穿刺測試和fisher判別法在葡萄貯藏期間質(zhì)地評價的應(yīng)用

張翔宇,李喜宏,王妍丹,張 平,朱志強(qiáng),李志文

(1.天津科技大學(xué),天津 300222;2.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津),天津市采后生理重點實驗室,天津 300384;3.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384；4.天津市農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術(shù)工程中心,天津 300384)

穿刺測試和fisher判別法在葡萄貯藏期間質(zhì)地評價的應(yīng)用

張翔宇1,李喜宏1,王妍丹1,張 平2,朱志強(qiáng)2,李志文3,4，*

(1.天津科技大學(xué),天津 300222;2.國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津),天津市采后生理重點實驗室,天津 300384;3.天津農(nóng)學(xué)院食品科學(xué)與生物工程學(xué)院，天津 300384；4.天津市農(nóng)副產(chǎn)品深加工技術(shù)工程中心,天津 300384)

本實驗的目的是利用統(tǒng)計學(xué)方法驗證所編輯的10個穿刺測試參數(shù)在貯藏期間葡萄軟化過程中是否有測試意義,是否可以代表葡萄漿果的整體質(zhì)構(gòu)特點。同時找出評價貯藏期葡萄質(zhì)地差異的最關(guān)鍵的質(zhì)構(gòu)參數(shù),為貯藏期葡萄質(zhì)地評價提供理論依據(jù)。將意大利、巨峰、白羅莎里奧和馬奶4個不同品種的葡萄分別通過冷庫模擬冷庫貯藏條件,通過恒溫恒濕箱模擬運輸和貨架貯藏條件,得到葡萄漿果穿刺參數(shù)在不同貯藏條件下的測量值,并對其進(jìn)行判別分析。結(jié)果表明:在溫度高于0 ℃(運輸或貨架)貯藏期間葡萄軟化過程中所編輯的10個穿刺參數(shù)有測試意義,可以區(qū)分出葡萄在不同貯藏期的質(zhì)構(gòu)變化,也很好的總結(jié)了整條力-位移穿刺曲線,可以代表葡萄漿果整體的質(zhì)構(gòu)特點。在溫度0 ℃(冷庫貯藏)貯藏期間葡萄軟化過程中所編輯的10個穿刺參數(shù)對葡萄質(zhì)構(gòu)的區(qū)分度不大,沒有實際測試意義。其中,果皮硬度、果皮剛度以及漿果形變度是評價貯藏期質(zhì)地變化最關(guān)鍵的參數(shù)。

葡萄,貯藏,穿刺測試,質(zhì)構(gòu),流變性,fisher判別法

鮮食葡萄因其汁多皮薄的特點,采后果實質(zhì)地也在不斷劣變,一般利用低溫貯藏的方法保持其質(zhì)地品質(zhì)。在葡萄運輸或者貨架過程中,由于成本和周圍環(huán)境條件的限制,溫度很難控制在0 ℃低溫,溫度波動很大。在葡萄貯藏過程中,制冷性能差以及經(jīng)常斷電的冷庫也會造成大的溫度波動。這些都會對葡萄質(zhì)地產(chǎn)生不利的影響。由于感官分析方法容易受到多種因素干擾,很難對采后的葡萄質(zhì)地進(jìn)行客觀的評價,一些不法商販濫竽充數(shù),將質(zhì)地變差的葡萄混入新鮮的葡萄中銷售,給食品質(zhì)量安全檢測人員造成很大困擾[1-3]。

國內(nèi)外的大型超市和進(jìn)出口商對不同果蔬的質(zhì)地品質(zhì)有最低要求,在收購果蔬時,會根據(jù)果蔬組織流變性客觀的評價果蔬質(zhì)地,對收購的果蔬按照質(zhì)地進(jìn)行有效分級[4]。對于果蔬來說,果蔬組織的流變性是指果蔬在外力作用下發(fā)生應(yīng)變(流動或變形),應(yīng)變與其應(yīng)力之間的定量關(guān)系來反映果蔬質(zhì)構(gòu)特性[5-7]。這種應(yīng)變與應(yīng)力的定量關(guān)系可以用函數(shù)來表示,對應(yīng)的函數(shù)圖像反映在平面坐標(biāo)系中。其中最常用的物理測量方法之一是穿刺測試(puncture test),具體的操作過程是以一個較大的特定的力用圓柱形探頭貫穿果蔬組織并到達(dá)預(yù)定深度。這種方法在過去常常用手動操作[8-10]。隨著科技的進(jìn)步,先進(jìn)的自動化設(shè)備可以使圓柱形探頭以限定的速度自動貫穿果蔬組織,在圓柱形探頭上安裝感應(yīng)元件,將感應(yīng)力和探頭位移轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號記錄下完整的力-位移曲線,最后把反映果蔬組織流變性的曲線圖像存儲在電腦中。

