‘海沃德’獼猴桃應力松弛特性與品質關系

盧丹，趙武奇，曾祥媛，吳妮，高貴田，張清安，張寶善，雷玉山

（1陜西師范大學食品工程與營養科學學院，西安 710119；2陜西省農村科技開發中心，西安 710119）

0 引言

【研究意義】我國是世界上獼猴桃栽培和出口的主要國家之一，獼猴桃酸甜可口，富含多種營養成分，有“水果之王”的美譽，更受大家青睞[1]。獼猴桃的營養價值和質地是評價其品質的主要指標，是獼猴桃貯藏及分級的重要依據。傳統的獼猴桃品質檢測方法為化學檢測法，對果實進行破壞性檢測，存在操作復雜、耗時較長[2]的缺點，因此，探求一種快速、方便地檢測獼猴桃品質的方法是目前研究的熱點之一。食品流變學是研究物料物質形態和流動的學科。獼猴桃作為一種黏彈性物料具有顯著的流變特性，因此，利用其流變學特性來研究獼猴桃品質變化具有重大意義。【前人研究進展】食品流變學是研究食品或食品原料在力作用下變形或流動的科學。食品的彈性力學和黏性流體力學可以反映食品本身內部的化學成分、分子構造及食品的品質。RYSZARD等[3]運用應力松弛試驗將豬肉與禽肉的化學成分與流變特性聯系起來，得到的流變模型可用于加工肉制品的優化生產。SILVINA等[4]運用應力松弛試驗區分低脂雞肉腸的不同配方。聶毓琴等[5]研究野生富硒植物薇菜莖的應力松弛，證明薇菜莖具有良好的黏性和彈性的力學特性，是一種良好的黏彈性物料。ZHAO等[6]對蘋果的應力模型參數與蘋果品質的相關性進行分析，為蘋果的貯藏奠定了基礎。王海鷗等[7]通過壓縮-應力松弛研究了獼猴桃各部位組織的流變特性參數，為獼猴桃的流變特性和品質分析奠定了基礎。計宏偉等[8]通過繪制獼猴桃蠕變-時間曲線，為獼猴桃的加工及貯藏提供了力學依據。研究表明，食品的應力松弛特性能反映其品質，可用于食品的貯藏和加工。【本研究切入點】目前為止，應用應力松弛對果品的研究已有報道，但大部分僅限于對于單一品質的研究，未對果品的大部分品質指標進行全面的分析；對于獼猴桃的應力松弛研究僅限于研究獼猴桃內部的組織結構或內部的力學特性，很少將獼猴桃的應力松弛特性和其品質聯系起來，并實現對獼猴桃品質的預測。【擬解決的關鍵問題】本試驗以不同貯藏時期的獼猴桃為樣本，對獼猴桃進行應力松弛試驗，運用因子分析方法篩選出獼猴桃的品質特征指標，對獼猴桃應力松弛模型參數與其品質特征進行相關性分析，建立數學模型并對獼猴桃品質特征進行預測。

1 材料與方法

1.1 材料

‘海沃德’獼猴桃于2017年10月中旬采摘自陜西佰瑞獼猴桃研究院有限公司果園，樣品采收及貯藏符合 NY/T 1392—2015《獼猴桃采收及貯運技術規范》，避免雨天和雨后采收，采收過程中嚴防機械損傷，輕采輕放，除去小果、爛果、病蟲果、畸形果等，將獼猴桃樣品裝入紙箱中置于溫度為（0±0.5）℃，相對濕度為90%—95%的冷庫中。

1.2 試驗儀器

TA.XT plus 質構儀，英國Stable Micro Systems公司；BA224S電子天平，北京賽多利斯儀器系統有限公司；8101手持糖量計，遼寧大連先超科技有限公司；CR-400/401型色彩色差儀，德國；UV-1800型紫外分光光度計，日本島津公司；高速冷凍離心機，Thermo公司。

1.3 試驗方法

在獼猴桃貯藏期間，每3 d隨機抽取3個果實樣品作為一組試驗對象，將測試結果取平均值，共抽取50次，150個果樣。每次試驗前將果樣置于20℃條件下靜置1 h，然后依次進行應力試驗、質構剖面感官分析法（texture profile analysis，TPA）試驗和營養成分測試。從50組樣品中隨機抽取35組樣本用于獼猴桃品質預測模型的構建，其余15組作為驗證樣本，用于預測模型的驗證。

