蘋果果肉和果核穿刺力學特性與微觀結構分析

關鍵詞：蘋果；果肉；果核；穿刺力學試驗；微觀結構

中圖分類號：S661.1 文獻標志碼：A 文章編號：1003—8981（2024）03—0170—07

蘋果營養價值高，耐貯性好[1]，且我國蘋果種質資源豐富，種植面積及產量均居世界首位[2-3]，但蘋果在運輸、貯藏等環節中會承受多種載荷形式的作用，造成果實擠壓、果肉破裂，形成損傷[4-5]，加速了微生物對果實的侵害，嚴重影響蘋果的品質及經濟效益。穿刺力學試驗可檢驗蘋果果實的堅實度，表征蘋果組織的致密程度[6-8]，推測蘋果果實組織抵抗破壞的能力[9]，為蘋果的采收、貯藏和加工運輸的裝備設計提供參考依據。

近年來，國內外學者多次利用穿刺力學特性試驗研究了蘋果果實的質地特性，但觀測的特性參數各不相同。蘋果果皮作為果實最外層的組成部分，其穿刺力學特性對整果穿刺力學研究具有重要意義[10-12]。Brennan[13] 對蘋果果皮及淺表層果肉的穿刺試驗表明，穿刺的最大力可表征蘋果的質地特性。蔣冰瑤等[14] 采用質構儀，選用10 個加載速度對蘋果果皮向陽面與向陰面進行穿刺力學特性試驗，試驗表明相同加載速度下不同果面果皮的穿刺強度存在極顯著差異（P ＜ 0.01）；不同品種果皮穿刺強度存在差異，且果皮穿刺強度與穿刺部位、加載速度呈極顯著差異（P ＜ 0.01）。馮慧敏等[15] 制取了不同形態的蘋果果肉試樣，運用不同的加載速度進行穿刺試驗，研究表明試樣的形狀、尺寸、加載速度均會影響蘋果果肉的力學特性。侯聚敏[16] 采用相同加載速度對不同品種蘋果果實進行穿刺試驗，試驗表明不同品種果實穿刺力學特性存在差異。蔣冰瑤等[17] 采用P2 探頭對不同品種蘋果果皮及果肉進行穿刺力學特性研究，得到不同品種果肉脆度的敏感度評價指標會隨著加載速度的變化而變化。

許多研究表明果實品質差異與其微觀結構密切相關。采用顯微鏡技術對果實組織進行微觀結構觀察，可以發現導致果實穿刺力學特性差異的原因。楊興勝[18] 通過創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果肉細胞結構進行觀察，發現不同品種蘋果果肉質地存在差異。范獻光[19] 運用掃描電鏡對不同品種蘋果果肉的細胞結構進行觀測，發現果實生長發育各時期果肉細胞壁組分含量的變化，并從細胞學角度為蘋果品質評價提供了參考。Wang 等[20-21] 對新鮮和貯藏期間蘋果果皮微觀結構進行觀測，研究了不同品種蘋果果皮力學特性與微觀結構之間的關系。王海鷗等[22]以凍干蘋果片為研究對象，分析多元糖濃度對凍干蘋果片微觀結構的影響。綜上可知，蘋果穿刺的破裂力、斷裂功等參數可用于評估蘋果的質地，而且可從組織微觀結構進一步獲得解釋。

‘丹霞’蘋果是從金冠實生苗中選出，果實風味獨特、香味較濃，果肉乳白色，肉質細及脆，與‘紅富士’相比具有果枝結果能力強、成花容易、抗逆性強的優勢，果實耐貯藏后無皺皮現象。本研究使用質構儀TA. XT plus 測量不同加載速度下‘丹霞’和‘紅富士’蘋果的果肉及果核的穿刺力學特性數據，探討加載速度對穿刺力學特性參數的影響。結合蘋果果肉和果核微觀結構的觀測，分析其穿刺力學特性與微觀結構的關系，研究果肉和果核組織對果實質地的影響，為蘋果的運輸及貯藏提供數據支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2023年10月，從山西農業大學果樹研究所果園10 年生果樹上采集形狀、大小、結果位置基本一致，且無病蟲害的‘紅富士’‘丹霞’果實[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赤道處進行取樣，每半取樣2 次。選取兩片鋒利的刀片，互相平行、間隔10 mm，對樣品進行切割，獲得高度為10 mm、直徑為10 mm 的圓柱形試樣。靠近果皮附近取樣為果肉試樣，靠近種子附近取樣為果核試樣[24]。

1.3 試驗儀器及方法

利用電子秤（花潮高科，HC311）測量單果質量，使用數顯游標卡尺（東莞三量量具有限公司，530-101）測量橫徑與縱徑，皮尺測量果實赤道處周長，測量結果均保留一位小數。采用質構儀TA. XT plus 對試樣進行穿刺力學試驗，得到果肉和果核的力學特性參數。試驗時選用P5 探頭，測前速度3.00 mm/s，測后速度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，試驗的穿刺深度為5 mm，每個速度選取10 個試樣進行重復試驗。

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），對果肉、果核穿刺力學試驗結果進行分析，可得到以下幾個參數：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 對應穿刺深度，代表斷裂變形量，代表果肉、果核從開始受力至發生斷裂的過程中探頭產生的位移量；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 對應穿刺深度的曲線下面積，代表斷裂功；W 為整個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構觀察