在葡萄貯藏過程中,由于葡萄樣本個體差異大取樣數(shù)量多,穿刺測試得到的質(zhì)地參數(shù)也多,簡單的求質(zhì)構(gòu)參數(shù)的平均值很難體現(xiàn)其質(zhì)地變化,很少人有對葡萄貯藏期質(zhì)地評價做相關(guān)的研究分析[11]。也很少有人對自己編輯的質(zhì)構(gòu)參數(shù)的有效性進(jìn)行分析[11]。

基于此,為了驗證所編輯的10個穿刺測試參數(shù)在貯藏期間葡萄軟化過程中是否有測試意義,是否可以代表葡萄漿果的整體質(zhì)構(gòu)特點。同時找出評價貯藏期葡萄質(zhì)地差異的最關(guān)鍵的質(zhì)構(gòu)參數(shù),為貯藏期間葡萄質(zhì)地評價提供理論依據(jù),為葡萄貯藏期質(zhì)地評價體系提供一個新的研究思路。本實驗通過冷庫模擬冷庫貯藏條件,通過恒溫恒濕箱模擬運輸和貨架貯藏條件,得到葡萄漿果穿刺參數(shù)在不同貯藏條件下的測量值,并對其進(jìn)行判別分析。

典型判別分析(canonical discriminant analysis)是二十世紀(jì)三十年代由英國統(tǒng)計學(xué)家Fisher提出的數(shù)學(xué)分析方法,是多元統(tǒng)計分析中的一種方法,也叫Fisher判別法。該方法適用于類別多、數(shù)量大和測量值多的樣本,在果蔬質(zhì)地參數(shù)分析中發(fā)揮了重要作用[12-14]。該方法既能最大限度地縮小同類中各個樣本點之間的差異,又能最大限度地擴(kuò)大不同類別中各個樣本點之間的差異,這樣才可能獲得較高的判別效率,體現(xiàn)貯藏期葡萄質(zhì)地的差異,驗證所編輯穿刺參數(shù)的合理性。Fisher判別法廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、生物學(xué)和社會科學(xué)等諸多方面[15]。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

巨峰品種葡萄 2015年9月22日采收自遼寧省北鎮(zhèn)市鮑家鄉(xiāng);意大利品種葡萄 2014年9月20日采收自河北省張家口市懷來縣;馬奶品種葡萄 2015年9月24日采收自河北省張家口市逐鹿縣;白羅莎里奧品種葡萄 2015年9月11日采收自天津市漢沽區(qū)。

SPX-250-C型智能恒溫恒濕箱 上海瑯軒實驗設(shè)備有限公司產(chǎn)品;TA. XT. Plus物性測試儀 英國Stable Micro System公司;冷庫 國家農(nóng)產(chǎn)品保鮮工程技術(shù)研究中心(天津)。

1.2 實驗方法

1.2.1 葡萄預(yù)處理 4個不同品種的葡萄進(jìn)行取樣調(diào)查。調(diào)查前進(jìn)行預(yù)處理和貯藏處理,剔除病果爛果,確保每個品種的葡萄果粒大小、成熟度基本一致。所有葡萄的采收方法均相同,預(yù)處理后通過冷庫模擬冷庫貯藏條件,通過恒溫恒濕箱模擬運輸和貨架貯藏條件。冷庫的貯藏條件:溫度(0±1) ℃,相對濕度90%±5%。恒溫恒濕箱的貯藏條件:溫度(8±1) ℃、相對濕度90%±5%。貯藏期為0,7,14,21 d。每個品種每個貯藏條件下采集120粒葡萄(30粒葡萄×4次重復(fù))進(jìn)行穿刺測試。

1.2.2 穿刺測試方法 利用物性測試儀進(jìn)行穿刺測定,穿刺測試探頭選擇直徑2 mm的P/2不銹鋼針形探頭,既保證穿刺深度,又減小在穿刺過程中接觸果核的幾率。測試在(20±1) ℃的溫度環(huán)境下進(jìn)行,主要儀器參數(shù)設(shè)定為:測前速度5 mm/sec,測試速度2 mm/sec的測試速度,測后速度5 mm/sec,負(fù)載觸發(fā)力5 g,測試距離10 mm。

