不同成熟期哈密瓜堅實度變化規(guī)律及相關(guān)性研究

李鋒霞 黃勇

摘? ? 要：堅實度是哈密瓜成熟度的重要參考指標之一。為了研究哈密瓜成熟期堅實度的變化規(guī)律，結(jié)合試驗條件，對2種不同成熟期的哈密瓜質(zhì)量、縱橫徑、堅實度等指標進行測量，研究不同品種、不同成熟期、不同原始光譜、不同檢測部位哈密瓜的堅實度指標變化規(guī)律，分析各指標之間的相關(guān)性，并結(jié)合高光譜技術(shù)建立哈密瓜不同檢測部位堅實度與成熟度的預(yù)測模型。試驗建模結(jié)果顯示，赤道陽面部位的模型相關(guān)系數(shù)：校正集相關(guān)系數(shù)Rc=0.982，預(yù)測集相關(guān)系數(shù)Rp=0.832；赤道陰面部位的模型相關(guān)系數(shù)：Rc=0.889，Rp=0.878；果臍部位的模型相關(guān)系數(shù)：Rc=0.626，Rp=0.821。結(jié)果表明，哈密瓜堅實度指標的變化規(guī)律與成熟度具有相關(guān)性，且不同檢測部位的堅實度值存在差異，赤道部位檢測結(jié)果優(yōu)于果臍部位。此研究結(jié)果為確定哈密瓜的最佳采摘期提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：哈密瓜；成熟期；堅實度；變化規(guī)律；模型

中圖分類號：S652.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2024）01-081-07

Study on variation and correlation of firmness index of Hami melon at different maturity stages

LI Fengxia1，2， HUANG Yong1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Institute of Engineerin， Urumqi 830023， Xinjiang， China; 2. National Engineering Technology Research Center of Flat Rolling Equipment， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Firmness is one of the important reference indexes of Hami melon maturity. In order to study the change rule of firmness of Hami melon at maturity stage， this paper combined with experimental conditions to measure the weight， longitudinal and transverse diameter， firmness and other physical and chemical indexes of two kinds of Hami melon at different maturity stages. The firmness index of Hami melon with different varieties， different maturity stages， different original spectra and different test sites were studied， and the correlation between the indexes was analyzed. The prediction models of firmness and maturity of different parts of Hami melon were established by hyperspectral technique. The experimental modeling results showed that the correlation coefficients of the equatorial sunny side were Rc=0.982， Rp=0.832. The model correlation coefficient of the dark side of the equator： Rc=0.889， Rp=0.878. And the model correlation coefficient of fruit umbilical position： Rc=0.626， Rp=0.821. The results showed that the firmness index of Hami melon was correlated with the maturity， and the firmness of different parts was different. The results provide a theoretical basis for determining the optimum picking time of Hami melon.

Key words： Hami melon; Maturity stage; Firmness; The law of change; Model

哈密瓜是新疆的特色水果，風(fēng)味獨特，享譽國內(nèi)外，因其經(jīng)濟效益可觀，也是種植農(nóng)戶增收的重要途徑之一。目前，哈密瓜品種繁多，采收時，不同品種的成熟期不同，在成熟時的表現(xiàn)也不同，因此，簡單地通過外表來分辨哈密瓜的成熟度，會造成判別不一致，影響哈密瓜的貨架期[1]，從而降低聲譽和經(jīng)濟效益。因此，研究哈密瓜成熟度有重要意義。

在水果成熟度和品質(zhì)評價方面，有學(xué)者進行了大量研究，主要是利用水果成熟過程中理化指標變化規(guī)律及品質(zhì)指標間的相關(guān)性，綜合評價水果的成熟度。廣新梅等[2]、蘭海鵬[3]研究了香梨硬度以及可滴定酸、葉綠素、可溶性糖、維生素C含量等指標變化規(guī)律與成熟度的關(guān)系；李艷婷等[4]以翠冠梨果實不同部位可溶性固形物含量和硬度指標展開比較研究，找到梨果實適宜測定部位及高效便捷的無損糖度測定方法。劉金秀等[5]研究了4種不同成熟階段的小白杏，探索可溶性固形物含量、含水率、硬度、糖酸比4個理化指標變化規(guī)律與成熟度的關(guān)系；牛俊莉等[6]以不同采摘期杏李品種理化指標主成分及聚類分析，研究影響其品質(zhì)的主要指標。代佳慧等[7]研究胡椒果實成熟度與色差a值和可溶性固形物、可滴定酸、果膠、胡椒堿含量的關(guān)系。賀春祥等[8]研究了延安12個蘋果品種果實的硬度、可溶性固形物含量、酸度等理化指標分析評價成熟度。以上研究在水果成熟期理化指標變化規(guī)律和相關(guān)性分析上都得到了很好的應(yīng)用。然而，對新疆哈密瓜成熟度評價方面的研究較少，堅實度是反映哈密瓜成熟度的重要指標之一。目前，堅實度檢測多采用M-T有損檢測方法，該方法費時、費力，而且會破壞樣品。因此，急需一種無損、快速、便捷的檢測方法，綜合分析哈密瓜成熟期的理化指標變化規(guī)律及其與堅實度的相關(guān)性。近年來，高光譜技術(shù)在獼猴桃、草莓、蘋果、梨、櫻桃、香蕉和西甜瓜等[9-19]水果的成熟度、堅實度、糖度等品質(zhì)無損檢測中得到應(yīng)用，為哈密瓜成熟期的品質(zhì)評價提供了無損檢測技術(shù)。

