蘋果果肉和果核穿刺力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)分析

關(guān)鍵詞：蘋果；果肉；果核；穿刺力學(xué)試驗(yàn)；微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：S661.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003—8981（2024）03—0170—07

蘋果營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，耐貯性好[1]，且我國(guó)蘋果種質(zhì)資源豐富，種植面積及產(chǎn)量均居世界首位[2-3]，但蘋果在運(yùn)輸、貯藏等環(huán)節(jié)中會(huì)承受多種載荷形式的作用，造成果實(shí)擠壓、果肉破裂，形成損傷[4-5]，加速了微生物對(duì)果實(shí)的侵害，嚴(yán)重影響蘋果的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益。穿刺力學(xué)試驗(yàn)可檢驗(yàn)蘋果果實(shí)的堅(jiān)實(shí)度，表征蘋果組織的致密程度[6-8]，推測(cè)蘋果果實(shí)組織抵抗破壞的能力[9]，為蘋果的采收、貯藏和加工運(yùn)輸?shù)难b備設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多次利用穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)研究了蘋果果實(shí)的質(zhì)地特性，但觀測(cè)的特性參數(shù)各不相同。蘋果果皮作為果實(shí)最外層的組成部分，其穿刺力學(xué)特性對(duì)整果穿刺力學(xué)研究具有重要意義[10-12]。Brennan[13] 對(duì)蘋果果皮及淺表層果肉的穿刺試驗(yàn)表明，穿刺的最大力可表征蘋果的質(zhì)地特性。蔣冰瑤等[14] 采用質(zhì)構(gòu)儀，選用10 個(gè)加載速度對(duì)蘋果果皮向陽(yáng)面與向陰面進(jìn)行穿刺力學(xué)特性試驗(yàn)，試驗(yàn)表明相同加載速度下不同果面果皮的穿刺強(qiáng)度存在極顯著差異（P ＜ 0.01）；不同品種果皮穿刺強(qiáng)度存在差異，且果皮穿刺強(qiáng)度與穿刺部位、加載速度呈極顯著差異（P ＜ 0.01）。馮慧敏等[15] 制取了不同形態(tài)的蘋果果肉試樣，運(yùn)用不同的加載速度進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，研究表明試樣的形狀、尺寸、加載速度均會(huì)影響蘋果果肉的力學(xué)特性。侯聚敏[16] 采用相同加載速度對(duì)不同品種蘋果果實(shí)進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，試驗(yàn)表明不同品種果實(shí)穿刺力學(xué)特性存在差異。蔣冰瑤等[17] 采用P2 探頭對(duì)不同品種蘋果果皮及果肉進(jìn)行穿刺力學(xué)特性研究，得到不同品種果肉脆度的敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)隨著加載速度的變化而變化。

許多研究表明果實(shí)品質(zhì)差異與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。采用顯微鏡技術(shù)對(duì)果實(shí)組織進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致果實(shí)穿刺力學(xué)特性差異的原因。楊興勝[18] 通過創(chuàng)建蘋果片干燥的宏觀和微觀模型，獲得不同條件下蘋果片組織的干燥特性。侯聚敏等[16] 用激光共聚焦顯微鏡對(duì)果肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)不同品種蘋果果肉質(zhì)地存在差異。范獻(xiàn)光[19] 運(yùn)用掃描電鏡對(duì)不同品種蘋果果肉的細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育各時(shí)期果肉細(xì)胞壁組分含量的變化，并從細(xì)胞學(xué)角度為蘋果品質(zhì)評(píng)價(jià)提供了參考。Wang 等[20-21] 對(duì)新鮮和貯藏期間蘋果果皮微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，研究了不同品種蘋果果皮力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。王海鷗等[22]以凍干蘋果片為研究對(duì)象，分析多元糖濃度對(duì)凍干蘋果片微觀結(jié)構(gòu)的影響。綜上可知，蘋果穿刺的破裂力、斷裂功等參數(shù)可用于評(píng)估蘋果的質(zhì)地，而且可從組織微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步獲得解釋。

