基于穿刺測試和TPA法的板栗果實質地分析

何秀娟，仝 鑄，肖 翠，王澤瓊，徐育海，孫中海，邱文明

（湖北省農業科學院果樹茶葉研究所，果樹種質創新與利用湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430064）

板栗（Castanea mollissimaBlume）屬殼斗科（Fagaceae）栗屬（Castanea）植物，兼具生態價值和經濟價值，是世界著名干果樹種[1]。我國板栗栽培歷史悠久，品種類型豐富，分布范圍極廣，涵蓋24個省（自治區、直轄市）[2]。板栗果實為藥食兩用食品，可鮮食和加工，深受消費者的喜愛，是我國部分山村經濟的重要支柱產業之一，但板栗生產中普遍存在種植品種混雜、良莠不齊、管理粗放等問題，造成果實品質不穩定，影響板栗生產效益的提升及產業鏈的發展。傳統的板栗栽培和育種目標多側重于豐產性，近年來逐步聚焦于果實品質的提升。目前對板栗果實品質的了解還不夠全面，采用的品質特性評價方法主要有鮮果化學品質分析和熟食感官測評[3]。果實品質分析主要依賴于傳統的化學檢驗方法，需要進行樣品制備等一系列流程，操作較為復雜，檢測效率較低[4]。

質地是園藝產品重要的感官品質之一，近幾年越來越受到國內外科研工作者的關注[5]，是部分園藝作物重要的育種目標和果實采收指標[6]，并被作為品質分級指標[7]。采用質構儀進行果實質地檢測可以得到豐富的特征參數，具有客觀、易操作等優點，已廣泛應用于多個領域的研究[8-11]。穿刺測試和質地多面分析（Texture profile analysis，TPA）是兩種常用的質地檢測方法，其中，穿刺試驗可以對一個完整的果實進行流變學特性分析，TPA法是通過對樣品進行兩次機械壓縮模擬牙齒咀嚼得到相關的質地參數。本研究以16 個表型差異明顯的板栗品種鮮果為試材，采用穿刺測試和TPA 分析兩種方法進行質地檢測，分析各參數之間的相關性，并通過主成分分析和聚類分析方法對板栗果實質地進行綜合評價，以豐富板栗果實品質評價內容，為板栗鮮食品質鑒定、加工利用和品種選優提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

1.1.1 試驗材料

供試的16個品種板栗果實采自湖北、河北、遼寧、廣西、云南和福建等地，產地和品種群信息[2]詳見表1。依據各品種成熟期，選擇果實完全成熟時進行采摘，果實采后充分散熱降溫，及時運至實驗室，挑選大小均一、無病蟲害、無機械損傷的鮮果進行相關指標的測定。

表1 供試板栗樣品信息Table 1 Sample information of test chestnut

1.1.2 儀器與設備

SQP型電子天平，北京賽多利斯科學儀器有限公司；游標卡尺，上海工具廠有限公司；TA.XT plus型物性測試儀，英國Stable Micro Systems公司。

1.2 方法

1.2.1 板栗果實表型性狀測定

根據LY/T 1851—2009《植物新品種特異性、一致性、穩定性測試指南 板栗》[12]，每個板栗品種隨機選取30個邊果，調查記錄果實的表型性狀。

使用電子天平測量單果質量；使用游標卡尺測量果實最大橫徑處的寬度為果實橫徑，果頂至果實底部的高度為果實縱徑；果形指數為堅果橫徑與縱徑的比值[13]。

1.2.2 板栗果實質地分析

使用物性測試儀對板栗果實進行整果穿刺測試和TPA分析，兩種分析方法各測定30個邊果。

穿刺質地分析：取單個板栗邊果栗仁置于測試平板，在果實赤道處進行試驗，采用直徑2 mm 的P2圓柱形探頭，觸發力5 g，穿刺速度1 mm/s，穿刺距離6 mm，提升速度10.0 mm/s。板栗果實穿刺試驗質地特征曲線如圖1 所示，探頭運行時先接觸到果面，隨著穿刺深度的增加，探頭受力增加，達到最大值時，果面破裂受力下降，之后感應栗仁內部果肉穿刺的力值變化。根據板栗果實特征質地曲線和其他果實穿刺檢測的報道，對表征栗仁質地狀況的參數進行定義，以第一峰的力值為果面硬度（g）；錨3和錨4之間的平均力值為果肉平均硬度（g）；探針接觸果面到刺破時的距離為果面韌性（mm）[14]；第一峰的力值與運行距離的比值為果面脆性（g·s-1）[15]；果肉脆性定義為穿刺曲線的錨2 和錨4 之間的線性距離（g·s）[6]；緊實度（g·s）為錨5和錨6之間的面積[16]。