1.3.1 獼猴桃應變特性測試 應力測試參數為：探頭P/5（直徑5 mm），變形量0.5 mm，松弛時間50 s，加載速度1.0 mm·s-1，觸發力0.049 N，數據采集頻率10點/s。被測試樣品呈水平放置，用底座固定。每個樣品在最大橫截面處取3個點進行測試，結果取平均值。

1.3.2 獼猴桃應力松弛模型確定 麥克斯韋模型描述的是黏彈性物料的應力松弛情況，由胡克模型和阻尼模型串聯而成。廣義麥克斯韋模型是由多個麥克斯韋（Maxwell）模型并聯而成[9]。在試驗過程中，隨著壓縮過程的進行，獼猴桃的受力面積會發生變化，得到一條力—時間曲線來分析獼猴桃的應力松弛行為。將力—時間曲線與Maxwell模型進行擬合，所用的擬合公式如下：

麥克斯韋三元件模型：

F(t)=D0E0+D0E1exp(-t/T1)

麥克斯韋五元件模型：

F(t)=D0E0+D0E1exp(-t/T1)+D0E2exp(-t/T2)

麥克斯韋七元件模型：

F(t)=D0E0+D0E1exp(-t/T1)+D0E2exp(-t/T2)+D0E3exp(-t/T3)

式中，F(t)為物料所受載荷（N），D0為恒定的應變量，E0是平衡彈性模量（N·mm-1），E1、E2和E3為彈性系數（N·mm-1）；T1、T2和T3是模型元件的松弛時間，t是松弛時間（s）。

ηi=EiTi

η為模型的黏性系數（N·S·mm-1），分別將 1.3.1測得的數據進行擬合，確定最佳模型。

1.3.3 品質指標測定 可溶性固形物（soluble solids，SS）用手持糖量計進行測定，每個果實取果汁測定，然后取該組果實測定值的平均值；可滴定酸用 NaOH標準溶液滴定，參見GB/T 12456—2008《食品中總酸的測定方法》，獼猴桃中可滴定酸以檸檬酸計；Vc用 2, 6-二氯靛酚染料溶液滴定，參見 GB 5009.86—2016《水果、蔬菜Vc含量測定法》。色差用CR-400/401型色彩色差儀直接測定a*、b*、L*值；丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸比色法，以mmol·g-1FW表示；每項指標測試3次，取平均值。

TPA測試：用取樣器取直徑為1 cm、厚度為0.5 cm的圓柱形獼猴桃果柱，在測前速度為4 mm·s-1，測中速度為2 mm·s-1，測后速度為4 mm·s-1，位移1 mm，時間5 s，觸發力5 g的條件下進行TPA測試，每項指標測試3次，取平均值。

1.4 數據統計分析

采用Origin8.0軟件對應力試驗數據與1.3.2確定的應力模型進行擬合，得到應力模型的參數；用SPSS軟件進行因子分析、相關性分析和嶺回歸分析；應用DPS7.5軟件對應力模型參數進行誤差分析和顯著性t檢驗。

2 結果

2.1 獼猴桃品質指標測定結果

表1為50個獼猴桃理化指標與質構指標統計結果，由表1可知，可滴定酸、Vc、可溶性固形物、丙二醛及穿刺硬度的變化范圍分別為 1.33%—2.69%、23.56—85.10 mg·kg-1FW、10.3%—15.30%、0.74—10.42 μmol·g-1、2.00—10.78；色差 L*值、a*值、b*值及ΔE的變化范圍分別為25.97—45.98、-5.50—-1.34、0.01—11.71、26.12—47.60；質構指標硬度、粘附度、彈性、黏聚性、膠黏性、咀嚼性和回彈性的變化范圍分別為 67.70—1067.05 N、-47.08—-3.29 N、0.75—1.30 N·s、0.64—0.92、62.06—775.51、58.50—757.53、0.21—0.39。從變異系數可以看出各項理化指標和質構指標離散性較大，說明選取的50組樣本十分豐富，可以充分反映獼猴桃保藏過程中各項理化指標和質構指標的變化。