‘丹霞’蘋果是從金冠實(shí)生苗中選出，果實(shí)風(fēng)味獨(dú)特、香味較濃，果肉乳白色，肉質(zhì)細(xì)及脆，與‘紅富士’相比具有果枝結(jié)果能力強(qiáng)、成花容易、抗逆性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，果實(shí)耐貯藏后無(wú)皺皮現(xiàn)象。本研究使用質(zhì)構(gòu)儀TA. XT plus 測(cè)量不同加載速度下‘丹霞’和‘紅富士’蘋果的果肉及果核的穿刺力學(xué)特性數(shù)據(jù)，探討加載速度對(duì)穿刺力學(xué)特性參數(shù)的影響。結(jié)合蘋果果肉和果核微觀結(jié)構(gòu)的觀測(cè)，分析其穿刺力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，研究果肉和果核組織對(duì)果實(shí)質(zhì)地的影響，為蘋果的運(yùn)輸及貯藏提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2023年10月，從山西農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹研究所果園10 年生果樹上采集形狀、大小、結(jié)果位置基本一致，且無(wú)病蟲害的‘紅富士’‘丹霞’果實(shí)[23]。

1.2 試樣制作

沿縱徑將蘋果切成兩半，采用直徑為10 mm的圓筒形模具在果實(shí)赤道處進(jìn)行取樣，每半取樣2 次。選取兩片鋒利的刀片，互相平行、間隔10 mm，對(duì)樣品進(jìn)行切割，獲得高度為10 mm、直徑為10 mm 的圓柱形試樣?？拷じ浇訛楣庠嚇樱拷N子附近取樣為果核試樣[24]。

1.3 試驗(yàn)儀器及方法

利用電子秤（花潮高科，HC311）測(cè)量單果質(zhì)量，使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺（東莞三量量具有限公司，530-101）測(cè)量橫徑與縱徑，皮尺測(cè)量果實(shí)赤道處周長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果均保留一位小數(shù)。采用質(zhì)構(gòu)儀TA. XT plus 對(duì)試樣進(jìn)行穿刺力學(xué)試驗(yàn)，得到果肉和果核的力學(xué)特性參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)選用P5 探頭，測(cè)前速度3.00 mm/s，測(cè)后速度3.00 mm/s[25]，加載速度分別選取0.01、0.10、1.00、5.00、9.00、13.00 mm/s，試驗(yàn)的穿刺深度為5 mm，每個(gè)速度選取10 個(gè)試樣進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

因蘋果果肉穿刺載荷- 位移曲線與果核的相似，選取蘋果果核穿刺載荷- 位移曲線（圖1），對(duì)果肉、果核穿刺力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下幾個(gè)參數(shù)：F 為曲線上最大的力，代表斷裂力，表征果肉、果核承受外力的能力；D 為從0 mm 穿刺深度到Fp 對(duì)應(yīng)穿刺深度，代表斷裂變形量，代表果肉、果核從開始受力至發(fā)生斷裂的過程中探頭產(chǎn)生的位移量；E 為斷裂力與斷裂變形量的比值，代表斷裂斜率；W 為從0 mm 穿刺深度到F 對(duì)應(yīng)穿刺深度的曲線下面積，代表斷裂功；W 為整個(gè)穿刺過程中探頭做的總功，代表斷裂總功。

1.4 蘋果果肉和果核微觀結(jié)構(gòu)觀察

用刀片在制好的圓柱形試樣上切出盡可能薄的圓片形果肉組織[26]，將其浸泡在濃度為5% 的剛果紅染色劑中20 min，變色后取出，在去離子水中洗凈表面染料，放置在載玻片上，吸取多余水分后蓋好蓋玻片，置于激光共聚焦顯微鏡觀察微觀結(jié)構(gòu)，選用488 nm 氬離子激光照射激發(fā)熒光，觀察時(shí)間不超過5 min，避免組織失水卷曲對(duì)結(jié)果造成影響[27]。每個(gè)品種選取10 個(gè)果實(shí)，每個(gè)果實(shí)分別取10 個(gè)果肉圓片和果核圓片組織[28]。

1.5 數(shù)據(jù)與圖像處理

應(yīng)用Origin2017軟件對(duì)穿刺力學(xué)參數(shù)進(jìn)行載荷- 位移曲線繪制。應(yīng)用SAS 軟件對(duì)果肉力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行差異性分析，對(duì)力學(xué)特性與加載速度進(jìn)行線性擬合，對(duì)果肉組織的歐式幾何學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行差異性分析，取95% 的置信區(qū)間[29]。應(yīng)用Image J 軟件處理細(xì)胞圖像與測(cè)量幾何參數(shù)[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種果實(shí)測(cè)量值