圖1 板栗果實穿刺試驗質地特征曲線Fig.1 The typical curve of puncture test of chestnut kernel

TPA 質地分析：取果實赤道處的栗仁材料，用直徑為1.2 cm的打孔器在栗仁上打孔，將柱狀果肉高度修飾為1.0 cm，每個果實取樣1個柱狀體。將切好的栗仁樣品置于物性分析儀測試平板上，選擇TA/100壓盤探頭，測前速度5 mm/s，測試速度1 mm/s，測后上行速度5 mm/s，目標值3 mm，2次壓縮停頓時間為5 s，觸發力為5.0 g。板栗果實TPA 質地特征曲線如圖2所示。TPA 參數定義參考Bianchi 等[17]和馬媛媛等[18]的方法，由質地特征曲線經物性分析儀軟件計算得到板栗果實TPA質地參數（硬度、黏附性、彈性、內聚性、膠黏性、咀嚼性和回復性）。

圖2 板栗果實TPA質地特征曲線Fig.2 The typical TPA curve of texture character of chestnut kernel

1.2.3 數據處理

采用Excel軟件進行數據統計，采用SPSS 21.0軟件進行顯著性、相關性和主成分分析，Origin 2022 軟件進行聚類分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 板栗不同品種果實表型性狀比較

16個品種板栗果實表型性狀測量結果見表2，各指標均存在差異，其中單果質量變異系數最大，為33.19%，果形指數變異系數最小，為11.05%。金華丹東栗單果質量最大，達到21.47 g，顯著高于其他品種（P＜0.05）；神農架板栗單果質量最小，僅為4.50 g，顯著低于其他品種（P＜0.05）。根據LY/T 1851—2009《植物新品種特異性、一致性、穩定性測試指南 板栗》[12]中堅果大小分級標準，供試16 個板栗品種中有6 個品種單果質量介于15～25 g，為大果；6個品種單果質量介于10～15 g，為中果；4個品種單果質量在10 g以下，為小果。

表2 不同品種板栗堅果表型性狀Table 2 Phenotype traits of different varieties of chestnut nuts

參試品種板栗果實橫徑范圍為2.41～4.50 cm，縱徑范圍為2.03～3.73 cm，其中金華丹東栗果實橫徑和縱徑最大，分別為4.50 cm 和3.73 cm，均顯著高于其他品種（P＜0.05）；錐栗果實橫徑最小，僅為2.41 cm，神農架板栗果實縱徑最小，為2.03 cm。參試品種果形指數為0.81～1.34，有5 個品種果形指數≥1.3，8 個品種介于1.2（含）～1.3，2 個品種介于1.0（含）～1.2，僅錐栗果形指數＜1.0，顯著低于其他品種（P＜0.05）。

2.2 不同品種板栗果實穿刺試驗質地參數分析

由表3 可知，6 項穿刺質地指標（果面硬度、果肉平均硬度、果面韌性、果面脆性、果肉脆性和緊實度）在16 個板栗品種間存在差異，果面脆性和緊實度變異程度較大，分別為19.84%和21.80%；果面韌性和果肉脆性變異幅度最小，分別為6.73%和5.69%。果面硬度、果面韌性和果面脆性3個指標可以反映栗仁表層的質地結構，果肉平均硬度和果肉脆性反映栗仁內部的質地特點，緊實度反映板栗的組織緊實程度。錐栗果面硬度、果肉平均硬度、果面韌性、果面脆性和緊實度均顯著高于其他品種（P＜0.05）；宣化紅和優處暑紅果肉脆性顯著高于羅田烏殼栗、紅毛早、西溝7 號和云南早油栗以外的其他品種（P＜0.05）。宣化紅、鄂栗1 號和金華丹東栗的果面脆性顯著低于其他品種（P＜0.05），宣化紅、鄂栗1 號、花橋2 號和金華丹東栗緊實度顯著低于除紅毛早外的其他品種（P＜0.05）。