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構，選用488 nm 氬離子激光照射激發熒光，觀察時間不超過5 min，避免組織失水卷曲對結果造成影響[27]。每個品種選取10 個果實，每個果實分別取10 個果肉圓片和果核圓片組織[28]。

1.5 數據與圖像處理

應用Origin2017軟件對穿刺力學參數進行載荷- 位移曲線繪制。應用SAS 軟件對果肉力學特性參數進行差異性分析，對力學特性與加載速度進行線性擬合，對果肉組織的歐式幾何學結構參數進行差異性分析，取95% 的置信區間[29]。應用Image J 軟件處理細胞圖像與測量幾何參數[30]。

2 結果與分析

2.1 不同品種果實測量值

經測量，‘丹霞’和‘紅富士’果實的平均質量分別為（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，赤道處周長分別為（223.4±6.8）mm、（250.2±11.9）mm。

2.2 蘋果果肉穿刺力學特性分析

由表1 可知，在試驗范圍內，隨著加載速度的增大，同一品種果肉穿刺特性的各指標值在增至極限值的過程中出現2 個及以上峰值，具有波動性。‘丹霞’蘋果果肉斷裂總功基本上呈現先增大后減小的趨勢；‘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。‘紅富士’果肉的斷裂變形量呈現先增大后減小的趨勢，而斷裂總功呈現先降低后升高的趨勢；‘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。

對比不同品種蘋果果肉穿刺力學特性（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發生斷裂。從穿刺試驗開始到蘋果果肉組織發生斷裂，相同加載速度下，‘紅富士’果肉斷裂變形量較大，但兩個品種果肉的斷裂變形量無顯著性差異。對斷裂變形量和斷裂力進行分析，發現兩個品種蘋果果肉在受到穿刺發生斷裂時，探頭對其產生了不同的斷裂力。兩個品種蘋果的果肉組織斷裂斜率及斷裂總功在品種間無顯著性差異。對斷裂功進行分析，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’果肉更容易到達斷裂點。賈朝爽等[31] 在相同加載速度下對蘋果果實去皮后進行穿刺試驗，也發現不同品種果實的破裂力、破裂功等各不相同。

2.3 蘋果果核穿刺力學特性分析

分析不同加載速度下同一品種蘋果果核組織穿刺試驗結果，由表2 可知，在試驗范圍內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2 個及以上峰值，具有波動性。‘丹霞’蘋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，在同一加載速度下，不同品種蘋果果核穿刺力學特性參數變化規律與蘋果果肉相似（表2）。‘丹霞’果核的斷裂力均小于‘紅富士’果核，表明‘丹霞’果核組織在較小斷裂力下會發生斷裂現象，兩者之間差異不顯著。從穿刺試驗開始到蘋果果核組織發生斷裂，相同加載速度下兩個品種果核的斷裂變形量無顯著性差異。對斷裂變形量和斷裂力進行分析，可知兩個品種果核在受到相同位移穿刺量發生斷裂時，探頭對其產生了不同的斷裂力。兩個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，因此能夠用于區分不同品種的蘋果。‘丹霞’果核比‘紅富士’果核更容易到達斷裂點。

2.4 蘋果果肉和果核組織形態分析

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，蘋果果肉組織細胞由細胞壁進行連接，其中混雜著不規則的多邊形區域。‘紅富士’品種果肉細胞多為橢圓形，一端較尖銳，細胞連接較為緊密；‘丹霞’品種果肉細胞圓形率較大，細胞連接距離也較長。兩個品種蘋果組織細胞連接方式不同。‘紅富士’和‘丹霞’果肉細胞的圓形率分別為（0.11±0.01）和（0.17±0.08）。由圖2 可知，‘紅富士’品種果核細胞細長，細胞間連接部分較長；‘丹霞’品種果核細胞兩端較為尖銳，這樣的形狀增強了細胞間的結合，使得果核質地緊密。‘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、果核細胞擁有不同的組織特征，因此也呈現出不同的力學特性。在相同的試樣體積下，細胞數量越少，組織結構越為稀松。‘丹霞’組織細胞及孔隙都更接近圓形，這表明‘丹霞’組織細胞間連接較少，果肉及果核較‘紅富士’品種質地脆弱，抵抗外力破壞的能力更弱。

3 討論與結論

3.1 討論

穿刺力學試驗是評價蘋果質地時的一種常用分析方法，但其反映的參數有限，且整果穿刺與切分試樣穿刺的結果具有一定差異[32]，需要進一步結合其他的分析方法。采用剪切、壓痕等更多的試驗手段，從試驗數據中提取更多可利用的參數，建立與微觀結構更為緊密的聯系，進行輔助分析[33]，達到穿刺力學特性的充分分析。

3.2 結論

1）隨著加載速度的增大，同一品種果肉穿刺特性的各指標值在增至極限值的過程中出現2個及以上峰值，具有波動性；‘丹霞’蘋果果肉斷裂總功基本上呈現先增大后減小的趨勢，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先增大后減小的趨勢，而斷裂總功呈現先減小后增大的趨勢，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）。果核穿刺力學特性參數變化規律與果肉相似；‘丹霞’果肉和果核都比‘紅富士’更容易到達斷裂點，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，更利于細胞液在組織內的流動。與‘紅富士’相比，‘丹霞’果內和果核的組織形態減弱了其穿刺力學特性。