苹果果肉和果核穿刺力学特性与微观结构分析

关键词：苹果；果肉；果核；穿刺力学试验；微观结构

中图分类号：S661.1 文献标志码：A 文章编号：1003—8981（2024）03—0170—07

苹果营养价值高，耐贮性好[1]，且我国苹果种质资源丰富，种植面积及产量均居世界首位[2-3]，但苹果在运输、贮藏等环节中会承受多种载荷形式的作用，造成果实挤压、果肉破裂，形成损伤[4-5]，加速了微生物对果实的侵害，严重影响苹果的品质及经济效益。穿刺力学试验可检验苹果果实的坚实度，表征苹果组织的致密程度[6-8]，推测苹果果实组织抵抗破坏的能力[9]，为苹果的采收、贮藏和加工运输的装备设计提供参考依据。

近年来，国内外学者多次利用穿刺力学特性试验研究了苹果果实的质地特性，但观测的特性参数各不相同。苹果果皮作为果实最外层的组成部分，其穿刺力学特性对整果穿刺力学研究具有重要意义[10-12]。Brennan[13] 对苹果果皮及浅表层果肉的穿刺试验表明，穿刺的最大力可表征苹果的质地特性。蒋冰瑶等[14] 采用质构仪，选用10 个加载速度对苹果果皮向阳面与向阴面进行穿刺力学特性试验，试验表明相同加载速度下不同果面果皮的穿刺强度存在极显著差异（P ＜ 0.01）；不同品种果皮穿刺强度存在差异，且果皮穿刺强度与穿刺部位、加载速度呈极显著差异（P ＜ 0.01）。冯慧敏等[15] 制取了不同形态的苹果果肉试样，运用不同的加载速度进行穿刺试验，研究表明试样的形状、尺寸、加载速度均会影响苹果果肉的力学特性。侯聚敏[16] 采用相同加载速度对不同品种苹果果实进行穿刺试验，试验表明不同品种果实穿刺力学特性存在差异。蒋冰瑶等[17] 采用P2 探头对不同品种苹果果皮及果肉进行穿刺力学特性研究，得到不同品种果肉脆度的敏感度评价指标会随着加载速度的变化而变化。

许多研究表明果实品质差异与其微观结构密切相关。采用显微镜技术对果实组织进行微观结构观察，可以发现导致果实穿刺力学特性差异的原因。杨兴胜[18] 通过创建苹果片干燥的宏观和微观模型，获得不同条件下苹果片组织的干燥特性。侯聚敏等[16] 用激光共聚焦显微镜对果肉细胞结构进行观察，发现不同品种苹果果肉质地存在差异。范献光[19] 运用扫描电镜对不同品种苹果果肉的细胞结构进行观测，发现果实生长发育各时期果肉细胞壁组分含量的变化，并从细胞学角度为苹果品质评价提供了参考。Wang 等[20-21] 对新鲜和贮藏期间苹果果皮微观结构进行观测，研究了不同品种苹果果皮力学特性与微观结构之间的关系。王海鸥等[22]以冻干苹果片为研究对象，分析多元糖浓度对冻干苹果片微观结构的影响。综上可知，苹果穿刺的破裂力、断裂功等参数可用于评估苹果的质地，而且可从组织微观结构进一步获得解释。

‘丹霞’苹果是从金冠实生苗中选出，果实风味独特、香味较浓，果肉乳白色，肉质细及脆，与‘红富士’相比具有果枝结果能力强、成花容易、抗逆性强的优势，果实耐贮藏后无皱皮现象。本研究使用质构仪TA. XT plus 测量不同加载速度下‘丹霞’和‘红富士’苹果的果肉及果核的穿刺力学特性数据，探讨加载速度对穿刺力学特性参数的影响。结合苹果果肉和果核微观结构的观测，分析其穿刺力学特性与微观结构的关系，研究果肉和果核组织对果实质地的影响，为苹果的运输及贮藏提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2023年10月，从山西农业大学果树研究所果园10 年生果树上采集形状、大小、结果位置基本一致，且无病虫害的‘红富士’‘丹霞’果实[23]。

1.2 试样制作

沿纵径将苹果切成两半，采用直径为10 mm的圆筒形模具在果实赤道处进行取样，每半取样2 次。选取两片锋利的刀片，互相平行、间隔10 mm，对样品进行切割，获得高度为10 mm、直径为10 mm 的圆柱形试样。靠近果皮附近取样为果肉试样，靠近种子附近取样为果核试样[24]。

1.3 试验仪器及方法

利用电子秤（花潮高科，HC311）测量单果质量，使用数显游标卡尺（东莞三量量具有限公司，530-101）测量横径与纵径，皮尺测量果实赤道处周长，测量结果均保留一位小数。采用质构仪TA. XT plus 对试样进行穿刺力学试验，得到果肉和果核的力学特性参数。试验时选用P5 探头，测前速度3.00 mm/s，测后速度3.00 mm/s[25]，加载速度分别选取0.01、0.10、1.00、5.00、9.00、13.00 mm/s，试验的穿刺深度为5 mm，每个速度选取10 个试样进行重复试验。