表3 不同品種板栗果實穿刺試驗質地參數Table 3 Textural parameters of different chestnut cultivars in puncture test

2.3 不同品種板栗果實TPA試驗質地參數分析

由表4可知，7項TPA質地指標（硬度、黏附性、彈性、內聚性、膠黏性、咀嚼性和回復性）在板栗品種間存在差異，黏附性的變異系數最大，為51.784%，其次是咀嚼性，為29.506%，內聚性的變異系數最小，為11.481%。TPA 硬度反映了果肉的整體堅實程度，試驗結果表明，TPA 硬度的變異程度（變異系數17.98%）大于穿刺試驗硬度（變異系數8.29%），錐栗、神農架板栗和西溝7 號的TPA 硬度顯著高于其他品種（P＜0.05），鄂栗1 號和金華丹東栗的TPA 硬度顯著低于其他品種（P＜0.05）。果實黏附性反映了果實粘牙的口感。錐栗的黏附性顯著高于其他品種（P＜0.05），腰子栗、鄂栗1號和神農架板栗果實的黏附性顯著低于其他品種（P＜0.05）。彈性反映果實的抗壓能力和細胞間的結合力。六月暴和宣化紅彈性顯著高于大紅袍以外的其他品種（P＜0.05）。內聚性反映樣品內部的收縮性。大紅袍的內聚性顯著高于除羅田烏殼栗和六月暴外的其他品種（P＜0.05）。膠黏性指吞咽食品前破碎它需要的能量。鄂栗1 號的膠黏性顯著低于除金華丹東栗外的其他品種（P＜0.05）。咀嚼性是咀嚼固體所需要的能量。六月暴的咀嚼性顯著高于其他品種（P＜0.05），鄂栗1 號的咀嚼性顯著低于除金華丹東栗外的其他品種（P＜0.05）。回復性反映了果肉組織受到壓縮時快速恢復變形的能力。大紅袍果實的回復性顯著高于除羅田烏殼栗和六月暴外的其他品種（P＜0.05）。

表4 不同品種板栗果實TPA試驗質地參數Table 4 Textural parameters of different chestnut cultivars in TPA test

2.4 果實質地參數間相關性分析

由表5 可知，穿刺果面硬度、果肉平均硬度和TPA 硬度兩兩之間均呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數為0.802～0.895，3 個硬度參數均與果面韌性（相關系數分別為0.771、0.827、0.768）、果面脆性（相關系數分別為0.913、0.928、0.789）和緊實度（相關系數分別為0.813、0.928、0.833）呈極顯著正相關（P＜0.01），與果肉脆性、黏附性、彈性、內聚性、咀嚼性和回復性相關性不顯著；穿刺果面硬度和TPA 硬度與TPA 膠黏性呈極顯著正相關（P＜0.01），相關系數分別為0.720、0.814，果肉平均硬度與膠黏性呈顯著正相關（P＜0.05），相關系數為0.561。綜合以上分析，3個硬度參數間關系緊密，穿刺果面硬度和TPA 硬度與其他質地參數之間的相關性一致。

表5 板栗果實質地性狀指標間的相關性Table 5 Correlation among the textural characters of chestnut fruit

穿刺測試中，果面韌性與果面脆性（相關系數0.684）呈極顯著正相關（P＜0.01），且均與緊實度（相關系數0.792 和0.859）呈極顯著正相關（P＜0.01）；果肉脆性與其他參數無顯著相關性。TPA測試中，膠黏性為硬度與內聚性的乘積，咀嚼性為硬度、內聚性、彈性三者的乘積，相關性分析表明，彈性與內聚性（相關系數0.847）呈極顯著正相關（P＜0.01）；回復性與彈性、內聚性、咀嚼性（相關系數0.793、0.977、0.759）呈極顯著正相關（P＜0.01）；果實黏附性與其他質地參數相關性不顯著。

