(shù)對果肉的敏感度Fig.6 Sensitivity of peak parameters to pulp

2.2 不同加載速度下果肉穿刺力學特性分析

如圖7所示，F(xiàn)p為曲線上最大的力，代表斷裂力；Dp為從0 mm穿刺深度到Fp對應(yīng)穿刺深度，代表斷裂變形量；Ep為斷裂力與斷裂變形量的比值，代表斷裂斜率；Wp為從0 mm穿刺深度到Fp對應(yīng)穿刺深度的曲線下面積，代表斷裂功；Wt為整個穿刺過程中探頭做的總功，代表斷裂總功。

圖7 載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve

如表2所示，對不同品種間穿刺質(zhì)地參數(shù)進行差異性分析，在0.5 mm/s與13 mm/s加載速度下，兩品種果肉斷裂力差異顯著，其他加載速度下差異不顯著；在0.5 mm/s加載速度下，兩品種果肉斷裂變形量差異顯著，其他加載速度下差異不顯著；兩品種斷裂斜率在不同加載速度下差異不顯著，斷裂力、斷裂變形量與斷裂斜率不能區(qū)分兩品種蘋果。在2、5、13和17 mm/s加載速度下，兩品種斷裂功差異顯著，其他加載速度下差異不顯著；在1、13和17 mm/s加載速度下，兩品種斷裂總功差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。

在穿刺質(zhì)地參數(shù)方面，金冠與富士的差異不顯著。對不同加載速度間穿刺質(zhì)地參數(shù)進行差異性分析，對于斷裂力，金冠品種0.5與5、0.5與13、1與13、2與5、2與9、2與13、2與17 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著；富士品種0.5與1.5、0.5與5、0.5與9、1與1.5、1與2、1與5、1與9、1.5與13、5與13、9與13 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。對于斷裂變形量，金冠品種各加載速度下差異不顯著，富士品種0.5與1.5、0.5與5、0.5與9、0.5與13、0.5與17 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。對于斷裂斜率，金冠品種各加載速度下差異不顯著，富士品種0.5與1.5、0.5與2、0.5與5、0.5與9、0.5與17、1與1.5、1與5、1與9、1與17 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。對于斷裂功，金冠品種各加載速度下差異不顯著，富士品種0.5與13、0.5與17、9與13加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。對于斷裂總功，金冠品種0.5與1.5、0.5與5、0.5與9、0.5與13、0.5與17、1與5、1與9 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著；富士品種0.5與1.5、0.5與5、0.5與9、1與1.5、1與2、1與5、1與9、1.5與13、5與13、9與13、9與17 mm/s加載速度下差異顯著，其他加載速度下差異不顯著。

表2 蘋果果肉組織穿刺質(zhì)地結(jié)果

分析品種、加載速度對果肉穿刺質(zhì)地參數(shù)的影響，結(jié)果如表3所示。品種、加載速度對斷裂力Fp、斷裂變形量Dp、斷裂斜率Ep、斷裂功Wp和斷裂總功Wt的影響均不顯著。

表3 相關(guān)性分析結(jié)果

3 結(jié)論

(1)對峰值參數(shù)隨加載速度增加產(chǎn)生的變化進行分析，結(jié)合對果肉脆度的敏感度評價，可以得出結(jié)論。

(2)對不同加載速度下果肉穿刺力學特性進行分析，可以得出結(jié)論：品種、加載速度對斷裂力Fp、斷裂變形量Dp、斷裂斜率Ep、斷裂功Wp和斷裂總功Wt的影響均不顯著。