筆者以哈密瓜成熟期理化指標變化規(guī)律為研究基礎(chǔ)，采用高光譜技術(shù)對哈密瓜的堅實度開展了相關(guān)試驗研究，以期揭示哈密瓜成熟期品質(zhì)指標的變化規(guī)律與堅實度之間的關(guān)系，對哈密瓜采收以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 樣本的選擇 試驗選取2個品種的哈密瓜，均由新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師121團提供。金密16號為早中熟雜交品種，果皮黃色，果實呈長卵形，網(wǎng)紋密；金密17號為中晚熟雜交品種，果皮灰綠色，果實橢圓形，網(wǎng)紋粗。試驗于2022年7－8月在新疆工程學(xué)院實驗室進行，試驗設(shè)計了2個不同成熟度：第一批七成熟采收，第二批九成熟采收。具體成熟時間由當?shù)亟?jīng)驗豐富的瓜農(nóng)師傅認定。采收后，將果實放在室溫條件下貯存，24 h之后進行光譜采集和理化指標測量。每批次、每個品種選取42個瓜，共168個。

1.1.2 試驗器材 高光譜成像儀硬件系統(tǒng)：高光譜攝像頭（Im Spector，V10E，芬蘭）、0LE23鏡頭、線透鏡、150 W的光纖鹵素?zé)?，電動移位臺控制器、帶1394采集卡的計算機等。為了避免外界光照對采集圖像的影響，采用密閉柜將全套系統(tǒng)封閉。

1.2 方法

1.2.1 樣本的預(yù)處理 樣品的預(yù)處理步驟：首先，人工挑選果實大小均勻、形狀規(guī)則、無機械損傷、無病蟲害、成熟度一致的樣本，試驗每批次、每個品種的哈密瓜隨機選取42個樣本。其次，對樣本編號，按順序依次標記。每個樣本標記了3個檢測部位：赤道陽面、赤道陰面、坐果結(jié)（果臍）（圖1），在每一個檢測部位用標記筆畫好直徑約3 cm左右的圓圈作為樣本采集區(qū)域，分別編號區(qū)分為1-1、1-2、1-3。每批次、每個品種的哈密瓜共采集126個樣本點。

1.2.2 測定項目和方法 哈密瓜測定項目包括光譜信息采集和理化指標（質(zhì)量、橫縱徑、堅實度）測量。具體的方法如下：

（1）哈密瓜光譜信息的采集

高光譜圖像數(shù)據(jù)采集前，先進行黑白校正，調(diào)整輸送裝置的速度。數(shù)據(jù)采集時，把哈密瓜樣本放到高光譜試驗臺上，線陣的探測器在光學(xué)焦面（哈密瓜前進方向）的垂直方向橫向掃描，掃出整個平面，獲取3個檢測部位的哈密瓜圖像信息，通過Spectral-Cube軟件對光譜信息采集和保存。

（2）哈密瓜理化指標的測量

縱橫徑的測量：哈密瓜的高度部位即縱徑，用高度游標卡尺測量。哈密瓜赤道部位即橫徑，用游標卡尺測量。

質(zhì)量的測量：采用電子秤測量哈密瓜質(zhì)量，型號為供應(yīng)友聲BS-10KA。

堅實度的測量：哈密瓜堅實度的測量采用GY-4型手持式硬度計，壓頭直徑選擇11 mm。對已完成光譜信息采集的哈密瓜樣本的3個標記區(qū)域（陰面、陽面與果臍）削去果皮進行測量。