2.2 因子分析

對獼猴桃的可滴定酸、VC、可溶性固形物、丙二醛、穿刺硬度、色差L*值、a*值、b*值、ΔE、硬度、粘附度、彈性、黏聚性、膠黏性、咀嚼性和回彈性這16個指標進行因子分析，得到獼猴桃品質的特征值及方差貢獻率、因子分析碎石圖和正態方差最大正交旋轉變換后的因子載荷矩陣，結果分別如表2、圖1和表3所示。

由表2可知，因子分析所提出的5個主因子的特征值分別為4.412、3.372、1.794、1.580和1.227，方差貢獻率分別為27.576%、21.077%、11.214%、9.877%和7.670%。所提出的5個主因子特征值均大于1，且累計方差貢獻率達到77.41%，說明這5個主因子所構成的要素包括了 16個獼猴桃品質指標的絕大部分信息。因此，可以將獼猴桃的16個品質指標壓縮為5個。

表1 獼猴桃品質指標的變異情況Table1 Variation of quality indexes of kiwifruit

表2 因子分析解釋總變量Table2 Total variance explained of factor analysis

圖1 因子分析碎石圖Fig.1 Screen plot of factor analysis

圖1為因子分析碎石圖，由圖1可以直觀地看出從第 5個因子往后，曲線變得平緩，斜率越來越小，說明從第 5個因子往后各主因子的方差貢獻率越來越小，所以提5個主因子是合適的。

采用方差極大化方法進行因子旋轉，得到旋轉后的因子載荷矩陣表3，旋轉后，載荷大小進一步分化，因子與變量之間的對應關系更加清晰，每一個變量對于因子的影響程度也更加直觀[10-11]。如表3所示，第1個主成分中，硬度、膠黏性、咀嚼性和黏附度4個指標為主變量，體現了獼猴桃的質構指標；第2個主成分中，ΔE、L*值、a*值、b*值4個指標為主變量，體現了獼猴桃的色澤指標；第3個主成分中，黏聚性、回彈性和可滴定酸3個指標為主變量，體現了獼猴桃的質構和化學指標；第四個主成分中，彈性、穿刺硬度和VC3個指標為主變量，體現了獼猴桃的質構和化學指標；第五個主成分中，可溶性固形物和丙二醛兩個指標為主變量，可分別作為該主因子的代表性指標。以每個主因子中載荷最大為標準，可篩選出硬度、ΔE、黏聚性、彈性和可溶性固形物5個指標，但考慮到VC是獼猴桃中最主要的營養成分且其載荷大于0.55，則最終選取 VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性、彈性6個指標為獼猴桃的品質特征指標。

表3 獼猴桃品質正態方差最大正交旋轉變換后的因子載荷矩陣Table3 Matrix of kiwifruit quality with normal variance after maximum orthogonal rotational transformation

2.3 應力松馳模型的確定

表4為50個樣本數據分別與三元件麥克斯韋模型、五元件麥克斯韋模型和七元件麥克斯韋模型擬合得到的擬合結果。由表4可知，七元件麥克斯韋模型R2均值高于三元件麥克斯韋模型和五元件麥克斯韋模型，變異系數低于三元件麥克斯韋模型和五元件麥克斯韋模型，說明七元件麥克斯韋模型擬合效果最好。七元件麥克斯韋模型包括彈性參數（E0、E1、E2和E3）、松弛時間（T1、T2和T3）和黏性系數（η1、η2和 η3）。

表4 應力模型擬合結果Table4 Fitting results of stress model

2.4 應力松馳模型參數的確定

表5為應變模型參數統計結果，可以看出，建模組中平衡彈性系數 E0的變異系數最大，松弛時間 T2的變異系數最小，說明隨著獼猴桃的貯藏，E0的變化最明顯，松弛時間T2的變化最小。另外，所選的驗證組的數據范圍全都包括在建模組的范圍內，說明驗證組及建模組的劃分是合理的。從變異系數來看，各個應力松弛參數的數值均較高，說明貯藏過程中的獼猴桃樣本豐富且樣本數據有效。

