基于微观结构和模态分析的苹果质地研究

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质地特征是苹果一个重要的质量评价指标,它常常作为苹果分级、加工、运输和包装的依据,也直接决定苹果的市场价值。苹果的微观结构影响其质地特征,不同品种的苹果其微观结构存在差异。因此,通过对红富士、黄元帅和乔纳金苹果果肉组织微观结构的研究,可分析果肉组织内细胞和孔隙的形态学参数,来探索不同品种苹果质地特征间存在差异的微观结构因素。此外,苹果的振动特征也影响其质地特征,可用于苹果质地特征的评价预测。采用实验模态分析技术研究黄元帅苹果存放过程中的动力学性质,并利用固有频率对苹果不同组织部位的质地特征进行回归预测,可实现采用动力学参数对质地的评价。本文的主要研究内容和结果如下:(1)红富士、黄元帅和乔纳金苹果果肉组织微观结构特征的分析。选取红富士、黄元帅和乔纳金苹果赤道部果肉组织在共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)下进行荧光图像采集。对荧光图像进行分析,可知红富士与乔纳金苹果果肉组织细胞的面积、周长和等效直径无显著差异(p>0.05),但红富士和乔纳金苹果果肉组织细胞的面积、周长和等效直径都显著高于黄元帅苹果(p<0.05)。对于果肉组织细胞的密实度,红富士苹果(0.9±0.0)=黄元帅苹果(0.9±0.0)<乔纳金苹果(1.0±0.0),说明乔纳金苹果的细胞最圆,且细胞间连接最少。红富士苹果果肉组织孔隙的面积、周长和等效直径都显著小于黄元帅和乔纳金苹果(p<0.05),而黄元帅与乔纳金苹果果肉组织孔隙的面积、周长和等效直径间无显著差异(p>0.05)。对于苹果果肉组织孔隙的密实度,红富士(0.8±0.0)和黄元帅(0.8±0.0)均显著大于乔纳金(0.7±0.0)(p<0.05)。对果肉组织微观结构形态学参数进行主成分分析,可实现红富士、黄元帅和乔纳金苹果的有效识别。(2)红富士、黄元帅和乔纳金苹果质地特征与微观结构的关系研究。在赤道部位,采集圆柱形苹果果肉组织进行穿刺和质地剖面(TPA)试验可知,红富士和黄元帅苹果在断裂力、断裂总功、脆度、内聚性、咀嚼度、回复性和初始弹性模量等质地特征上无显著差异(p>0.05),但都显著高于乔纳金苹果(p<0.05)。果肉组织细胞和孔隙的形态学参数对其质地具有综合影响:细胞及孔隙越大,果肉组织越软;细胞大小无显著差异时,孔隙越大,或者较大的细胞分布数量越多,果肉组织越软;孔隙大小无显著差异时,细胞等效直径分布越集中,果肉组织越硬。对微观结构形态学参数与质地参数进行回归分析,可知,断裂力、硬度和初始弹性模量与孔隙密实度具有良好的回归模型(R2>0.9,p<0.001)。(3)黄元帅苹果存放过程中动力学性质的变化规律。构建敲击模态分析系统,获取黄元帅苹果动力学参数。在室温存放过程中,黄元帅苹果固有频率的变化范围为103.2±25.3 Hz到989.5±1.1 Hz,表现出多阶固有频率和密模态的特征。其中,黄元帅苹果第1阶和第2阶固有频率随着存放时间分别从103.2±25.3 Hz显著增加到146.7±14.1 Hz(p<0.05)和从222.6±12.9 Hz显著增加到250.5±13.9 Hz(p<0.05);而第3阶到第11阶固有频率则随着存放时间显著降低,如第3阶固有频率从存放初期的371.0±8.1 Hz降低到第6周的346.3±15.7 Hz(p<0.05);第12阶固有频率则不再发生显著变化(p>0.05)。由Pearson比较分析可知,苹果的多阶固有频率与其质量和密度显著相关,而与其形状参数无显著相关性(p>0.05)。黄元帅苹果的第1阶振型为挠曲模态,第2阶振型为球形模态,自第3阶至第12阶振型,则均为复合模态振型。(4)黄元帅苹果不同组织部位质地参数随存放时间的变化规律。分别对黄元帅苹果果皮组织(萼部、赤道部和梗部)进行穿刺试验,并分别对果肉组织(萼部、赤道部和梗部)进行压缩试验。研究发现,果皮组织质地参数在存放期显著变化(p<0.05),其屈服斜率和弹性模量都减少50%以上,且屈服斜率比弹性模量对时间变化更敏感;果肉组织质地参数在存放期无明显递减规律。另外,果皮组织不同部位的屈服斜率和弹性模量与多阶固有频率间具有极显著相关性(p<0.01)。(5)黄元帅苹果不同组织部位质地参数的回归预测。以黄元帅苹果的固有频率、质量和密度为解释变量,以不同组织部位的屈服斜率和弹性模量为响应变量进行多元数据回归分析。研究发现,偏最小二乘回归模型和支持向量回归机模型均可实现果皮组织质地预测,但都不能进行果肉组织质地预测。其中,以固有频率、质量和密度作为解释变量的果皮组织的偏最小二乘回归模型具有最佳预测能力,其方差预测偏差(RPD)全部大于1.5。本研究从红富士、黄元帅和乔纳金苹果果肉组织的微观结构形态学参数来分析苹果质地性质的差异,为水果从微观角度进行质地评价提供技术支持,为生物材料建模进行本构关系探索提供基础研究。另外,本研究采用实验模态分析获得黄元帅苹果的模态参数,并分析固有频率与不同组织部位质地的关系,将苹果动力学性质与静力学性质相结合,从而使水果质地评价接近于生产加工中动态的工况特征,为从动力学性质方面进行食品材料质地评价提供了基础。
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