基于香蕉、粉蕉成熟過程中硬度變化建立成熟度隨機森林模型

劉袆帆，杜卉妍，鐘玉鳴，馬路凱，李小敏，朱立學

（仲愷農業工程學院輕工食品學院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】鮮食蕉（Musa nanalour）是亞熱帶與熱帶地區的主要水果［1］。我國將鮮食蕉分為香牙蕉（香蕉）、大蕉、粉蕉和龍牙蕉4種類型［2］。由于鮮食蕉屬于呼吸躍變型果實，在采收后成熟過程中會出現呼吸高峰，成熟的過程將無法被抑制，只能減緩，果實硬度將快速下降，會出現果肉軟化甚至腐爛的現象［3-4］。鮮食蕉成熟度是影響果實品質的重要因素，若采收過早會影響果實質量，若采收太遲則會影響果實貯藏期和貨架期，并發生病害。不同成熟度鮮食蕉中含有的多酚、抗性淀粉、果膠等活性成分含量也有差異［5］。鮮食蕉成熟度是客戶驗收的重要指標，在果園采收和交貨時需要對其進行檢測［6］?！厩叭搜芯窟M展】目前鮮食蕉主要按照Loesecke［7］的方法，通過觀察果皮顏色分成7個成熟階段，但是因為光線和觀察的角度不同，無法準確判斷成熟度?，F有研究利用無損技術對鮮食蕉的品質進行檢測，如光譜技術［8］，但因儀器價格昂貴，且需要專業人士進行操作，所以在實際生產中有一定困難?！颈狙芯壳腥朦c】鮮食蕉的質地是評價其品質的重要指標［5］。Rajkumar等［8］和 Soltani等［9］研究表明香蕉果實的硬度與成熟度有一定聯系。鮮食蕉在成熟過程中，果肉質地不斷軟化，果實硬度不斷下降，甜度不斷增加。鮮食蕉質地變軟主要是由于膨脹力喪失、淀粉降解和酶催化引起的細胞壁結構和成分的變化［10-11］。Kachru等［12］研究表明，青香蕉果實不同部位的物理性質存在一定差異。但目前尚未有學者對鮮食蕉在成熟過程中果實不同部位的變化進行研究，不同成熟度果實各部位的化學性質與功能成分含量也會有差異［13］，對食品工業中加工利用有較大影響。【擬解決的關鍵問題】通過研究香蕉和粉蕉成熟過程中果實不同部位的硬度變化，利用隨機森林算法建立模型，預測香蕉和粉蕉成熟度，為適時采收與食品加工中快速分級檢測提供理論依據，可提高鮮食蕉的利用率，并促進食品加工工業的發展。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香牙蕉類鮮香蕉（Musa AAAgroup）采收于廣東省汕尾市某果園，粉蕉類鮮香蕉（Musa ABBgroup）采收于廣東省佛山市某果園。在香蕉與粉蕉果皮為青綠色時采收，數量各約為100根，采收前沒有進行催熟與使用防蟲藥物處理，均在采摘當天運達實驗室。

1.2 試驗方法

1.2.1 采后處理 將采收后的香蕉和粉蕉運回實驗室，曲軸落梳后分成單個蕉指，挑選大小均勻且沒有機械損傷及病蟲害的果實，用清水清洗后擦干表皮，晾干過夜。在室內（室溫20～25℃、相對濕度40%～50%）放置至成熟，每天分別取3根顏色和大小相似的香蕉和粉蕉進行測量，直至果皮顏色出現大面積塊狀褐色時結束。

1.2.2 鮮食蕉成熟度的判定 參照Loesecke［7］方法，將香蕉和粉蕉按照果皮顏色劃分成熟度。按照銷售商、消費者的喜好，香蕉和粉蕉的貨架期一般從果皮顏色大部分轉為黃色開始，直至出現大塊狀褐色結束。為更準確地判斷香蕉和粉蕉的成熟度，本研究將香蕉和粉蕉的成熟過程分成以下3個成熟度：（1）未成熟，果皮顏色全為綠色；（2）開始成熟，果皮顏色轉為黃色、面積大于50%；（3）完全成熟，果皮顏色全為黃色，表面出現芝麻狀的褐色斑點。