因苹果果肉穿刺载荷- 位移曲线与果核的相似，选取苹果果核穿刺载荷- 位移曲线（图1），对果肉、果核穿刺力学试验结果进行分析，可得到以下几个参数：F 为曲线上最大的力，代表断裂力，表征果肉、果核承受外力的能力；D 为从0 mm 穿刺深度到Fp 对应穿刺深度，代表断裂变形量，代表果肉、果核从开始受力至发生断裂的过程中探头产生的位移量；E 为断裂力与断裂变形量的比值，代表断裂斜率；W 为从0 mm 穿刺深度到F 对应穿刺深度的曲线下面积，代表断裂功；W 为整个穿刺过程中探头做的总功，代表断裂总功。

1.4 苹果果肉和果核微观结构观察

用刀片在制好的圆柱形试样上切出尽可能薄的圆片形果肉组织[26]，将其浸泡在浓度为5% 的刚果红染色剂中20 min，变色后取出，在去离子水中洗净表面染料，放置在载玻片上，吸取多余水分后盖好盖玻片，置于激光共聚焦显微镜观察微观结构，选用488 nm 氩离子激光照射激发荧光，观察时间不超过5 min，避免组织失水卷曲对结果造成影响[27]。每个品种选取10 个果实，每个果实分别取10 个果肉圆片和果核圆片组织[28]。

1.5 数据与图像处理

应用Origin2017软件对穿刺力学参数进行载荷- 位移曲线绘制。应用SAS 软件对果肉力学特性参数进行差异性分析，对力学特性与加载速度进行线性拟合，对果肉组织的欧式几何学结构参数进行差异性分析，取95% 的置信区间[29]。应用Image J 软件处理细胞图像与测量几何参数[30]。

2 结果与分析

2.1 不同品种果实测量值

经测量，‘丹霞’和‘红富士’果实的平均质量分别为（154.5±14.2）g、（197.3±28.5）g，横径分别为（67.6±3.9）mm、（76.3±4.8）mm，纵径分别为（61.4±4.5）mm、（61.8±5.3）mm，赤道处周长分别为（223.4±6.8）mm、（250.2±11.9）mm。

2.2 苹果果肉穿刺力学特性分析

由表1 可知，在试验范围内，随着加载速度的增大，同一品种果肉穿刺特性的各指标值在增至极限值的过程中出现2 个及以上峰值，具有波动性。‘丹霞’苹果果肉断裂总功基本上呈现先增大后减小的趋势；‘丹霞’果肉的断裂力、断裂斜率、断裂功在0.10 mm/s 加载速度下为最小值，断裂变形量和断裂总功在0.01 mm/s 加载速度下为最小值，断裂力、断裂功和断裂总功在9.00 mm/s或13.00 mm/s 加载速度下为最大值； 除了断裂斜率的最大值和最小值存在显著性差异外（P ≤ 0.05），其他差异均不显著。‘红富士’果肉的断裂变形量呈现先增大后减小的趋势，而断裂总功呈现先降低后升高的趋势；‘红富士’的果肉断裂力、断裂总功在1.00 mm/s 加载速度下为最小值，在9.00 mm/s 加载速度下为最大值；断裂斜率在1.00 mm/s 加载速度下为最小值，在13.00 mm/s 加载速度下为最大值；断裂变形量和断裂功分别在0.10、0.01 mm/s 加载速度下为最大值，在13.00 mm/s 加载速度下为最小值；除了断裂斜率和断裂功的最大值和最小值存在显著性差异外（P ≤ 0.05），其他差异均不显著。冯慧敏等[15] 研究表明不同加载速度对苹果果肉穿刺的屈服力、破裂力、破裂深度、破裂能的影响不同。

对比不同品种苹果果肉穿刺力学特性（表1），在相同加载速度下，‘丹霞’果肉的断裂力均小于‘红富士’果肉，两者之间差异不显著，表明‘丹霞’果肉组织在较小断裂力下就会发生断裂。从穿刺试验开始到苹果果肉组织发生断裂，相同加载速度下，‘红富士’果肉断裂变形量较大，但两个品种果肉的断裂变形量无显著性差异。对断裂变形量和断裂力进行分析，发现两个品种苹果果肉在受到穿刺发生断裂时，探头对其产生了不同的断裂力。两个品种苹果的果肉组织断裂斜率及断裂总功在品种间无显著性差异。对断裂功进行分析，不同品种间苹果果肉的断裂功存在显著性差异，‘红富士’果肉的穿刺断裂功大于‘丹霞’果肉，‘丹霞’果肉比‘红富士’果肉更容易到达断裂点。贾朝爽等[31] 在相同加载速度下对苹果果实去皮后进行穿刺试验，也发现不同品种果实的破裂力、破裂功等各不相同。

