凍藏后沙棘果實的分離力與相關物理特性參數(shù)分析

林鑫章,雷 金,任子超,張 杰,梁炳欽,王炳鵬,王衛(wèi)兵

(石河子大學機械電氣工程學院,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】沙棘(Sea buckthorn,SBT)屬胡頹子科,為落葉灌木,是一種優(yōu)良的水土保持樹種,結(jié)有黃色或橙色漿果,在亞洲和歐洲等均有分布[1]。沙棘果營養(yǎng)價值[2]和藥用價值很高[3],沙棘果實小,不容易形成分離層,果實緊密地簇生在被刺覆蓋的枝條上[4],且沙棘果皮薄而水分多,難以直接采收,通常剪截果枝后冷凍,再進一步脫果加工[5]。研究凍藏后沙棘果的分離力、果皮硬度等物理參數(shù)對優(yōu)化加工過程以及設計脫果機械具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】德國 Kranemann 公司研發(fā)了一種剪枝、冷凍、振動采收一體化的沙棘采收機械[6],馮常建、趙艷杰等[7-8]設計了針對冷凍沙棘枝條果脫果的滾筒篩和預破碎裝置,但這些設備缺少對凍藏后果皮硬度的研究,不能夠有效減少傷果率[9]。D.D.Mann等[10]對沙棘枝脫果的最佳溫度和頻率參數(shù)進行試驗分析。有研究用推拉力計測定了柑橘[11]、枸杞[12]等果實的分離力;彭俊等[13]研究了不同成熟期冬棗果實特征與分離力參數(shù)。此外,也有研究對鮮棗[14]、辣椒[15]等果蔬的果皮硬度、果實跌落硬度等特性參數(shù)進行分析?！颈狙芯壳腥朦c】在果蔬機械化采收和確定相關機械設計參數(shù)等方面,研究果蔬分離力及相關物理參數(shù)是一項重要環(huán)節(jié)[16]。采收后的沙棘果實需要盡快送到加工廠并且冷卻到3～6℃或更低再貯存[17],從而控制微生物繁殖;而對沙棘進行冷凍脫果的溫度通常在-18℃左右[18-19]。沙棘果通常是冷凍剪截果枝后再脫果采收,目前關于不同凍藏溫度下的沙棘果實分離力、果皮硬度的測定和相關物理特性參數(shù)之間關系的研究開展較少,尚需加以測定和研究?！緮M解決的關鍵問題】以深秋紅沙棘果實為研究對象,測定三年生和四年生兩種樹齡的沙棘果實在3和-18℃凍藏溫度下的果實分離力及相關物理特性,分析果實分離力及各物理特性參數(shù)之間的關系,為沙棘果采收、加工和處理等機械裝備的設計制造提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

沙棘品種為深秋紅沙棘,于2021年11月20日采摘于新疆生產(chǎn)建設兵團第九師170團沙棘種植基地,截剪樹齡為三年生和四年生的帶果枝條各10根,樣本果實、果柄和枝條齊全,將不同年生的帶果枝條再分為2組,每組5根帶果枝條,總計4組。將不同樹齡的帶果枝條各取一組放入(BCD-247WTPZM)美的冰箱-18℃冷凍柜,其余兩組放入3℃冷藏柜,凍藏3d。每組樣品枝條和果實進行多次試驗,測定前依次預先放置于PU填充材料保溫箱中,測定時快速取放,以保證試驗溫度條件。

1.2 方 法

1.2.1 果實分離力及物理特性的測定

隨機選擇20個沙棘果樣本測量分離力,采用艾德堡數(shù)顯式推拉力計HP-10,精度0.01 N。施加在果柄上力的方向與通過果蒂的軸線方向的夾角越大,果實的分離力越小[20],測力的拉力方向與果蒂方向相同。沙棘果為傘形總狀花序結(jié)果,果枝上結(jié)果密集且果實皮薄、易破碎,自制果實測力裝置由果實夾持器和推拉力計組成,果實夾持器由一端為U型開口環(huán)的鋼絲、棉繩和鋼絲固定裝置組成。圖1

圖1 果實測力裝置

U型開口環(huán)穿過果柄,套在沙棘果上,縱向拉伸緩慢向下拉動,直至沙棘果與枝條分離時,利用推拉力計峰值功能記錄瞬時力的大小,確保沙棘果的完好。對采摘下的果實用數(shù)顯游標卡尺(量程0～200 mm,精度0.01 mm)測量其橫縱徑和果柄直徑,用電子天平(最大量程1 000 g,分度值0.01 g)測量果實質(zhì)量,共測量80個果實樣本。