2.5 果實表型性狀與質地指標間相關性分析

由表6可知，兩個果實表型指標單果質量和果實橫徑均與果面硬度（相關系數-0.512、-0.557）、果肉平均硬度（相關系數-0.550、-0.576）、果面韌性（相關系數-0.516、-0.594）、果面脆性（相關系數-0.568、-0.641）和緊實度（相關系數-0.570、-0.536）穿刺質地參數呈顯著負相關（P＜0.05），與果實TPA硬度（相關系數-0.800、-0.727）呈極顯著負相關（P＜0.01）。果形指數與穿刺果面硬度（相關系數-0.581）呈顯著負相關（P＜0.05），與果肉平均硬度（相關系數-0.649）呈極顯著負相關（P＜0.01），與TPA 硬度相關性不顯著。TPA膠黏性與單果質量（相關系數-0.589）、果實橫徑（相關系數-0.610）和果實縱徑（相關系數-0.607）呈顯著負相關（P＜0.05）。

表6 板栗果實表型性狀與質地指標間相關性分析Table 6 Correlation analysis between phenotype traits and texture indexes in chestnut fruits

2.6 主成分分析

為反映各果實指標在綜合評價中的作用，對17個指標（單果質量、果實橫徑、果實縱經、果形指數、果面硬度、果肉平均硬度、果面韌性、果面脆性、果肉脆性、緊實度、TPA 硬度、TPA 黏附性、TPA 彈性、TPA內聚性、TPA膠黏性、TPA咀嚼性、TPA回復性）數據進行降維分析，提取到4個特征值大于1的主成分，將提取的主成分因子進行旋轉處理，如表7所示，4個主成分累計方差貢獻率達89.298%。載荷值的大小反映各變量在主成分中的重要程度。本研究選取各因子載荷值的絕對值大于0.800的指標作為解釋變量。

表7 主成分分析旋轉后的成份載荷矩陣Table 7 Rotated component matrix of PCA

表7 中，第1 主成分（PC1）包含了原始信息量的34.945%，其中絕對值較高的正向特征向量指標有穿刺果肉平均硬度、果面硬度、果面脆性、果面韌性、緊實度和TPA 硬度。板栗是一種硬度較高的干果，硬度指標對果實質地有重要影響。試驗結果顯示，3個硬度值均與果面韌性、果面脆性和緊實度極顯著相關（P＜0.01），PC1可稱為果實硬度因子。第2主成分（PC2）包含了原始信息量的25.785%，其中內聚性、回復性、彈性、咀嚼性具有較高的正向特征向量，這些指標均為對樣品進行兩次機械壓縮模擬牙齒咀嚼得到的TPA 試驗參數，其中咀嚼性變異系數最大，PC2可稱為咀嚼特性因子。第3主成分（PC3）包含了原始信息量的17.645%，其中果實橫徑、果實縱徑和單果質量具有較高的正向特征向量，均為果實表型指標，PC3可稱為果實大小因子。第4主成分（PC4）包含了原始信息量的10.923%，TPA黏附性有較大的正系數值，PC4 可稱為果實黏附性因子。將17 個變量指標原始數據標準化后用X1～X17表示，由各指標的得分系數計算4個主成分因子得分，公式如下：

以各主成分因子所對應的方差貢獻率與提取出的總方差貢獻率的比值作為權重，得到主成分綜合評價模型，即F=（0.349F1+0.258F2+0.176F3+0.109F4）/0.893。16 個板栗品種在4 個主成分上的得分及排序結果見表8，第一主成分排名較高的有錐栗、西溝7 號和隆林板栗，這些品種硬度較大；第二主成分排名較高的品種有六月暴、大紅袍和羅田烏殼栗，這些品種鮮食咀嚼性參數較高；第三主成分排名較高的有金華丹東栗、優處暑紅和云南早油栗，這些品種果型較大；第四主成分排名較高的有錐栗、3113 和金華丹東栗，這些品種果肉黏附性較高。綜合得分靠前的品種是錐栗、西溝7 號、羅田烏殼栗、大紅袍和六月暴。

表8 不同品種板栗果實各主成分得分、綜合得分及排序Table 8 Principal component scores,comprehensive scores and ranking of different varieties of chestnut fruit