1.2.3 鮮食蕉果實硬度的測定 用GY-4型果實硬度計（直徑3.5 mm）測量香蕉和粉蕉果實硬度（單位N）。將香蕉和粉蕉分成柄部（Stalk）、中部（Middle）、端部（Tip）3個部位（圖1），將果實硬度計垂直于被測果實表面，分別在果實每個部位的3個不同平面測硬度，壓頭均完全壓入果實中，屏幕所示讀數即為果實硬度值，取平均值作為該部位的硬度。

圖1 鮮食蕉果實柄部、中部、端部示意圖Fig. 1 Schematic of the stalk, the middle and the tip of banana

1.3 鮮食蕉成熟度隨機森林模型的構建

根據相似性分析（ANOSIM）對香蕉和粉蕉成熟過程中果實3個部位的硬度進行分級，并利用隨機森林建立成熟度預測模型。隨機森林是根據決策樹模型提出的集成學習算法，可以將數據分類與回歸并進行預測［14-15］。根據香蕉和粉蕉成熟過程中果實3個部位的硬度，利用R語言分別建立香蕉與粉蕉隨機森林模型以預測成熟度，并分別研究果實3個部位對成熟度隨機森林模型的重要性。

2 結果與分析

2.1 香蕉、粉蕉成熟過程中果實硬度的變化

香蕉果實硬度變化情況如圖2A所示。采后1～15 d，香蕉處于未成熟階段，由于與細胞壁降解有關的β-D-木聚糖苷酶和α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶活性均較低［16-17］，果實硬度變化較小。從采后16 d開始，香蕉處于開始成熟階段，果實硬度開始快速下降；由于香蕉果實硬度下降與淀粉總含量、細胞壁果膠含量呈正相關，與淀粉酶和果膠甲基酯酶（PME）的活性呈負相關［4,10］，表明此階段淀粉酶活性較高，為呼吸躍變儲備能源物質［4］，PME活性達到最大值［10］。至采后21 d香蕉處于完全成熟階段，果皮幾乎完全變黃，并開始出現芝麻狀的淺褐色斑點，果實硬度無明顯變化，因為果實中的淀粉和細胞壁均已被完全水解，細胞結構已崩潰，細胞壁已粘合在一起，且無成型的淀粉顆粒［18］，細胞壁中多糖和果膠比淀粉先被完全水解［19］。本研究中，香蕉在成熟過程中果實硬度變化規律與侯俊才［20］研究結果相一致，與β-D-木聚糖苷酶和α-L-阿拉伯糖醛酸苷酶的活性變化呈正相關［16-17］。

粉蕉果實硬度變化如圖2B所示，采后1～3 d，粉蕉處于未成熟階段，果實硬度變化不明顯。采后4 d，粉蕉果皮開始變黃，果實硬度開始下降。采后6～8 d，粉蕉果實硬度明顯下降，下降速度不斷提高并達最大值，這可能是由于達到乙烯釋放量高峰，加速了淀粉水解［21］。從采后9 d開始，粉蕉已完全成熟，果實硬度無明顯下降。本研究中，粉蕉在成熟過程中果實硬度變化規律與朱孝揚等［22］研究結果一致，粉蕉完全成熟后，可溶性固形物含量達到最大值，果實硬度達到最小值。

在相同條件的成熟過程中，香蕉和粉蕉果實硬度變化趨勢相同，在未成熟階段果實硬度無明顯下降，在開始成熟階段則快速下降，并在完全成熟時達到最小值，之后無明顯變化。但粉蕉成熟時間比香蕉短，果實硬度下降速度較快，與李為為等［23］研究結果一致，粉蕉的呼吸速率和乙烯產量更高，貯藏期比香蕉短。由香蕉和粉蕉果實含有不同種類的可溶性固形物，說明不同種類的鮮食蕉果實中與降解淀粉和細胞壁相關酶的種類有差異［24］。