1.2.2 果實穿刺

試驗樣品為測定完分離力的80個果實樣本,按不同凍藏溫度不同樹齡分為4組,凍藏3 d。使用英國 Stable Micro Systems 公司生產(chǎn)的 TA.XT plus 質(zhì)構(gòu)儀進行穿刺試驗,穿刺探頭選擇直徑為2 mm的P/2柱形探頭,參考葡萄[21]、石榴[22]設定測前速度為3 mm/s,貫入速度1 mm/s,測后速度5 mm/s,負載觸發(fā)力5 g,樣品穿刺位置為赤道部區(qū)域(果實橫徑區(qū)域),目標模式為應變,將應變設置為50%。采用箱線圖可直觀明了地識別并剔除異常值,比較不同樣本數(shù)據(jù)的波動和分布情況[23]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、SPSS 25.0和Origin 2022分別進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、差異性及相關性分析、作圖。試驗數(shù)據(jù)首先進行箱線圖分析,剔除異常值;齊性測試后,利用方差分析進行差異性顯著分析;分析皮爾遜相關系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙棘果實果皮硬度曲線

研究表明,不同樹齡的沙棘果曲線特性相似。針對三年生樹齡果實,將曲線分為2個階段,第一階段為果皮受力階段(錨1至錨2),第二階段為果皮刺破階段(錨2至錨3)。錨1對應的力值D1為探針接觸果皮所受力,錨2對應的力值D2為果皮破裂載荷(g),錨3對應的力值D3為探針刺破果皮觸及果肉的感應力,錨2對應的力值與探頭橫截面積的比值為果皮硬度(g/mm2),錨3對應點D3與錨2對應點D2的差值為果實跌落硬度(g)。圖2

圖2 3℃凍藏溫度下果實穿刺特性曲線

不同樹齡的沙棘果曲線特性相似。針對三年生樹齡果實,將曲線分為3個階段,第一階段為果皮受力階段(錨1至錨2),第二階段為果皮刺破階段(錨2至錨3),第三階段為果肉受力階段(錨3至錨4),錨4對應時間點為探針穿刺果肉到達應變程度后停止貫穿的時間點。果皮硬度、果實跌落硬度求解過程與上文相同。3℃凍藏溫度下果實內(nèi)部為液態(tài)果汁,果肉受力階段波動不明顯,-18℃凍藏溫度下,果實內(nèi)部為結(jié)晶態(tài)果汁且有一定硬度,錨3過后穿刺感應力隨探頭穿刺果肉深度增加而增加;-18℃凍藏溫度下,果皮破裂時間明顯減少,內(nèi)部結(jié)晶態(tài)果汁使得果皮破裂應變減小。圖3

圖3 -18℃凍藏溫度下果實穿刺特性曲線

2.2 果實分離力及各物理特性

研究表明,比較沙棘果分離力,四年生樹齡的箱體較三年生樹齡的箱體更高。四年生沙棘果分離力的箱體跨度較長,該樹齡下沙棘果分離力波動較大。第三組果實分離力數(shù)據(jù)有1處明顯為異常值為1.003 N,在后續(xù)分析中剔除該異常值。圖4

圖4 果實分離力箱線圖

四組數(shù)據(jù)中位數(shù)線離箱圖中心線較近數(shù)據(jù)分布較均衡,數(shù)據(jù)合理。-18℃凍藏溫度下的箱體較3℃凍藏溫度下的箱體更高。-18℃凍藏溫度下果皮破裂載荷的箱體跨度較長,該條件下沙棘果果皮破裂載荷波動較大。圖5

圖5 果皮破裂載荷箱線圖

四年生樹齡的箱體較三年生樹齡的箱體更高。3℃凍藏溫度下四年生樹齡的果實質(zhì)量的箱體跨度較長,該條件下沙棘果果實質(zhì)量波動較大。第四組果實質(zhì)量數(shù)據(jù)存在兩處異常值,分別為0.70和0.42 g,剔除該異常值。圖6

圖6 果實質(zhì)量箱線圖

3和-18℃兩種不同凍藏溫度下的沙棘果實分離力、果柄直徑、果實橫縱徑、果實質(zhì)量各自之間都無顯著性差異;不同凍藏溫度不同樹齡沙棘果實分離力均值變化范圍為1.09～1.74N,果實分離力隨樹齡增加而增加,不同樹齡間差異顯著;果柄直徑和果實縱橫徑均值變化范圍分別為0.43～0.51、11.49～12.17、6.60～7.65 mm,都隨樹齡增加而增加,不同樹齡間差異顯著;果實質(zhì)量的均值變化范圍為0.35～0.57 g,隨樹齡增加而增加,不同樹齡間差異顯著。不同樹齡間果皮破裂載荷、果皮硬度、果實跌落硬度各自之間都無顯著性差異,果皮破裂載荷和果皮硬度的均值變化范圍分別為110.86～165.25 g和35.30～52.63 g/mm2,隨冷凍溫度降低而增加,不同凍藏溫度間差異顯著;果實跌落硬度的均值變化范圍為58.44～105.66 g,隨冷凍溫度降低而減小,不同凍藏溫度間差異顯著。表1