圖1 穿刺測試力-位移曲線Fig.1 Force-displacement curve of berry skin puncture test

1.2.3 穿刺曲線分析程序的設(shè)計 以在穿刺漿果過程中探頭移動位置(mm)為橫坐標(biāo),測試探頭所在位置對應(yīng)感知力(N)為縱坐標(biāo)作圖,得到葡萄漿果典型穿刺曲線(圖1)。參考F Duprat等[16]、馬慶華等[17]和Bourne等[18]的研究,結(jié)合葡萄漿果自身質(zhì)構(gòu)特點,模擬牙齒咀嚼葡萄漿果受力過程,對帶皮漿果質(zhì)構(gòu)穿刺曲線分析程序(Macro)進(jìn)行重新編輯,以便更加透徹的分析葡萄漿果的質(zhì)構(gòu)特性。

表1 力-位移曲線中穿刺參數(shù)的定義Table 1 The definition of puncture parameter in force-displacement curve

在分析開始前首先編輯圖像分析環(huán)境,然后將圖像分為三個受力階段開始解析。第一階段為果皮受力階段(從探頭接觸果皮到探頭穿刺果皮的瞬間);第二階段為過渡階段(探頭穿刺果皮的瞬間到接觸到果肉);第三階段為果肉受力階段(探頭穿刺果肉到測試距離停止)。

1.2.4 穿刺參數(shù)定義 DIAMANTEL[19]證明了整個力-位移曲線可以很好的反映蘋果,葡萄,西紅柿等果蔬的果肉和果皮的質(zhì)構(gòu)特性。由于得到的力-位移曲線包含的數(shù)據(jù)信息較多,許多研究者試圖從力-位移曲線中提取并計算一些有代表性的果蔬穿刺參數(shù)來總結(jié)果蔬組織的質(zhì)構(gòu)特性[20-22]。本文根據(jù)(Duprat等[16]馬慶華等[17]和Bourne等[18])多篇國內(nèi)外報道中關(guān)于果蔬穿刺測試曲線參數(shù)定義的基礎(chǔ)上,結(jié)合對曲線(圖1)中穿刺果皮時探頭的感應(yīng)力(F1)、刺破果皮瞬間探頭下行位移(D1)、探頭接觸到果肉的初始感應(yīng)力(F2)、探頭接觸到果肉的初始位移(D2)、穿刺果肉時探頭的平均感應(yīng)力(F3)、穿刺果肉時探頭感應(yīng)力不均所形成峰的個數(shù)(I)等基本測試參數(shù)的綜合分析和運算,從力-位移曲線提取出10個葡萄穿刺質(zhì)地參數(shù)及其含義如表1所示。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過matlab 2014b軟件處理數(shù)據(jù)和繪制圖表。 本實驗的判別分析中,分類變量為每個品種的不同貯藏條件。每個品種有3個貯藏時間(7,14,21 d)和兩個貯藏溫度(0,8 ℃),貯藏時間0 d時0 ℃和8 ℃的穿刺參數(shù)數(shù)據(jù)相同,作為1個分類組,按照不同類別共分成7個分類組(0 d,0 ℃7 d,8 ℃7 d,0 ℃14 d,8 ℃14 d,0 ℃21 d,8 ℃21 d)。自變量(原始變量)為每個分類組的10個穿刺參數(shù)值。每個品種每個分類組共120個觀測值,共3360個觀測值(120×7×4)。

2 結(jié)果與分析

表2可以看出此判別方法提取了6個判別函數(shù),且絕大部分信息都在前兩個判別函數(shù)上,后4個判別函數(shù)攜帶的信息量很少。其中巨峰的前兩個判別函數(shù)解釋了91.8%的變異程度,意大利的前兩個判別函數(shù)解釋了91.4%的變異程度,白羅莎里奧的前兩個判別函數(shù)解釋了95.2%的變異程度,馬奶的前兩個判別函數(shù)解釋了94.1%的變異程度。

表2 fisher判別函數(shù)解釋變異的程度Table 2 Fisher discriminant function of the degree of variance explained

注:F1～F6分別代表fisher判別法提取的6個判別函數(shù)。

表3可以看出針對由這10個原始變量組成的6個判別方程進(jìn)行有效性檢驗,如表5所示。

表4 Fisher判別法提取的前兩個典型判別函數(shù)Table 4 First and second canonical discriminant functions

注:X1～X10分別為每個觀測值的果皮硬度,漿果形變度,果皮剛度,穿刺果皮功,跌落硬度,跌落位移,跌落脆性,果肉硬度,穿刺果肉功,果肉勻質(zhì)指數(shù)的具體測量值。F1和F2是由X1～X10組成的新變量,也叫典型判別得分。每個觀測值的典型判別得分是由10個原始變量組成兩個新變量F1和F2,以坐標(biāo)(F1,F2)反映在圖2中。