1.2.3 光譜的處理及模型評價指標 采集后的光譜數(shù)據(jù)采用ENVI4.7軟件進行圖像數(shù)據(jù)降維和預(yù)處理。利用TQ Analyst 6.1軟件進行建模定量、定性分析。模型的穩(wěn)健性和準確性評價指標有校正集相關(guān)系數(shù)（Rc），預(yù)測集相關(guān)系數(shù)（Rp）、校正均方根誤差（RMSEC）和預(yù)測均方根誤差（RMSEP）。通常情況下，模型中R值越大，RMSEC、RMSEP值越小，模型表現(xiàn)得越穩(wěn)健，結(jié)果越準確。

2 結(jié)果與分析

2.1 哈密瓜樣本理化指標測定結(jié)果及分析

哈密瓜在成熟過程中，理化指標會隨著不同成熟期呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。由表1可知，不同成熟期的哈密瓜理化指標存在一定的差異。從縱徑的平均值來看，同一成熟度的哈密瓜，金密16號要略大于金密17號；從橫徑的平均值來看，同一成熟度的金密16號要略小于金密17號；七成熟的哈密瓜平均質(zhì)量均要小于九成熟的哈密瓜；從堅實度值來看，七成熟的哈密瓜平均堅實度均要大于九成熟的哈密瓜。

2.1.1 不同品種哈密瓜堅實度的分析 果實的堅實度直接影響果肉質(zhì)地與脆性。哈密瓜堅實度是衡量內(nèi)部品質(zhì)的重要指標之一。從圖2可以看出，七成熟哈密瓜：金密16號的堅實度值在54.0～120.0 N，金密17號的堅實度值在50.6～84.0 N；九成熟哈密瓜：金密16號的堅實度值在51.0～79.9 N，金密17號的堅實度值在48.0～61.2 N。兩個品種的哈密瓜樣本點的堅實度分布規(guī)律如圖1所示，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，金密16號的堅實度均大于金密17號，說明不同品種哈密瓜的堅實度存在明顯差異。

2.1.2 不同成熟期哈密瓜堅實度的分析 隨著哈密瓜生長發(fā)育的不斷推進，堅實度隨著成熟期的不同而發(fā)生變化。圖3所示兩個品種的哈密瓜不同成熟期堅實度變化規(guī)律，從中可以發(fā)現(xiàn)，同一品種哈密瓜，九成熟的堅實度要比七成熟低，成熟度越高，堅實度越低。研究表明，隨著哈密瓜不斷成熟，果實細胞壁果膠物質(zhì)的降解和纖維素分離，導(dǎo)致細胞解體，果肉的硬度降低。

2.1.3 不同原始光譜的分析 高光譜儀采集哈密瓜的光譜信息是由光源照射到哈密瓜表面后通過漫透射進行擴散傳輸?shù)?。圖4是2個品種哈密瓜不同成熟度的原始光譜曲線，從中可以發(fā)現(xiàn)，同一品種、不同成熟期的哈密瓜光譜曲線走向基本一致。不同品種的哈密瓜光譜曲線之間存在很大差異，金密16號哈密瓜光譜在400～750 nm存在明顯變化的波峰、波谷。金密17號哈密瓜光譜在500～850 nm存在較明顯變化的波峰、波谷，在850 nm之后波形基本一致。說明不同品種的哈密瓜由于內(nèi)部生物結(jié)構(gòu)不同，光譜曲線差別也很大。

2.1.4 不同檢測部位堅實度的分析 哈密瓜果實的成長與發(fā)育先是縱徑發(fā)育，再橫向增重發(fā)育。根據(jù)哈密瓜的生長特點，對金密16號哈密瓜的3個檢測部位（赤道陽面、赤道陰面和果臍）的堅實度進行測量，其變化規(guī)律如圖5所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，不同檢測部位的哈密瓜堅實度存在差異，赤道（陽面、陰面）部位的堅實度要高于果臍部位的堅實度；同一檢測部位相比，堅實度的變化沒有明顯規(guī)律。

2.2 哈密瓜不同檢測部位對建模結(jié)果的影響

根據(jù)哈密瓜不同檢測部位堅實度不同這一特性，對哈密瓜不同檢測部位原始光譜進行了分析，以金密16號哈密瓜為代表，圖6是3個不同采集部位（陽面、陰面、果臍）原始光譜圖，通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，哈密瓜不同部位采集的原始光譜走向基本一致，但在吸光度、能量值的大小上存在差異。這種差異也必定對建模結(jié)果有一定的影響。

