基于穿刺测试和TPA法的板栗果实质地分析

何秀娟，仝 铸，肖 翠，王泽琼，徐育海，孙中海，邱文明

（湖北省农业科学院果树茶叶研究所，果树种质创新与利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430064）

板栗（Castanea mollissimaBlume）属壳斗科（Fagaceae）栗属（Castanea）植物，兼具生态价值和经济价值，是世界著名干果树种[1]。我国板栗栽培历史悠久，品种类型丰富，分布范围极广，涵盖24个省（自治区、直辖市）[2]。板栗果实为药食两用食品，可鲜食和加工，深受消费者的喜爱，是我国部分山村经济的重要支柱产业之一，但板栗生产中普遍存在种植品种混杂、良莠不齐、管理粗放等问题，造成果实品质不稳定，影响板栗生产效益的提升及产业链的发展。传统的板栗栽培和育种目标多侧重于丰产性，近年来逐步聚焦于果实品质的提升。目前对板栗果实品质的了解还不够全面，采用的品质特性评价方法主要有鲜果化学品质分析和熟食感官测评[3]。果实品质分析主要依赖于传统的化学检验方法，需要进行样品制备等一系列流程，操作较为复杂，检测效率较低[4]。

质地是园艺产品重要的感官品质之一，近几年越来越受到国内外科研工作者的关注[5]，是部分园艺作物重要的育种目标和果实采收指标[6]，并被作为品质分级指标[7]。采用质构仪进行果实质地检测可以得到丰富的特征参数，具有客观、易操作等优点，已广泛应用于多个领域的研究[8-11]。穿刺测试和质地多面分析（Texture profile analysis，TPA）是两种常用的质地检测方法，其中，穿刺试验可以对一个完整的果实进行流变学特性分析，TPA法是通过对样品进行两次机械压缩模拟牙齿咀嚼得到相关的质地参数。本研究以16 个表型差异明显的板栗品种鲜果为试材，采用穿刺测试和TPA 分析两种方法进行质地检测，分析各参数之间的相关性，并通过主成分分析和聚类分析方法对板栗果实质地进行综合评价，以丰富板栗果实品质评价内容，为板栗鲜食品质鉴定、加工利用和品种选优提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 试验材料

供试的16个品种板栗果实采自湖北、河北、辽宁、广西、云南和福建等地，产地和品种群信息[2]详见表1。依据各品种成熟期，选择果实完全成熟时进行采摘，果实采后充分散热降温，及时运至实验室，挑选大小均一、无病虫害、无机械损伤的鲜果进行相关指标的测定。

表1 供试板栗样品信息Table 1 Sample information of test chestnut

1.1.2 仪器与设备

SQP型电子天平，北京赛多利斯科学仪器有限公司；游标卡尺，上海工具厂有限公司；TA.XT plus型物性测试仪，英国Stable Micro Systems公司。

1.2 方法

1.2.1 板栗果实表型性状测定

根据LY/T 1851—2009《植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南 板栗》[12]，每个板栗品种随机选取30个边果，调查记录果实的表型性状。

使用电子天平测量单果质量；使用游标卡尺测量果实最大横径处的宽度为果实横径，果顶至果实底部的高度为果实纵径；果形指数为坚果横径与纵径的比值[13]。

1.2.2 板栗果实质地分析

使用物性测试仪对板栗果实进行整果穿刺测试和TPA分析，两种分析方法各测定30个边果。

穿刺质地分析：取单个板栗边果栗仁置于测试平板，在果实赤道处进行试验，采用直径2 mm 的P2圆柱形探头，触发力5 g，穿刺速度1 mm/s，穿刺距离6 mm，提升速度10.0 mm/s。板栗果实穿刺试验质地特征曲线如图1 所示，探头运行时先接触到果面，随着穿刺深度的增加，探头受力增加，达到最大值时，果面破裂受力下降，之后感应栗仁内部果肉穿刺的力值变化。根据板栗果实特征质地曲线和其他果实穿刺检测的报道，对表征栗仁质地状况的参数进行定义，以第一峰的力值为果面硬度（g）；锚3和锚4之间的平均力值为果肉平均硬度（g）；探针接触果面到刺破时的距离为果面韧性（mm）[14]；第一峰的力值与运行距离的比值为果面脆性（g·s-1）[15]；果肉脆性定义为穿刺曲线的锚2 和锚4 之间的线性距离（g·s）[6]；紧实度（g·s）为锚5和锚6之间的面积[16]。