Wilk’s Lambda表示類內(nèi)離差交叉乘積矩陣行列式與總離差交叉乘積矩陣行列式的比值,間接地檢驗判別函數(shù)的顯著性水平,其值越小判別能力越強(qiáng)。從表3中顯著性欄中可以看出,判別函數(shù)1和6聯(lián)合,2和6聯(lián)合的顯著性水平均為0.000,說明前兩個判別函數(shù)的判別能力是顯著的且前兩個判別函數(shù)均很有意義。根據(jù)表2中前兩個判別函數(shù)的高解釋變異程度和表3中顯示兩個判別函數(shù)均很有意義,只討論前兩個判別函數(shù)。

表3 Fisher判別函數(shù)有效性檢驗Table 3 Fisher discriminant function validation

注:1～6表示沒有函數(shù)被移除,2～6表示函數(shù)1被移除,其他依次類推。

圖2A,圖2B,圖2C,圖2D為樣本的第一典型判別得分和第二典型判別得分分布圖,A為巨峰,B為意大利,C為白羅莎里奧,D為馬奶。從圖中可以看出低溫冷庫貯藏的葡萄在不同貯藏時間點之間差異不大。第一典型判別得分最能解釋貯藏時間和貯藏溫度不同的差別,低溫冷庫貯藏的葡萄和恒溫恒濕箱貯藏的葡萄在第一典型判別得分軸上明顯區(qū)分。恒溫恒濕箱貯藏條件下的葡萄在第一典型判別得分軸上按照貯藏時間從右到左正確的分布;對于冷藏貯藏條件,只能看出巨峰有微小的差別。第二典型判別得分最能解釋恒溫恒濕箱條件下后三個貯藏時間(7,14,21 d)不同的差別。

圖2 Fisher判別二維散點圖Fig.2 Fisher discriminant dimensional scatter plot. The ellipses present the confidence intervals of the barycenter at a probability threshold of 0.05. The number in each ellipse represents the duration of storage(days)

表5 判別得分和原始變量之間的相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between the discriminant scores and the texture parameters

注:加粗字體表示在改組中變量之間的相關(guān)性最高。

表5為典型判別得分與穿刺參數(shù)的相關(guān)系數(shù),這有些類似于主成分分析中的成分結(jié)構(gòu)。由表5可知,相對于其他自變量,第一判別函數(shù)主要與果皮硬度和果皮剛度這兩個自變量相關(guān)。果皮剛度與第一典型判別得分F1的相關(guān)系數(shù)分別為0.52,0.46,0.38和0.51。果皮硬度與第一典型判別得分F1的相關(guān)系數(shù)分別為0.48,0.53,0.42,0.45。漿果形變度則主要與第二判別函數(shù)相關(guān)。漿果形變度與第二典型判別得分F2的相關(guān)系數(shù)分別為0.37,0.41,0.42,0.33。表3的結(jié)果己經(jīng)表明前兩個判別函數(shù)攜帶了絕大多數(shù)判別信息,這提示我們可能果皮硬度、果皮剛度和漿果形變度這三個變量在判別分析中起了主要作用。間接說明了葡萄軟化過程中,這三個穿刺參數(shù)是評價貯藏期葡萄質(zhì)地差異的最關(guān)鍵的質(zhì)構(gòu)參數(shù),在葡萄貯藏期質(zhì)地評價中起到關(guān)鍵作用。這和ZSóFI Z[23]的研究結(jié)果相同,ZSóFI Z認(rèn)為葡萄采后果實質(zhì)地的變化完全取決于葡萄果皮的結(jié)構(gòu),與果皮的厚度和果肉的結(jié)構(gòu)無關(guān)。LANG A[24]認(rèn)為在貯藏過程中,葡萄果皮在漿果硬度下降中起主導(dǎo)作用。其中,果皮硬度、果皮剛度和漿果形變度是變化最大的穿刺參數(shù)。

表6是判別函數(shù)自身驗證和交互驗證的驗證結(jié)果,在交互驗證結(jié)果中,模擬冷庫貯藏條件下的4個品種的預(yù)測分類準(zhǔn)確率分別為巨峰59.98%,意大利51.65%,白羅莎里奧51.1%,馬奶57.93%。遠(yuǎn)低于模擬運輸和貨架貯藏條件下的預(yù)測分類準(zhǔn)確率,分別為意大利96.67%,巨峰100%,白羅莎里奧99.43%,馬奶95%。說明本實驗所編輯的10個穿刺質(zhì)構(gòu)參數(shù)只適用于溫度高于0 ℃(運輸或貨架)貯藏期葡萄質(zhì)地評價,不適用于在溫度0 ℃(冷庫貯藏)貯藏期葡萄質(zhì)地評價。

