振动频率对蜜瓜贮藏期间质构特性和细胞的影响

刘建志,杨晓清,杜亚楠

(内蒙古农业大学食品科学与工程学院,内蒙古呼和浩特 010018)

蜜瓜具有较高的含糖量,含有丰富的氨基酸、有机酸、钙、铁、维生素等营养物质,深受人们喜爱,素有“瓜中之王”的美称,是世界十大水果之一。蜜瓜是中国西北地区的代表特色果品,也是内蒙古地区重要的经济作物。但是由于产地远离经济发达的北京、上海等城市和东部沿海港口,因此往往要经历长途运输到达主消费区[1]。运输过程中的振动会引起果实的生理变化,导致呼吸强度增加,内部软化,最终引起果实品质衰变,货架期缩短,造成严重的经济损失[2-3]。蜜瓜不耐储,属于呼吸跃变型果实,并且具有明显的粘弹性,成熟后的蜜瓜保藏时间约15 d左右。厚皮蜜瓜因其皮厚、空腔结构和单果质量大等特点,在运输过程中造成的损伤不易及时表现出来,但在贮藏中逐渐表现为果实的口感下降、质地等衰变的延迟损伤。

据统计,由于运输过程中的机械损伤造成的果蔬的烂损率达30%[4-6],而运输中的振动是造成果蔬损失的主要因素[7-8]。目前,国内外对果蔬贮运过程中的机械损伤都有一定的研究,且各有侧重。如对果蔬建立数学模型和通过模拟运输研究对果蔬生理变化的影响等。Jarimopas等[9]研究了塑料筐中柑橘在实际运输振动条件下的损伤特性。Cherng[10]利用有限元法对哈密瓜的振动变形进行了理论分析。Van等[11]通过离散元素法研究了箱装苹果不同层次的损伤与振动频率、加速度和堆积高度的关系。刘翔等[12]研究了甜瓜质构分析(TPA)的测试参数,与感官评价进行了显著性分析,得出TPA测试的最佳参数。曾媛媛等[13]模拟了半挂车运输中振动对哈密瓜贮存期内品质的影响,发现振动加快哈密瓜呼吸速率和丙二醛的产生。康维民等[14]通过模拟3自由度振动实验,研究了塑料箱装梨下各方向振动的加速度传递率及振动频率对梨的损伤影响。黄祥飞等[15]对梨进行了振动扫频和模拟了多种工况下运输振动实验,发现梨的振动响应具有非线性特征,并获得了梨果实振动损伤体积与振动时间的关系式及提出了考虑振动时间影响的梨粘弹性蠕变模型。刘林林等[16-17]利用振动台模拟梨运输,发现低频最不利于梨的运输,并且相同频率下加速度越大梨的损伤越大。袁成龙等[18]利用TPA测试,研究了两种品种的桃在采后不同贮藏时间的质地变化,探究了贮藏时间内果肉硬度、粘性和咀嚼性的变化。程旭研等[19-20]究发现加速度传递率随振动时间的增加而增加,并且通过扫频实验获得了不同硬度蜜瓜的共振频率。目前,前人主要研究了运输过程中振动方式、振动频率、振动加速度对果实生理的影响等,并且研究对象主要为苹果、梨、杏[21]和桃[22]等薄皮且易损伤果实,品种比较单一,而对振动后果实的品质变化研究较少。

本实验在借鉴前人研究的基础上,模拟道路运输,探究不同振动频率对蜜瓜内在品质的影响,从而反映其不易察觉的内部损伤,应用质地多面分析(TPA)测试法,反映不同振动频率处理后的蜜瓜在贮藏期内质地、组织结构等变化,从而反映不同振动频率对蜜瓜的损伤大小,为蜜瓜采后合理包装运输提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

蜜瓜(金红宝) 非网纹状厚皮厚皮甜瓜亚种,选择大小相似,无病虫害,无损伤,质量在1.0～1.25 kg,硬度在4.7～5.33×105Pa的同一批蜜瓜,产于内蒙古巴彦淖尔市。

SW-TFA电磁振动实验机 深圳市盛世威实验设备工厂;TA.XT.Plus物性测试仪(质构仪) 英国Stable Micro Systems公司;DDSJ-318电导率仪 上海仪电科学仪器股份有限公司;SMARTe-500一体化数码显微镜 重庆奥特光学仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 振动实验 由于运输过程中以低频、垂直振动为主,并且主要在20 Hz左右以下[13],因此实验分别选取6、9、12、15、18、24 Hz为实验的振动频率,振动加速度均为0.6 g,对蜜瓜进行1 h的振动处理。将蜜瓜上下果梗视作两极,中间最长圆周作为赤道处。模拟实际运输的做法,果实果梗水平放置。每个频率下设置8组,每组3个蜜瓜。振动后室温(25±1) ℃贮藏。每隔1 d对每组样品采用取样器取出Φ2 cm×2 cm的圆柱果肉,每个蜜瓜样品取3个采样点,采样点为蜜瓜与振动台接触处的中心赤道处,取出样品后,使用物性测试仪分别测试储藏期内第1、3、5、7、9和11 d的TPA参数。