图1 板栗果实穿刺试验质地特征曲线Fig.1 The typical curve of puncture test of chestnut kernel

TPA 质地分析：取果实赤道处的栗仁材料，用直径为1.2 cm的打孔器在栗仁上打孔，将柱状果肉高度修饰为1.0 cm，每个果实取样1个柱状体。将切好的栗仁样品置于物性分析仪测试平板上，选择TA/100压盘探头，测前速度5 mm/s，测试速度1 mm/s，测后上行速度5 mm/s，目标值3 mm，2次压缩停顿时间为5 s，触发力为5.0 g。板栗果实TPA 质地特征曲线如图2所示。TPA 参数定义参考Bianchi 等[17]和马媛媛等[18]的方法，由质地特征曲线经物性分析仪软件计算得到板栗果实TPA质地参数（硬度、黏附性、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性）。

图2 板栗果实TPA质地特征曲线Fig.2 The typical TPA curve of texture character of chestnut kernel

1.2.3 数据处理

采用Excel软件进行数据统计，采用SPSS 21.0软件进行显著性、相关性和主成分分析，Origin 2022 软件进行聚类分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 板栗不同品种果实表型性状比较

16个品种板栗果实表型性状测量结果见表2，各指标均存在差异，其中单果质量变异系数最大，为33.19%，果形指数变异系数最小，为11.05%。金华丹东栗单果质量最大，达到21.47 g，显著高于其他品种（P＜0.05）；神农架板栗单果质量最小，仅为4.50 g，显著低于其他品种（P＜0.05）。根据LY/T 1851—2009《植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南 板栗》[12]中坚果大小分级标准，供试16 个板栗品种中有6 个品种单果质量介于15～25 g，为大果；6个品种单果质量介于10～15 g，为中果；4个品种单果质量在10 g以下，为小果。

表2 不同品种板栗坚果表型性状Table 2 Phenotype traits of different varieties of chestnut nuts

参试品种板栗果实横径范围为2.41～4.50 cm，纵径范围为2.03～3.73 cm，其中金华丹东栗果实横径和纵径最大，分别为4.50 cm 和3.73 cm，均显著高于其他品种（P＜0.05）；锥栗果实横径最小，仅为2.41 cm，神农架板栗果实纵径最小，为2.03 cm。参试品种果形指数为0.81～1.34，有5 个品种果形指数≥1.3，8 个品种介于1.2（含）～1.3，2 个品种介于1.0（含）～1.2，仅锥栗果形指数＜1.0，显著低于其他品种（P＜0.05）。

2.2 不同品种板栗果实穿刺试验质地参数分析

由表3 可知，6 项穿刺质地指标（果面硬度、果肉平均硬度、果面韧性、果面脆性、果肉脆性和紧实度）在16 个板栗品种间存在差异，果面脆性和紧实度变异程度较大，分别为19.84%和21.80%；果面韧性和果肉脆性变异幅度最小，分别为6.73%和5.69%。果面硬度、果面韧性和果面脆性3个指标可以反映栗仁表层的质地结构，果肉平均硬度和果肉脆性反映栗仁内部的质地特点，紧实度反映板栗的组织紧实程度。锥栗果面硬度、果肉平均硬度、果面韧性、果面脆性和紧实度均显著高于其他品种（P＜0.05）；宣化红和优处暑红果肉脆性显著高于罗田乌壳栗、红毛早、西沟7 号和云南早油栗以外的其他品种（P＜0.05）。宣化红、鄂栗1 号和金华丹东栗的果面脆性显著低于其他品种（P＜0.05），宣化红、鄂栗1 号、花桥2 号和金华丹东栗紧实度显著低于除红毛早外的其他品种（P＜0.05）。