3 討論

穿刺測試一直都是國內(nèi)外果蔬質(zhì)地評價最有效的檢測方法之一[24]。由于葡萄數(shù)量多,個體之間的差異大,普通的平均值統(tǒng)計方法不適用于葡萄質(zhì)地評價,給葡萄質(zhì)地評價分析帶來困難。通過借鑒BIANCHI T[25]和STANLEY J[26]的研究方法,本文利用fisher判別法成功解決了該問題,并通過分析判別得分與穿刺參數(shù)的相關(guān)系數(shù),得到果皮硬度、果皮剛度和漿果形變度是評價貯藏期葡萄質(zhì)地差異的最關(guān)鍵的質(zhì)構(gòu)參數(shù)。判別得分分布圖以及預(yù)測分類準(zhǔn)確率驗證了本實驗編輯的10個穿刺質(zhì)構(gòu)參數(shù)只適用于溫度高于0 ℃(運輸或貨架)貯藏期葡萄質(zhì)地評價,不適用于在溫度0 ℃(冷庫貯藏)貯藏期葡萄質(zhì)地評價。

果蔬質(zhì)量安檢人員可以通過抽檢一些正在銷售的葡萄,測量葡萄漿果的果皮硬度,果皮剛度和果皮形變度,并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判別分析。如果得到的判別得分分布圖區(qū)分明顯,預(yù)測分類準(zhǔn)確率高,說明這批葡萄的貯藏不規(guī)范,貯藏期間溫度波動大,葡萄質(zhì)地差。如果得到的判別得分分布圖區(qū)分度低,預(yù)測分類準(zhǔn)確率低,說明這批葡萄的貯藏規(guī)范,葡萄質(zhì)地良好。大型超市和進(jìn)出口商在收購葡萄時,也可以用相同的方法抽檢一些葡萄,按照質(zhì)地將它們進(jìn)行分級,挑選出所需要的葡萄。

本文研究4個品種的葡萄目的是為葡萄質(zhì)地評價提供一個研究思路,不一定適用于所有品種的葡萄,筆者將在之后的研究中對其他品種的葡萄進(jìn)行補(bǔ)充,建立一個葡萄質(zhì)地評價體系的數(shù)據(jù)庫,將科研成果應(yīng)用到實際生產(chǎn)生活中。

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Application of the textural evaluation in grapes berries based on puncture test and fisher discriminant analysis

ZHANG Xiang-yu1,LI Xi-hong1,WANG Yan-dan1,ZHANG Ping2,ZHU Zhi-qiang2,LI Zhi-wen3,4，*

(1.Tianjin university of science and technology,Tianjin 300222,China;2. National Engineering and Technology Research Center for Preservation of Agricultural Products(Tianjin),Tianjin Key Laboratory of Postharvest Physiology and Storage of Agricultural Products,Tianjin 300384,China;3. Tianjin Agricultural University College of food science and biotechnology,Tianjin 300384,China；4.Tianjin Engineering and Technology Center of Agricultural Products Processing,Tianjin 300384,China)

The objective of the present study was to test ten textural properties we edited for characterizing the puncture properties of grapes from force/displacement curves. Weather it can represent the whole character of grape berries or not. The most critical textural properties have been found to provide theoretical basis in the textural evaluation. Four different cultivars:Red Globe,kyoho,White Rosario,Horse milk grapes acted as test materials. Through the cool room to simulate the cold storage conditions,Through the constant temperature and humidity box to simulate the transport and shelf storage conditions. Respectively puncture test were carried at storage conditions of different temperature per same time for discriminant analysis.The results showed that:Above 0 ℃ storage condition the ten computed parameters gave a good summary of the information present in the curve. At 0 ℃ storage condition,the ten computed parameters can’t distinguish the grapes. Skin hardness,skin stiffness and berry deformation is the most critical textural parameters for these parameters during the grapes storage.

grapes;storage;puncture test;texture;rheological properties;fisher discriminant analysis

2016-09-06

張翔宇(1990-)，男，在讀碩士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工及貯藏工程，E-mail:373152711@qq.com。

*通訊作者:李志文(1981-)，女，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程，E-mail:lizhiwen315@163.com。

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點項目(15JCZDJC34200)；國家葡萄產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-30)。

TS255.3

A

:1002-0306(2017)03-0342-07

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.058