經(jīng)測(cè)量，‘丹霞’和‘紅富士’果實(shí)的平均質(zhì)量分別為（154.5±14.2）g、（197.3±28.5）g，橫徑分別為（67.6±3.9）mm、（76.3±4.8）mm，縱徑分別為（61.4±4.5）mm、（61.8±5.3）mm，赤道處周長(zhǎng)分別為（223.4±6.8）mm、（250.2±11.9）mm。

2.2 蘋果果肉穿刺力學(xué)特性分析

由表1 可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著加載速度的增大，同一品種果肉穿刺特性的各指標(biāo)值在增至極限值的過程中出現(xiàn)2 個(gè)及以上峰值，具有波動(dòng)性。‘丹霞’蘋果果肉斷裂總功基本上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；‘丹霞’果肉的斷裂力、斷裂斜率、斷裂功在0.10 mm/s 加載速度下為最小值，斷裂變形量和斷裂總功在0.01 mm/s 加載速度下為最小值，斷裂力、斷裂功和斷裂總功在9.00 mm/s或13.00 mm/s 加載速度下為最大值； 除了斷裂斜率的最大值和最小值存在顯著性差異外（P ≤ 0.05），其他差異均不顯著?！t富士’果肉的斷裂變形量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而斷裂總功呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)；‘紅富士’的果肉斷裂力、斷裂總功在1.00 mm/s 加載速度下為最小值，在9.00 mm/s 加載速度下為最大值；斷裂斜率在1.00 mm/s 加載速度下為最小值，在13.00 mm/s 加載速度下為最大值；斷裂變形量和斷裂功分別在0.10、0.01 mm/s 加載速度下為最大值，在13.00 mm/s 加載速度下為最小值；除了斷裂斜率和斷裂功的最大值和最小值存在顯著性差異外（P ≤ 0.05），其他差異均不顯著。馮慧敏等[15] 研究表明不同加載速度對(duì)蘋果果肉穿刺的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能的影響不同。

對(duì)比不同品種蘋果果肉穿刺力學(xué)特性（表1），在相同加載速度下，‘丹霞’果肉的斷裂力均小于‘紅富士’果肉，兩者之間差異不顯著，表明‘丹霞’果肉組織在較小斷裂力下就會(huì)發(fā)生斷裂。從穿刺試驗(yàn)開始到蘋果果肉組織發(fā)生斷裂，相同加載速度下，‘紅富士’果肉斷裂變形量較大，但兩個(gè)品種果肉的斷裂變形量無(wú)顯著性差異。對(duì)斷裂變形量和斷裂力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種蘋果果肉在受到穿刺發(fā)生斷裂時(shí)，探頭對(duì)其產(chǎn)生了不同的斷裂力。兩個(gè)品種蘋果的果肉組織斷裂斜率及斷裂總功在品種間無(wú)顯著性差異。對(duì)斷裂功進(jìn)行分析，不同品種間蘋果果肉的斷裂功存在顯著性差異，‘紅富士’果肉的穿刺斷裂功大于‘丹霞’果肉，‘丹霞’果肉比‘紅富士’果肉更容易到達(dá)斷裂點(diǎn)。賈朝爽等[31] 在相同加載速度下對(duì)蘋果果實(shí)去皮后進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)不同品種果實(shí)的破裂力、破裂功等各不相同。

2.3 蘋果果核穿刺力學(xué)特性分析

分析不同加載速度下同一品種蘋果果核組織穿刺試驗(yàn)結(jié)果，由表2 可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨著加載速度的增大，蘋果果核斷裂力、斷裂變形量、斷裂斜率、斷裂功、斷裂總功在增至極限值的過程中也出現(xiàn)2 個(gè)及以上峰值，具有波動(dòng)性?！は肌O果果核的斷裂力和斷裂功在13.00 mm/s 加載速度下為最大值；‘紅富士’果核斷裂力、斷裂斜率、斷裂功、斷裂總功基本上在1.00 mm/s 加載速度下為最小值，斷裂力、斷裂斜率、斷裂功在9.00 mm/s 加載速度下為最大值。兩個(gè)品種果核的斷裂力、斷裂變形量和斷裂斜率的最大值和最小值均存在顯著性差異（P ≤ 0.05）。