將應力模型的各個參數進行相關性分析，由表6中的皮爾森相關系數可知，彈性參數之間、松弛時間之間和黏性系數之間均存在很強的相關性，其中 E0與E3的相關系數為0.993、T2與T3之間為-0.753，η2與η3之間為0.983，松弛時間之間互為負相關；彈性參數與黏性參數之間相關性均極顯著，其中E0與η2、η3之間相關系數分別為 0.983、0.998，E3與 η2、η3之間相關系數分別為 0.985、0.991；松弛時間與黏性系數和彈性參數之間的相關性系數均不高，僅 T2與E2、T3與E2之間相關性極顯著，相關系數分別為-0.510和0.520；T1與η1相關性顯著，相關系數為0.356。

表5 應變模型參數統計結果Table5 Statistical results of strain model parameters

表6 應變模型參數相關性分析Table6 Correlation analysis of the parameters for strain model

2.5 應力松弛參數與品質特征的相關性

表7為應力松弛參數與各項指標的相關性分析，由表7可知，理化指標與彈性參數和黏性系數有顯著正相關性（P＜0.05），其中VC和可溶性固形物與E0的相關系數分別為 0.901和 0.757，VC和可溶性固形物與η1的相關性均極顯著且相關系數大于0.60；理化指標與松弛時間的相關性不高，僅硬度與T1、彈性與T3之間極顯著相關，相關系數分別為0.439和-0.468；質構指標硬度、彈性和黏聚性與彈性參數分別呈顯著正相關（P＜0.05），其中，彈性與 E0的相關系數為0.951；ΔE與 E0的相關系數為 0.813；平衡彈性系數E0與VC、可溶性固形物、ΔE和彈性的相關性系數均高于其他各應力松弛參數（P＜0.01）。

2.6 應力松弛模型中參數與各品質特征的回歸分析

由表7可知，各指標與應力松弛參數之間有很強的相關性，可通過建立品質特征與應力松弛各參數之間的數學模型來預測獼猴桃品質特征，但表6中應力松弛參數之間有一定的相關性，存在共線性問題，嶺回歸法是通過對最小二乘法的改進，允許回歸系數的有偏估計量存在而補救多重共線性的方法，應用嶺回歸法建立的預測模型能顯著增強估計的穩定性[12-13]。表8為嶺回歸法的建模結果，由表8可知，模型對 Vc的決定系數達到0.906，效果最好，對可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性的決定系數均高于 0.7，模型的顯著性P值均小于0.05，具有統計學意義。

2.7 獼猴桃品質特征預測模型的驗證

運用2.6建立的品質特征預測模型對驗證組進行預測，表9為預測值和實測值差異性檢驗結果。VC、可滴定酸、可溶性固形物、ΔE和硬度的t檢驗值均小于2.145（t0.05,9=2.145），表明預測值與實測值之間沒有顯著性差異。圖2為模型對各品質特征的預測值與實測值的相關性圖，由圖2可知，VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性的預測值和實測值之間決定系數分別為 0.882、0.880、0.869、0.691、0.733和0.814，建立的模型能用于獼猴桃品質特征的預測。

表7 應力松弛參數與各項指標的相關性分析Table7 Analysis of correlation of stress parameters and various indexes

表8 應力松弛參數與各品質特征的嶺回歸分析Table8 Ridge regression analysis of stress parameters and indices

表9 獼猴桃各品質特征預測模型的檢驗結果Table9 Results of prediction model for quality indexes of kiwifruit

圖2 獼猴桃品質特征的預測值和實測值的相關性Fig.2 Relationship between predicted values and measured values about the quality features of kiwifruit

3 討論

3.1 關于因子分析在獼猴桃品質評價中的應用問題

因子分析是用少數幾個因子去描述許多指標或因素之間的聯系，即將相關比較密切的幾個變量歸在同一類中，每一類變量就成為一個因子，以較少的幾個因子反映原資料的大部分信息，起到降維的作用。因子分析技術可用于提取獼猴桃的品質特征。張唐偉等[11]通過因子分析篩選出灰分、蛋白質、粗脂肪、pH、L*、b*、失水率和蒸煮損失等8個關鍵品質指標來評價崗巴羊肉，為崗巴羊肉的發展提供了數據支持；呂健等[10]運用因子分析法篩選出還原糖、復水比、L值、粗蛋白和膨化度這 5個指標來評價桃變溫壓差膨化脆片的品質。馬慶華等[14]運用因子分析法篩選出果實甜脆因子、果重及其他內質因子、果皮質地因子、果實外觀因子和其他因子5個主因子來評價冬棗植株的品質，為選擇優良的冬棗植株奠定了理論基礎。