表3 不同品种板栗果实穿刺试验质地参数Table 3 Textural parameters of different chestnut cultivars in puncture test

2.3 不同品种板栗果实TPA试验质地参数分析

由表4可知，7项TPA质地指标（硬度、黏附性、弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性）在板栗品种间存在差异，黏附性的变异系数最大，为51.784%，其次是咀嚼性，为29.506%，内聚性的变异系数最小，为11.481%。TPA 硬度反映了果肉的整体坚实程度，试验结果表明，TPA 硬度的变异程度（变异系数17.98%）大于穿刺试验硬度（变异系数8.29%），锥栗、神农架板栗和西沟7 号的TPA 硬度显著高于其他品种（P＜0.05），鄂栗1 号和金华丹东栗的TPA 硬度显著低于其他品种（P＜0.05）。果实黏附性反映了果实粘牙的口感。锥栗的黏附性显著高于其他品种（P＜0.05），腰子栗、鄂栗1号和神农架板栗果实的黏附性显著低于其他品种（P＜0.05）。弹性反映果实的抗压能力和细胞间的结合力。六月暴和宣化红弹性显著高于大红袍以外的其他品种（P＜0.05）。内聚性反映样品内部的收缩性。大红袍的内聚性显著高于除罗田乌壳栗和六月暴外的其他品种（P＜0.05）。胶黏性指吞咽食品前破碎它需要的能量。鄂栗1 号的胶黏性显著低于除金华丹东栗外的其他品种（P＜0.05）。咀嚼性是咀嚼固体所需要的能量。六月暴的咀嚼性显著高于其他品种（P＜0.05），鄂栗1 号的咀嚼性显著低于除金华丹东栗外的其他品种（P＜0.05）。回复性反映了果肉组织受到压缩时快速恢复变形的能力。大红袍果实的回复性显著高于除罗田乌壳栗和六月暴外的其他品种（P＜0.05）。

表4 不同品种板栗果实TPA试验质地参数Table 4 Textural parameters of different chestnut cultivars in TPA test

2.4 果实质地参数间相关性分析

由表5 可知，穿刺果面硬度、果肉平均硬度和TPA 硬度两两之间均呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数为0.802～0.895，3 个硬度参数均与果面韧性（相关系数分别为0.771、0.827、0.768）、果面脆性（相关系数分别为0.913、0.928、0.789）和紧实度（相关系数分别为0.813、0.928、0.833）呈极显著正相关（P＜0.01），与果肉脆性、黏附性、弹性、内聚性、咀嚼性和回复性相关性不显著；穿刺果面硬度和TPA 硬度与TPA 胶黏性呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数分别为0.720、0.814，果肉平均硬度与胶黏性呈显著正相关（P＜0.05），相关系数为0.561。综合以上分析，3个硬度参数间关系紧密，穿刺果面硬度和TPA 硬度与其他质地参数之间的相关性一致。

表5 板栗果实质地性状指标间的相关性Table 5 Correlation among the textural characters of chestnut fruit

穿刺测试中，果面韧性与果面脆性（相关系数0.684）呈极显著正相关（P＜0.01），且均与紧实度（相关系数0.792 和0.859）呈极显著正相关（P＜0.01）；果肉脆性与其他参数无显著相关性。TPA测试中，胶黏性为硬度与内聚性的乘积，咀嚼性为硬度、内聚性、弹性三者的乘积，相关性分析表明，弹性与内聚性（相关系数0.847）呈极显著正相关（P＜0.01）；回复性与弹性、内聚性、咀嚼性（相关系数0.793、0.977、0.759）呈极显著正相关（P＜0.01）；果实黏附性与其他质地参数相关性不显著。