2.3 苹果果核穿刺力学特性分析

分析不同加载速度下同一品种苹果果核组织穿刺试验结果，由表2 可知，在试验范围内随着加载速度的增大，苹果果核断裂力、断裂变形量、断裂斜率、断裂功、断裂总功在增至极限值的过程中也出现2 个及以上峰值，具有波动性。‘丹霞’苹果果核的断裂力和断裂功在13.00 mm/s 加载速度下为最大值；‘红富士’果核断裂力、断裂斜率、断裂功、断裂总功基本上在1.00 mm/s 加载速度下为最小值，断裂力、断裂斜率、断裂功在9.00 mm/s 加载速度下为最大值。两个品种果核的断裂力、断裂变形量和断裂斜率的最大值和最小值均存在显著性差异（P ≤ 0.05）。

同时，在同一加载速度下，不同品种苹果果核穿刺力学特性参数变化规律与苹果果肉相似（表2）。‘丹霞’果核的断裂力均小于‘红富士’果核，表明‘丹霞’果核组织在较小断裂力下会发生断裂现象，两者之间差异不显著。从穿刺试验开始到苹果果核组织发生断裂，相同加载速度下两个品种果核的断裂变形量无显著性差异。对断裂变形量和断裂力进行分析，可知两个品种果核在受到相同位移穿刺量发生断裂时，探头对其产生了不同的断裂力。两个品种之间果核组织断裂斜率及断裂总功在不同加载速度间无显著性差异。不同品种间果核的断裂功存在显著性差异（P ≤ 0.05），‘红富士’果核的穿刺断裂功大于‘丹霞’果核，因此能够用于区分不同品种的苹果。‘丹霞’果核比‘红富士’果核更容易到达断裂点。

2.4 苹果果肉和果核组织形态分析

通过激光共聚焦显微镜观察苹果果肉和果核组织。由图2 可知，苹果果肉组织细胞由细胞壁进行连接，其中混杂着不规则的多边形区域。‘红富士’品种果肉细胞多为椭圆形，一端较尖锐，细胞连接较为紧密；‘丹霞’品种果肉细胞圆形率较大，细胞连接距离也较长。两个品种苹果组织细胞连接方式不同。‘红富士’和‘丹霞’果肉细胞的圆形率分别为（0.11±0.01）和（0.17±0.08）。由图2 可知，‘红富士’品种果核细胞细长，细胞间连接部分较长；‘丹霞’品种果核细胞两端较为尖锐，这样的形状增强了细胞间的结合，使得果核质地紧密。‘红富士’和‘丹霞’果核孔隙的圆形率分别为（1.94±0.26）和（2.87±0.26）。综上分析可知，‘红富士’与‘丹霞’品种果肉、果核细胞拥有不同的组织特征，因此也呈现出不同的力学特性。在相同的试样体积下，细胞数量越少，组织结构越为稀松。‘丹霞’组织细胞及孔隙都更接近圆形，这表明‘丹霞’组织细胞间连接较少，果肉及果核较‘红富士’品种质地脆弱，抵抗外力破坏的能力更弱。

3 讨论与结论

3.1 讨论

穿刺力学试验是评价苹果质地时的一种常用分析方法，但其反映的参数有限，且整果穿刺与切分试样穿刺的结果具有一定差异[32]，需要进一步结合其他的分析方法。采用剪切、压痕等更多的试验手段，从试验数据中提取更多可利用的参数，建立与微观结构更为紧密的联系，进行辅助分析[33]，达到穿刺力学特性的充分分析。

3.2 结论

1）随着加载速度的增大，同一品种果肉穿刺特性的各指标值在增至极限值的过程中出现2个及以上峰值，具有波动性；‘丹霞’苹果果肉断裂总功基本上呈现先增大后减小的趋势，断裂斜率的最大值和最小值存在显著性差异（P ≤ 0.05）；‘红富士’果肉的断裂变形量呈现先增大后减小的趋势，而断裂总功呈现先减小后增大的趋势，断裂斜率和断裂功的最大值和最小值存在显著性差异（P ≤ 0.05）。

2）在相同加载速度下，‘丹霞’果肉的断裂力及变形量均小于‘红富士’果肉，断裂斜率及断裂总功在品种间无显著性差异，‘红富士’果肉的断裂功显著大于‘丹霞’（P ≤ 0.05）。果核穿刺力学特性参数变化规律与果肉相似；‘丹霞’果肉和果核都比‘红富士’更容易到达断裂点，容易受到穿刺和断裂损伤。

3）‘丹霞’果肉和果核组织孔隙较大，更利于细胞液在组织内的流动。与‘红富士’相比，‘丹霞’果内和果核的组织形态减弱了其穿刺力学特性。