因此采用偏最小二乘法（PLS）對不同檢測部位的哈密瓜建立堅實度預(yù)測模型，光譜經(jīng)過異常光譜去除、光散射校正后用一階微分處理，其建模結(jié)果如圖7所示，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

從上述建模的結(jié)果可以看出，赤道陽面部位的校正集相關(guān)系數(shù)（Rc）=0.982，校正均方誤差（RMSEC）=1.37 N，預(yù)測集相關(guān)系數(shù)（Rp）=0.832，預(yù)測均方誤差（RMSEP）=3.79 N。赤道陰面部位的Rc=0.889，RMSEC=2.77 N，Rp=0.878，RMSEP=3.60 N。果臍部位Rc=0.626，RMSEC=5.16 N，Rp=0.821，RMSEP=3.16 N。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，赤道（陰陽面）部位相關(guān)系數(shù)R均高于果臍部位，赤道（陰陽面）部位的校正均方誤差（RMSEC）小于果臍部位，預(yù)測均方誤差（RMSEP）大于果臍部位，綜上所述，赤道部位建模結(jié)果優(yōu)于果臍部位。根據(jù)這一研究結(jié)果，后期對哈密瓜進行試驗研究時，可以選取赤道部位作為研究對象。

3 討論與結(jié)論

在實際生產(chǎn)中，哈密瓜堅實度的測定多是隨機選取部分樣品對其臍部及整果進行測定，測定方法缺乏科學(xué)性與時效性，且會破壞樣本，使其失去商品價值。為此，有科研工作者結(jié)合光譜技術(shù)展開哈密瓜內(nèi)外部品質(zhì)（表面紋理特征、表皮顏色、果肉顏色、可溶性固形物含量、總酸含量、硬度等）對成熟度進行相關(guān)性研究。Sun等[20]利用近紅外高光譜系統(tǒng)對甜瓜的糖度和硬度進行了無損檢測研究，劉超[21]、許濟海[22]利用機器視覺技術(shù)對哈密瓜糖度進行預(yù)測，利用哈密瓜表面顏色特征、紋理特征建立糖度的相關(guān)性。呂琛[23]、胡光輝等[24]采用機器視覺技術(shù)通過哈密瓜的表面圖像信息預(yù)測成熟度。李明周[25]利用高光譜技術(shù)對哈密瓜不同生長期的糖、蛋白質(zhì)、維生素C、可滴定酸含量以及單果質(zhì)量等進行預(yù)測，徐璐[26]采集哈密瓜赤道部位近紅外光譜特征，建立哈密瓜可溶性固形物含量的預(yù)測模型。上述方法對哈密瓜成熟度判定提供了理論依據(jù)。但是對不同成熟期哈密瓜堅實度的研究較少，且哈密瓜檢測部位的選取沒有對比驗證，不具有典型代表性，從而影響預(yù)測模型的可靠性。因此，根據(jù)不同成熟期哈密瓜堅實度指標的變化規(guī)律，結(jié)合高光譜技術(shù)對哈密瓜成熟度展開檢測研究是十分必要的。

基于此，筆者以哈密瓜理化指標變化規(guī)律為研究基礎(chǔ)，對2個不同品種、不同成熟期、不同原始光譜、不同檢測部位的哈密瓜堅實度進行了分析和比較。試驗結(jié)果表明，不同品種哈密瓜的堅實度存在明顯差異，成熟度越高，堅實度越低。同一品種哈密瓜光譜曲線走向基本一致，但不同品種的哈密瓜光譜曲線差別很大。不同檢測部位的哈密瓜堅實度也存在差異，同一檢測部位相比，沒有明顯的變化規(guī)律。為了尋找哈密瓜光譜采集最合適的采集部位，筆者的研究對哈密瓜3個不同檢測部位（赤道陰面、赤道陽面和果臍）建立堅實度預(yù)測模型，試驗建模結(jié)果表明，哈密瓜堅實度指標的變化規(guī)律與成熟度具有相關(guān)性，且赤道部位建模結(jié)果優(yōu)于果臍部位。后期對哈密瓜進行試驗研究時，可以選取赤道部位作為研究對象。筆者通過本研究為哈密瓜成熟度量化評價和確定哈密瓜的最佳采摘期以及品質(zhì)分級提供理論參考依據(jù)，對哈密瓜生產(chǎn)與科學(xué)研究具有一定的指導(dǎo)價值。

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