1.2.2 质构仪质地多面分析(TPA)的测定方法 根据刘翔等[12]研究发现,压缩速度为 1 mm·s-1、压缩程度为 30% 时 TPA 质构参数与感官评价均具有显著或极显著的相关性,相关系数最高,因此实验中选择1 mm·s-1的压缩速度和30%的压缩程度作为甜瓜果实TPA质构实验的测试条件,并使用P/100探头,两次压缩中间时间间隔为5s,触发力为5 g。每组取5个圆柱果肉样测试,对所得数据分别取平均值。蜜瓜果肉TPA典型质地特征曲线如图1所示[12]。

图1 蜜瓜果肉TPA典型质地特征曲线Fig.1 Analysis of TPA test for muskmelon flesh

式中:P0是去离子水的初始电导率值(μs/cm);P1是活组织提取液的电导率值(μs/cm);P2是组织被杀死后的提取液电导率值(μs/cm)。

1.2.4 显微镜细胞观察 选取储藏第3 d时的对照组(CK)和6Hz振动处理组的蜜瓜进行显微镜细胞观察,使用双刃刀片在蜜瓜与振动台接触处的果肉上切取薄片于载玻片上,并使用中性红染色,使用10(目镜)×40(物镜)的显微镜观察。

1.3 数据处理

使用Excel 2007和Origin 2016进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 6 Hz频率振动后和对照组蜜瓜TPA测试图

以6 Hz的TPA测试图为例(图3),与对照组(CK)(图2)进行对比分析可得,振动处理过的蜜瓜的TPA测试图变化明显,蜜瓜经过振动处理后第一次压缩的峰值有所变化,贮藏期内的峰值小于对照组的峰值。

图2 对照组(CK)贮藏期内TPA变化图Fig.2 Control group TPA change map

图3 6 Hz振动处理蜜瓜贮藏期内TPA变化图Fig.3 6 Hz vibration TPA change map

2.2 蜜瓜振动后贮藏期间TPA参数硬度的变化

硬度是指果肉在外力作用下使其发生变形所需的外力,反映在质地特征曲线上为第一次压缩中的最大值[12]。从图4可以看出,蜜瓜经过振动处理后,贮藏期内蜜瓜硬度下降明显,出现不同程度的软化现象,第3 d后硬度下降迅速。在第5 d时,与CK组硬度相比,24和18 Hz振动的蜜瓜的果肉硬度分别下降9%和17%,15和12 Hz分别下降的24%和29%,而6和9 Hz下降了47%左右。从贮藏期内硬度变化可以看出,振动加快了蜜瓜的软化过程,降低了贮藏时间,不利于蜜瓜贮藏。有研究表明,果实在贮藏过程中的软化主要是由于细胞中的胶层结构发改变,使细胞间分离和细胞壁物质降解引起的细胞壁结构破坏的结果[24-25]。分析原因可能是由于振动的反复作用而产生物理性和生理损伤,使细胞液粘滞流动和导致细胞间的相对滑移趋势,导致果肉细胞的损伤、细胞液外渗和细胞间不再紧密结合。吴芳等[21]研究了振动对杏细胞壁等物质的影响,发现振动导致多聚半乳糖醛酸酶(PG)、纤维素酶(Cx)和β-葡萄糖苷酶活性和可溶性果胶含量的增加,加快原果胶和纤维素的分解,加快了果实硬度的下降和软化。

图4 贮藏期间果肉硬度变化Fig.4 Comparison of changes hardness during storage

2.3 蜜瓜振动后贮藏期间TPA参数弹性的变化

弹性是指蜜瓜果肉经第一次压缩变形后,在去除外加作用力的情况下所能回复的程度,反映在质地特征曲线上为第二次样品压缩回复高度(长度2)与第一次压缩变形量(长度1)的比值来表示[12]。蜜瓜果肉的弹性可以反映细胞膨压强度,侧面反映振动对蜜瓜果肉的损伤。从图5可以看出,贮藏期内蜜瓜果肉的弹性随着贮藏时间的增加而降低。与对照组相比,振动处理的蜜瓜的弹性明显低于对照组(p<0.05),而经6和9 Hz振动的蜜瓜果肉的弹性降低最明显(p<0.05)。从图中还可以看出,弹性在后期有回升增大现象,可能因细胞失去一部分组织液使弹性有所增加。弹性变化的原因可能是振动导致一部分细胞损伤破裂和一部分细胞的细胞膜损伤使细胞液外渗,膨压降低,以及振动导致细胞间的结合力降低[21]。