2.7 板栗果實表型和質地指標聚類分析

將16 個板栗品種的17 項指標數據歸一化處理后進行熱圖聚類分析，結果見圖3。結果顯示，16 個板栗品種根據質地和表型特征可以聚為7 類：Ⅰ為錐栗，果形指數最小，單果質量小，果實硬度及相關參數大，TPA 咀嚼性、彈性、內聚性等參數較低；Ⅱ為金華丹東栗和鄂栗1 號，果型大，果實硬度小，咀嚼性參數低；Ⅲ為花橋2 號和3113，果型偏小，果實硬度和咀嚼性小；Ⅳ為隆林板栗，果型中等，果實硬度較大，咀嚼性小；Ⅴ為西溝7 號和神農架板栗，果型小，果實硬度大，咀嚼性大；Ⅵ為優處暑紅、云南早油栗和腰子栗，果型較大，果實硬度和咀嚼性中等；Ⅶ為宣化紅、紅毛早、六月暴、大紅袍和羅田烏殼栗，果型中上，果實硬度中等，咀嚼性等TPA 口感指標高，適宜生食。

圖3 板栗品種果實表型和質地指標聚類熱圖Fig.3 Clustering heat map in fruit phenotype and texture indexes of chestnut cultivars

3 討論與結論

我國板栗分布區域地理特征和氣象條件復雜多變，形成具有特定適應性的地方品種資源，板栗果實品質成分隨品種（基因型）和環境因素（氣候條件、土壤特性和栽培管理）的變化而不同[19-20]。質地是果實鮮食品質和加工工藝的重要影響因素，目前對板栗果肉質地性狀的研究還不夠完善。Fernandes 等[21]研究了采后處理對貯藏期間板栗果實穿刺質地及其他理化特性的影響；范新光等[22]采用TPA測試方法研究了板栗果實貯藏期間質地的變化；Kan等[23]研究了熱加工處理對板栗淀粉理化特性和栗仁TPA 質地品質的影響；張樂等[24]對河北、河南兩省的6 個板栗品種果實質地進行了TPA測定，結果表明，不同板栗品種間質地特性存在較大差異。本研究采用穿刺測試和TPA兩種方法進行板栗果實質地檢測，穿刺方法優勢在于不依賴樣品的大小和形狀，省略了不易統一的樣品制備過程[25]；TPA反映樣品兩次壓縮后的結構和外觀變化，更能反映果實的口感質地。板栗鮮果具有一定的脆性，TPA法的脆性值在樣品破損后才能檢測出，影響其他TPA 指標的真實體現[26]，且大部分測試樣品沒有出現破裂峰，因此舍去TPA 測試的脆性指標，僅在穿刺測試中反映果實的脆性。

穿刺試驗和TPA 分析均可以反映栗仁的質地特性，穿刺果面硬度、果肉平均硬度和TPA 硬度3 個硬度指標關系密切，TPA測試中板栗果實的硬度僅與膠黏性顯著相關，與其他TPA指標相關性低，這與脆肉梨[27]、蘋果[28]等的研究結果不一致，但與棗[29]、甘薯[30]等的研究結果相似，可能與不同物種和樣品差異有關。果實硬度是判斷果實質地、反映果實貯藏性和衡量貯藏效果的主要指標[31]。試驗中板栗果實硬度與其他多數指標存在顯著相關性，表明與其他果實一樣，硬度對于板栗果實的品質也具有非常重要的影響。本試驗結果還表明，板栗果實的硬度與果型大小呈負相關，這與Saei等[32]的研究結果一致。果實黏附性是克服樣品與探頭之間的吸引力所做的功，板栗果實為干果，鮮果樣品表面出汁少，探頭檢測到的力值比較小且非常靈敏，本試驗各項指標中以果實黏附性的變異系數最大，相關性分析表明黏附性與其他質地參數不相關，這與楊植等[33]在棗果實上的研究結果相似。

主成分分析法可將原來有一定相關性的指標重新組合成一組相互無關的綜合指標來明確度量各個指標的重要性[34]。本研究利用主成分分析法將17個指標組合形成果實硬度、咀嚼特性、果實大小和黏附性4個主成分，可反映所有指標的89.298%信息。聚類分析結果表明，16 個板栗品種根據質地參數和表型特性可以分為7 類，每一類各具特點，反映了板栗果實物理性狀的多樣性。

綜上所述，穿刺測試和TPA 法結合能很好地反映板栗果實質地差異情況，果實表型和質地等物理性狀可以用于區分板栗品種，這些指標可作為板栗種質資源的評價指標，為板栗鮮食品質鑒定、加工利用和品種優選提供科學依據。