本試驗運用因子分析提出了5個主因子，累計方差貢獻率達到77.41%，最終選取出評價獼猴桃品質質量的6個指標，分別為VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性。曾凡杰等[15]以色差、質構和 VC為指標評價真空凍干獼猴桃片的品質特征，這與本試驗中選取色差、質構和 VC作為特征指標一致。吳旻丹等[16]以硬度、彈性和耐咀性為評價指標建立獼猴桃果實人工模擬咀嚼數學模型，宋小青等[17]運用電子鼻技術建立低溫貯藏期獼猴桃的可溶性固形物含量、pH和硬度的數學模型。可以看出，本文通過因子分析提取 VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性作為特征品質是合理的。

3.2 獼猴桃應力松馳模型及參數與果實品質特征的相關性

獼猴桃是一種良好的黏彈性物料，在一定的壓縮量下，獼猴桃表現出應力松馳現象，其應力松弛特性能反映獼猴桃的品質特征，這與聶毓琴[5]、王海鷗[7]、計宏偉[8]及許永亮[18]等的研究結果一致。本研究通過對‘海沃德’獼猴桃的應力松弛試驗，得到力-時間曲線，分別用三元件麥克斯韋模型、五元件麥克斯韋模型和七元件麥克斯韋模型對得到的曲線進行擬合，得到七元件效果最好，這一結果與 HASSAN等[19]的研究結果一致。

由本試驗可知，隨著獼猴桃的貯藏，E0的變化最明顯，松弛時間T2的變化最小，這與BARGALE等[20]得出的小扁豆應力松馳特性的試驗結果一致；VC和可溶性固形物與應力松弛模型中的黏性參數和彈性參數都有很強的相關性，這與方媛[21]研究蘋果的化學指標與應力松弛模型參數的試驗結果保持一致；另外，本研究還得出色差值ΔE與麥克斯韋七元件模型的黏性參數和彈性參數具有很強的相關性，對獼猴桃色澤的研究提供了理論依據；獼猴桃的硬度與應力松弛參數相關性很強，在貯藏的過程中，獼猴桃的硬度會發生變化，這與獼猴桃內部化學變化有關，隨著貯藏期的延長，獼猴桃內的淀粉物質轉化為糖，果膠水解，獼猴桃的硬度會下降[22]。獼猴桃的品質特征與應力松弛參數之間有很強的相關性，這與許永亮等[18]以米飯為研究對象得出的應力松弛模型參數與米飯化學指標間具有有很高相關性的研究結果一致。此外，平衡彈性系數 E0與獼猴桃各品質指標的相關性系數均高于其他各應力松弛參數（P＜0.01），這一結果與方媛[21]研究富士蘋果各品質指標與應力松弛參數的相關性結果一致，可能的原因為平衡彈性系數 E0與物料的硬度相關性最強，是黏彈性物料不能恢復的應變。

本試驗建立了‘海沃德’獼猴桃應力模型參數預測品質特征的回歸模型，模型對VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性預測的決定系數分別為0.882、0.880、0.869、0.691、0.733和0.814。應力松馳參數能預測獼猴桃的品質特征。陸秋君等[23]和KAUR等[24]分別運用應力松弛模型來預測番茄和馬鈴薯的品質，均取得了較好的結果。

4 結論

‘海沃德’獼猴桃品質特征指標為VC、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性、彈性；其應力松弛特性可以用七元件麥克斯韋模型來描述，模型中7個參數分別為 E0（0.524—47.239 N·mm-1）、E1（0.206—15.768 N·mm-1）、E2（0.151—12.966 N·mm-1）、E3（0.252—195.190 N·mm-1）、T1（0.201—23.696 s）、T2（0.188—25.060 s）、T3（0.152—23.918 s）、η1（0.512—34.286 N·s·mm-1）、η2（0.294—273.466 N·s·mm-1）、η3（0.422—39.963 N·s·mm-1）。獼猴桃果實的應力松弛參數與Vc、可溶性固形物、ΔE、硬度、黏聚性和彈性這6個指標具有很好的相關性，運用嶺回歸對這6個指標所建立的預測模型經驗證預測效果良好，該方法具有快速、高效、無損的特點。