2.5 果实表型性状与质地指标间相关性分析

由表6可知，两个果实表型指标单果质量和果实横径均与果面硬度（相关系数-0.512、-0.557）、果肉平均硬度（相关系数-0.550、-0.576）、果面韧性（相关系数-0.516、-0.594）、果面脆性（相关系数-0.568、-0.641）和紧实度（相关系数-0.570、-0.536）穿刺质地参数呈显著负相关（P＜0.05），与果实TPA硬度（相关系数-0.800、-0.727）呈极显著负相关（P＜0.01）。果形指数与穿刺果面硬度（相关系数-0.581）呈显著负相关（P＜0.05），与果肉平均硬度（相关系数-0.649）呈极显著负相关（P＜0.01），与TPA 硬度相关性不显著。TPA胶黏性与单果质量（相关系数-0.589）、果实横径（相关系数-0.610）和果实纵径（相关系数-0.607）呈显著负相关（P＜0.05）。

表6 板栗果实表型性状与质地指标间相关性分析Table 6 Correlation analysis between phenotype traits and texture indexes in chestnut fruits

2.6 主成分分析

为反映各果实指标在综合评价中的作用，对17个指标（单果质量、果实横径、果实纵经、果形指数、果面硬度、果肉平均硬度、果面韧性、果面脆性、果肉脆性、紧实度、TPA 硬度、TPA 黏附性、TPA 弹性、TPA内聚性、TPA胶黏性、TPA咀嚼性、TPA回复性）数据进行降维分析，提取到4个特征值大于1的主成分，将提取的主成分因子进行旋转处理，如表7所示，4个主成分累计方差贡献率达89.298%。载荷值的大小反映各变量在主成分中的重要程度。本研究选取各因子载荷值的绝对值大于0.800的指标作为解释变量。

表7 主成分分析旋转后的成份载荷矩阵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%，其中绝对值较高的正向特征向量指标有穿刺果肉平均硬度、果面硬度、果面脆性、果面韧性、紧实度和TPA 硬度。板栗是一种硬度较高的干果，硬度指标对果实质地有重要影响。试验结果显示，3个硬度值均与果面韧性、果面脆性和紧实度极显著相关（P＜0.01），PC1可称为果实硬度因子。第2主成分（PC2）包含了原始信息量的25.785%，其中内聚性、回复性、弹性、咀嚼性具有较高的正向特征向量，这些指标均为对样品进行两次机械压缩模拟牙齿咀嚼得到的TPA 试验参数，其中咀嚼性变异系数最大，PC2可称为咀嚼特性因子。第3主成分（PC3）包含了原始信息量的17.645%，其中果实横径、果实纵径和单果质量具有较高的正向特征向量，均为果实表型指标，PC3可称为果实大小因子。第4主成分（PC4）包含了原始信息量的10.923%，TPA黏附性有较大的正系数值，PC4 可称为果实黏附性因子。将17 个变量指标原始数据标准化后用X1～X17表示，由各指标的得分系数计算4个主成分因子得分，公式如下：

以各主成分因子所对应的方差贡献率与提取出的总方差贡献率的比值作为权重，得到主成分综合评价模型，即F=（0.349F1+0.258F2+0.176F3+0.109F4）/0.893。16 个板栗品种在4 个主成分上的得分及排序结果见表8，第一主成分排名较高的有锥栗、西沟7 号和隆林板栗，这些品种硬度较大；第二主成分排名较高的品种有六月暴、大红袍和罗田乌壳栗，这些品种鲜食咀嚼性参数较高；第三主成分排名较高的有金华丹东栗、优处暑红和云南早油栗，这些品种果型较大；第四主成分排名较高的有锥栗、3113 和金华丹东栗，这些品种果肉黏附性较高。综合得分靠前的品种是锥栗、西沟7 号、罗田乌壳栗、大红袍和六月暴。

表8 不同品种板栗果实各主成分得分、综合得分及排序Table 8 Principal component scores,comprehensive scores and ranking of different varieties of chestnut fruit