2.2 香蕉、粉蕉成熟過程中果實各部位硬度的變化

為研究香蕉和粉蕉成熟過程中果實不同部位的硬度變化規律，分別對果實柄部、中部、柄部3個部位的硬度進行分析。比較圖3A和圖2A可知，香蕉果實柄部、中部和端部的硬度變化趨勢分別與總體果實硬度變化趨勢一致。處于未成熟階段的香蕉，果實中部的硬度明顯高于兩端，且柄部與端部的硬度差異較小（圖3B）。可見，香蕉果實軟化從兩端開始，與Kojima等［25］研究規律一致，可能是因為果實兩端淀粉酶活性較高［26］。采后20 d，香蕉處于完全成熟階段，由于果實中淀粉和細胞壁已被完全水解［27］，所以果實3個部位的硬度幾乎相同。

圖2 香蕉（A）、粉蕉（B）成熟過程中果實硬度的變化Fig. 2 Variation of fruit firmness of Musa AAA group banana（A） and Musa ABB group banana（B） during ripening

比較圖4A和圖2B可知，粉蕉果實柄部、中部和端部的硬度變化趨勢分別與總體果實硬度變化趨勢一致。粉蕉成熟過程中果實各部位的硬度具體變化如圖4B。采后1 d，粉蕉果實兩端的硬度高于中部。采后2～5 d，粉蕉果實兩端的硬度低于中部，說明粉蕉果實軟化也從兩端開始，且果實兩端的淀粉酶活性也可能高于中部。采后8 d，粉蕉果實各部位的硬度差異較小，說明粉蕉在完全成熟階段果實各部位軟化程度相同。

由此可知，鮮食蕉果實軟化是從兩端開始的，且完全成熟時果實各部位的軟化程度相同。因為鮮食蕉果實軟化機制不是單一的，仍需深入研究。因此，對香蕉在成熟過程中果實硬度變化與磷酸化酶活性、轉化酶活性、α-淀粉酶活性、β-D-木聚糖苷酶活性、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶與乙烯釋放量變化進行相關性分析［16-17,28-29］，結果見表1。

2.3 香蕉、粉蕉果實硬度與成熟度的關系

蘭海鵬等［30］通過庫爾勒香梨的硬度建立對成熟度評價的方程，本文利用相似性分析（ANOSIM）研究香蕉和粉蕉果實硬度能否評價成熟度。結果表明，利用相似性分析可將香蕉果實硬度分為3組（圖5A），R＝0.9311，P＝0.001＜0.01，組間差異顯著大于組內差異，說明香蕉分為3個成熟度，果實硬度存在明顯差異，通過香蕉果實硬度可以評價成熟度。粉蕉果實硬度可分為2組（圖5B），R＝0.9996，P＝0.001＜0.01，組間差異大于組內差異，說明粉蕉可分為2個成熟度。Yang等［31］研究發現，由于鮮食蕉中不同基因調控乙烯生物合成，導致果皮顏色變化和細胞壁降解，從而導致果實軟化，使粉蕉按照果皮顏色與果實硬度進行成熟度分級存在差異，說明粉蕉成熟過程中果皮顏色與果實硬度變化的程度存在差異，且差異比香蕉大。

2.4 基于香蕉、粉蕉果實硬度變化規律建立成熟度隨機森林模型

圖3 香蕉成熟過程中果實各部位硬度的變化Fig. 3 Variation of fruit firmness in each part of Musa AAA group banana during ripening