表1 果實分離力及各物理特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.3 各物理特性相關性

研究表明,沙棘果果實分離力與果柄直徑在0.01水平顯著相關,相關系數(shù)為0.473,呈中度相關關系;沙棘果果實分離力與果實縱徑、果實橫徑、果實質(zhì)量都在0.01水平顯著相關,相關系數(shù)分別為0.446、0.597、0.801,其中果實分離力與果實質(zhì)量強相關;果柄直徑與果實縱徑、果實橫徑、果實質(zhì)量都在0.01水平顯著相關,相關系數(shù)分別為0.53、0.625、0.696;果實縱徑與果實橫徑、果實質(zhì)量都在0.01水平顯著相關,相關系數(shù)分別為0.628和0.657;果實橫徑與果實質(zhì)量在0.01水平顯著相關,相關系數(shù)達到0.849,果實橫徑與果實質(zhì)量強相關。

果實質(zhì)量與果皮破裂載荷、果皮硬度、果實跌落硬度相關性都不強,果實穿刺質(zhì)構(gòu)特性與果實質(zhì)量之間關系不大。果皮硬度由果皮破裂載荷所求,完全相關。果皮硬度與果實跌落硬度呈負相關,相關系數(shù)為-0.462。

果實分離力、果實質(zhì)量、果皮硬度最能體現(xiàn)各項相關參數(shù),同時也是進行機械選擇性收獲時判斷果實品質(zhì)的重要指標。由于沙棘果屬于漿果且結(jié)果密集,果實小、易破碎、水分多,綜合比較果實分離力、果實質(zhì)量、果皮硬度3個指標后,四年生沙棘果在-18℃凍藏溫度下進行脫果采收更為適宜。表2

表2 各物理特性之間的皮爾遜相關系數(shù)

3 討 論

3.1在機械化林果采收過程中,果實分離力是決定收獲效率的重要因素之一,其通常受成熟度、品種等因素影響[24]。研究發(fā)現(xiàn),隨著樹齡增加,沙棘果實分離力、果柄直徑、果實橫縱徑、果實質(zhì)量都顯著增加,而不同凍藏溫度下的上述特性卻無顯著差異。在采收、運輸和貯藏過程中果實的果皮硬度特性都是很重要的指標之一,受諸如品種、采收方法、貯藏方法等因素的影響[25]。研究發(fā)現(xiàn),隨著冷凍溫度降低,沙棘果果皮破裂載荷和果皮硬度都顯著增加,果實跌落硬度顯著減小,而不同樹齡下的上述特性卻無顯著差異。

3.2果實硬度既是評價果實品質(zhì)的一項重要指標,又是在進行機械收獲和貯藏時需要獲得的一個重要參數(shù)[26]。王昕等[27]測定了采收后番茄果實的硬度,研究分析其變化規(guī)律后,建立了一種動力學模型,可預測采摘和貯運過程中番茄品質(zhì)變化。李婷等[28]研究不同品種葡萄的穿刺質(zhì)構(gòu)特性,分析硬度及各質(zhì)地參數(shù)的相關性,得到不同品種葡萄在貯藏過程中品質(zhì)變化趨勢的信息。研究中,分析不同樹齡不同凍藏溫度下沙棘果的果皮硬度特性曲線,不同樹齡間的特性曲線較為相似,3℃凍藏溫度下果實內(nèi)部為液態(tài)果汁,果肉受力階段不明顯,而-18℃凍藏溫度下沙棘果實內(nèi)部為結(jié)晶態(tài)果汁且有一定硬度,導致兩者間的果皮硬度、果皮破裂力、果皮破裂時間、跌落硬度有較大差異。

3.3在針對沙棘果機械脫果采收時,一般需要果實分離力和果實跌落硬度盡可能小,果實質(zhì)量盡可能大,果皮硬度盡可能高。影響果實品質(zhì)的因素不僅僅是凍藏溫度和果實樹齡,還需要進一步研究不同品種、不同貯藏時間與沙棘果實品質(zhì)及生物物理特性之間的關系。

4 結(jié) 論

4.1對新疆深秋紅沙棘果進行-18℃低溫凍藏后,可顯著提高沙棘果的果皮硬度且降低沙棘果跌落硬度,其果皮硬度可達到52.63 g/mm2,跌落硬度可達到58.44 g,沙棘果在低溫凍藏后可顯著降低脫果采收時的傷果率。

4.2果實分離力、果實質(zhì)量、果皮硬度是進行機械選擇性收獲時判斷果實品質(zhì)的重要指標。果實分離力和果實質(zhì)量隨樹齡增加而增加,果皮硬度隨凍藏溫度降低而增加;果實分離力、果實質(zhì)量與凍藏溫度相關性不強,果皮硬度與樹齡相關性不強。