2.7 板栗果实表型和质地指标聚类分析

将16 个板栗品种的17 项指标数据归一化处理后进行热图聚类分析，结果见图3。结果显示，16 个板栗品种根据质地和表型特征可以聚为7 类：Ⅰ为锥栗，果形指数最小，单果质量小，果实硬度及相关参数大，TPA 咀嚼性、弹性、内聚性等参数较低；Ⅱ为金华丹东栗和鄂栗1 号，果型大，果实硬度小，咀嚼性参数低；Ⅲ为花桥2 号和3113，果型偏小，果实硬度和咀嚼性小；Ⅳ为隆林板栗，果型中等，果实硬度较大，咀嚼性小；Ⅴ为西沟7 号和神农架板栗，果型小，果实硬度大，咀嚼性大；Ⅵ为优处暑红、云南早油栗和腰子栗，果型较大，果实硬度和咀嚼性中等；Ⅶ为宣化红、红毛早、六月暴、大红袍和罗田乌壳栗，果型中上，果实硬度中等，咀嚼性等TPA 口感指标高，适宜生食。

图3 板栗品种果实表型和质地指标聚类热图Fig.3 Clustering heat map in fruit phenotype and texture indexes of chestnut cultivars

3 讨论与结论

我国板栗分布区域地理特征和气象条件复杂多变，形成具有特定适应性的地方品种资源，板栗果实品质成分随品种（基因型）和环境因素（气候条件、土壤特性和栽培管理）的变化而不同[19-20]。质地是果实鲜食品质和加工工艺的重要影响因素，目前对板栗果肉质地性状的研究还不够完善。Fernandes 等[21]研究了采后处理对贮藏期间板栗果实穿刺质地及其他理化特性的影响；范新光等[22]采用TPA测试方法研究了板栗果实贮藏期间质地的变化；Kan等[23]研究了热加工处理对板栗淀粉理化特性和栗仁TPA 质地品质的影响；张乐等[24]对河北、河南两省的6 个板栗品种果实质地进行了TPA测定，结果表明，不同板栗品种间质地特性存在较大差异。本研究采用穿刺测试和TPA两种方法进行板栗果实质地检测，穿刺方法优势在于不依赖样品的大小和形状，省略了不易统一的样品制备过程[25]；TPA反映样品两次压缩后的结构和外观变化，更能反映果实的口感质地。板栗鲜果具有一定的脆性，TPA法的脆性值在样品破损后才能检测出，影响其他TPA 指标的真实体现[26]，且大部分测试样品没有出现破裂峰，因此舍去TPA 测试的脆性指标，仅在穿刺测试中反映果实的脆性。

穿刺试验和TPA 分析均可以反映栗仁的质地特性，穿刺果面硬度、果肉平均硬度和TPA 硬度3 个硬度指标关系密切，TPA测试中板栗果实的硬度仅与胶黏性显著相关，与其他TPA指标相关性低，这与脆肉梨[27]、苹果[28]等的研究结果不一致，但与枣[29]、甘薯[30]等的研究结果相似，可能与不同物种和样品差异有关。果实硬度是判断果实质地、反映果实贮藏性和衡量贮藏效果的主要指标[31]。试验中板栗果实硬度与其他多数指标存在显著相关性，表明与其他果实一样，硬度对于板栗果实的品质也具有非常重要的影响。本试验结果还表明，板栗果实的硬度与果型大小呈负相关，这与Saei等[32]的研究结果一致。果实黏附性是克服样品与探头之间的吸引力所做的功，板栗果实为干果，鲜果样品表面出汁少，探头检测到的力值比较小且非常灵敏，本试验各项指标中以果实黏附性的变异系数最大，相关性分析表明黏附性与其他质地参数不相关，这与杨植等[33]在枣果实上的研究结果相似。

主成分分析法可将原来有一定相关性的指标重新组合成一组相互无关的综合指标来明确度量各个指标的重要性[34]。本研究利用主成分分析法将17个指标组合形成果实硬度、咀嚼特性、果实大小和黏附性4个主成分，可反映所有指标的89.298%信息。聚类分析结果表明，16 个板栗品种根据质地参数和表型特性可以分为7 类，每一类各具特点，反映了板栗果实物理性状的多样性。

综上所述，穿刺测试和TPA 法结合能很好地反映板栗果实质地差异情况，果实表型和质地等物理性状可以用于区分板栗品种，这些指标可作为板栗种质资源的评价指标，为板栗鲜食品质鉴定、加工利用和品种优选提供科学依据。