图5 贮藏期间果肉弹性变化Fig.5 Comparison of elasticity during storage

2.4 蜜瓜振动处理后贮藏期间TPA参数内聚性的变化

内聚性是指咀嚼蜜瓜果肉时,果肉抵抗牙齿咀嚼破坏而表现出的内部结合力,可以反映细胞间结合力的大小,在质地特征曲线上为两次压缩所做的正功之比,即第二次压缩的峰面积(面积2)与第一次压缩的峰面积(面积1)之比[12]。从图6可以看出,与对照组相比,振动过的蜜瓜的内聚性要低,而6和9 Hz变化最为明显,且显著低于其他组(p<0.05)。可能是由于振动导致酶活性的增加,促进了果胶的分解,使细胞间的结合力减弱[21-22]。

图6 贮藏期间果肉内聚性变化Fig.6 Change of cohesiveness during storage

2.5 蜜瓜振动处理后贮藏期间TPA参数咀嚼性的变化

咀嚼性为硬度、内聚性和弹性三者的乘积,它综合反映了果肉对咀嚼过程所产生外力的持续抵抗作用[12]。从图7可以看出,随着贮藏期的增加,果肉的咀嚼性降低,而振动处理过的蜜瓜的咀嚼性明显低于对照组(p<0.05)。低频6和9 Hz的咀嚼性下降最大,而且下降迅速,而高频24 Hz的咀嚼性降低相对较低,24 Hz第5 d时咀嚼性比对照组下降4.5%左右,12、15、18Hz咀嚼性下降30%～45%,6和9 Hz下降64%左右。分析原因可能是由于振动的反复作用导致果实的机械损伤和生理变化,导致果实内部细胞的损伤,果胶分解,呼吸作用增加等生理变化[22-23],从而导致了硬度降低,内聚性和弹性减弱,最终反映出果实咀嚼性的降低。李玲等[22]通过振动胁迫蟠桃果实,发现振动会加速蟠桃软化。

图7 贮藏期间果肉咀嚼性变化Fig.7 Change of chewiness during storage

2.6 振动对蜜瓜细胞膜渗透率的影响

通过电导率法测定细胞膜渗透率,以此评价细胞膜的完整性。从图8可以看出,细胞膜的相对电导率随着贮藏时间的增加而增大,振动后蜜瓜的细胞膜渗透率比对照组蜜瓜的上升快,频率较小的6和9 Hz振动的蜜瓜细胞膜渗透率比频率较高振动下的细胞膜渗透率要大。根据频率与振幅、加速度的关系公式:a=4π2f2d,分析可能是由于频率较低时振幅增大,冲击力作用明显,又由于蜜瓜自身质量较大,在振动的反复作用导致蜜瓜的机械损伤,使蜜瓜果肉的细胞膜损伤。管晖等[3]对蜜瓜进行的振动实验中也表明振动作用导致蜜瓜细胞膜渗透率的增加。细胞膜渗透率的增加会导致细胞失水,硬度、弹性和咀嚼性的降低,与质构测试的硬度、弹性和咀嚼性对比可以看出,果肉的硬度、弹性和咀嚼性确实降低了,但在11 d时质构参数趋于稳定,但细胞膜渗透率还有较大变化,分析可能后期细胞膜渗透率的改变对果肉力学特性应用减小,在测试仪器上不在那么明显导致,从而说明细胞膜渗透率后期的改变可以从一定程度上解释质构特性的改变。

图8 分别采用不同频率振动作用后蜜瓜细胞膜渗透率的变化Fig.8 Changes of cell membrane permeability of hibernating muskmelon after vibration

2.7 蜜瓜果肉细胞显微镜观察

实验选取对质构特性影响较大的6 Hz振动频率对果实进行细胞显微镜观察,如图9所示。对蜜瓜果实在6 Hz下振动处理,由于刚刚振动后的果实的变化不是即时的,因此对其进行储藏,在第3 d时再显微镜观察果肉细胞,同时与第3 d时的空白对照组(CK)对比。通过观察可以看出,对照组两张显微镜观察的细胞图片中果肉细胞饱满,紧密连接,而经过6 Hz振动处理过的蜜瓜果肉细胞分离不再紧密相连,细胞不再饱满,细胞液流失现象。从而也可以解释果肉的硬度、弹性和内聚性的降低。

图9 振动后贮藏第3 d时果实细胞显微镜观察对比(400×)Fig.9 Microscopic observation of the fruit cells(400×)

3 结论

经振动作用后的蜜瓜在贮藏期内其果肉的细胞膜渗透率呈增长趋势且大于对照组(p<0.05),振动导致果实细胞损伤,细胞液外漏萎蔫。振动处理后的蜜瓜贮藏期内蜜瓜的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性均低于对照组(p<0.05),上述情况在低频振动后表现更为明显,6和9 Hz时对蜜瓜细胞膜的损伤较大,以及其硬度、弹性、内聚性和咀嚼性明显要低于对照组(p<0.05)。

实验研究了不同频率的振动对蜜瓜品质的影响,发现不同频率的振动对蜜瓜的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性影响不同,其中6和9 Hz的振动对蜜瓜品质影响最大,但对蜜瓜进行缓冲包装,如瓦楞纸箱包装,泡沫包装等情况下的振动研究还需进一步的研究。

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