同時(shí)，在同一加載速度下，不同品種蘋果果核穿刺力學(xué)特性參數(shù)變化規(guī)律與蘋果果肉相似（表2）?！は肌说臄嗔蚜∮凇t富士’果核，表明‘丹霞’果核組織在較小斷裂力下會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象，兩者之間差異不顯著。從穿刺試驗(yàn)開始到蘋果果核組織發(fā)生斷裂，相同加載速度下兩個(gè)品種果核的斷裂變形量無(wú)顯著性差異。對(duì)斷裂變形量和斷裂力進(jìn)行分析，可知兩個(gè)品種果核在受到相同位移穿刺量發(fā)生斷裂時(shí)，探頭對(duì)其產(chǎn)生了不同的斷裂力。兩個(gè)品種之間果核組織斷裂斜率及斷裂總功在不同加載速度間無(wú)顯著性差異。不同品種間果核的斷裂功存在顯著性差異（P ≤ 0.05），‘紅富士’果核的穿刺斷裂功大于‘丹霞’果核，因此能夠用于區(qū)分不同品種的蘋果?！は肌吮取t富士’果核更容易到達(dá)斷裂點(diǎn)。

2.4 蘋果果肉和果核組織形態(tài)分析

通過激光共聚焦顯微鏡觀察蘋果果肉和果核組織。由圖2 可知，蘋果果肉組織細(xì)胞由細(xì)胞壁進(jìn)行連接，其中混雜著不規(guī)則的多邊形區(qū)域。‘紅富士’品種果肉細(xì)胞多為橢圓形，一端較尖銳，細(xì)胞連接較為緊密；‘丹霞’品種果肉細(xì)胞圓形率較大，細(xì)胞連接距離也較長(zhǎng)。兩個(gè)品種蘋果組織細(xì)胞連接方式不同?！t富士’和‘丹霞’果肉細(xì)胞的圓形率分別為（0.11±0.01）和（0.17±0.08）。由圖2 可知，‘紅富士’品種果核細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，細(xì)胞間連接部分較長(zhǎng)；‘丹霞’品種果核細(xì)胞兩端較為尖銳，這樣的形狀增強(qiáng)了細(xì)胞間的結(jié)合，使得果核質(zhì)地緊密。‘紅富士’和‘丹霞’果核孔隙的圓形率分別為（1.94±0.26）和（2.87±0.26）。綜上分析可知，‘紅富士’與‘丹霞’品種果肉、果核細(xì)胞擁有不同的組織特征，因此也呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。在相同的試樣體積下，細(xì)胞數(shù)量越少，組織結(jié)構(gòu)越為稀松?！は肌M織細(xì)胞及孔隙都更接近圓形，這表明‘丹霞’組織細(xì)胞間連接較少，果肉及果核較‘紅富士’品種質(zhì)地脆弱，抵抗外力破壞的能力更弱。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

穿刺力學(xué)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)蘋果質(zhì)地時(shí)的一種常用分析方法，但其反映的參數(shù)有限，且整果穿刺與切分試樣穿刺的結(jié)果具有一定差異[32]，需要進(jìn)一步結(jié)合其他的分析方法。采用剪切、壓痕等更多的試驗(yàn)手段，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取更多可利用的參數(shù)，建立與微觀結(jié)構(gòu)更為緊密的聯(lián)系，進(jìn)行輔助分析[33]，達(dá)到穿刺力學(xué)特性的充分分析。

3.2 結(jié)論

1）隨著加載速度的增大，同一品種果肉穿刺特性的各指標(biāo)值在增至極限值的過程中出現(xiàn)2個(gè)及以上峰值，具有波動(dòng)性；‘丹霞’蘋果果肉斷裂總功基本上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，斷裂斜率的最大值和最小值存在顯著性差異（P ≤ 0.05）；‘紅富士’果肉的斷裂變形量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而斷裂總功呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，斷裂斜率和斷裂功的最大值和最小值存在顯著性差異（P ≤ 0.05）。

2）在相同加載速度下，‘丹霞’果肉的斷裂力及變形量均小于‘紅富士’果肉，斷裂斜率及斷裂總功在品種間無(wú)顯著性差異，‘紅富士’果肉的斷裂功顯著大于‘丹霞’（P ≤ 0.05）。果核穿刺力學(xué)特性參數(shù)變化規(guī)律與果肉相似；‘丹霞’果肉和果核都比‘紅富士’更容易到達(dá)斷裂點(diǎn)，容易受到穿刺和斷裂損傷。

3）‘丹霞’果肉和果核組織孔隙較大，更利于細(xì)胞液在組織內(nèi)的流動(dòng)。與‘紅富士’相比，‘丹霞’果內(nèi)和果核的組織形態(tài)減弱了其穿刺力學(xué)特性。