陳麗花等［32］根據香蕉催熟過程的生理變化建立了品質評價模型，孫海霞等［33］通過研究鮮棗硬度等建立了鮮棗內部綜合品質指標的預測模型，本研究根據香蕉和粉蕉在成熟過程中果實3個部位的硬度建立隨機森林模型確定能否準確預測成熟度。結果表明，香蕉成熟度隨機森林模型可將果實硬度分為LM組、MM組和HM組（圖6A），與相似性分析結果一致。香蕉成熟度隨機森林模型的錯誤率為4.94%，其中HM組錯誤率為4.76%，模型將樣本錯誤分在MM組；MM組錯誤率為20%，模型將樣本錯誤分在LM組；LM組錯誤率為0%，說明此成熟度隨機森林模型能將香蕉果實硬度準確分級，可用于預測成熟度。根據香蕉成熟度隨機森林模型預測準確性的降低程度（Mean decrease accuracy），可判斷香蕉果實3個部位的硬度對成熟度隨機森林模型的重要性（圖6B），本研究顯示，香蕉果實中部硬度對模型影響最大，說明香蕉果實中部硬度更能反映自身成熟度。

粉蕉成熟度隨機森林模型可將果實硬度分為LM組和HM組（圖7A），與相似性分析結果一致，錯誤率為0%，說明此模型可將粉蕉果實硬度準確分級，可以用于預測成熟度。根據粉蕉成熟度隨機森林模型預測準確性的降低程度，結果（圖7B）表明，粉蕉果實柄部硬度對成熟度隨機森林模型影響最大，其次為端部，說明粉蕉果實兩端的硬度更能反映自身成熟度。

圖4 粉蕉成熟過程中果實各部位硬度的變化Fig. 4 Variation of fruit firmness in each part of Musa ABB group banana during ripening

表1 香蕉成熟過程中硬度與其他成熟有關指標的相關性［16-17,28-29］Table 1 Correlation between the firmness and other maturity indexes of Musa AAA group banana during ripening

3 討論

圖5 香蕉（A）、粉蕉（B）果實硬度與成熟度的關系Fig. 5 Relation between fruit firmness and maturity of Musa AAA group banana（A）and Musa ABB group banana（B）

圖6 香蕉成熟度隨機森林模型預測結果Fig. 6 Result of maturity prediction of Musa AAA group banana by Random Forest

圖7 粉蕉成熟度隨機森林模型預測結果Fig. 7 Result of maturity prediction of Musa ABB group banana by Random Forest

研究表明，鮮食蕉在采后成熟過程中，淀粉和可溶性糖含量、酶活性、色澤、硬度等都會發生變化［34］。鮮食蕉果實的硬度作為評價其成熟度的重要指標，不僅與自身甜度和食用口感有很大關系，還與成熟時產生的氣味有關。莊軍平等［18］研究表明，香蕉內果肉比外果肉先軟化，說明香蕉果實軟化是從中心開始、且呈放射狀向外延伸的。然而，截至目前尚未有鮮食蕉成熟過程中果實不同部位硬度變化規律的研究。本研究結果表明，香蕉和粉蕉在成熟過程中果實柄部、中部和端部3個部位的硬度變化存在差異，果實柄部與端部的軟化程度相似，且比中部先軟化，但在完全成熟時果實各部位軟化程度相同，說明鮮食蕉軟化是從果實兩端開始，果實各部位成熟不一致。由于鮮食蕉果實各部位細胞密度與大小、細胞壁果膠含量不同，導致硬度變化存在差異［19］。通過相關性分析初步研究造成鮮食蕉果實各個部位硬度差異的原因（表1），發現香蕉果實硬度變化與磷酸化酶活性、轉化酶活性、α-淀粉酶活性、β-D-木聚糖苷酶活性、α-L-阿拉伯呋喃糖苷酶活性與乙烯釋放量變化均呈顯著負相關關系［16-17,28-29］（P＜0.05），其中果實硬度與乙烯釋放量的相關性最高（r＝-0.99），可以推斷出在香蕉成熟過程中，果實各部位中與淀粉和細胞壁水解相關的酶活性和乙烯釋放量存在差異，導致果實各部位硬度變化不一致，為后續深入研究提供了參考。

成熟度對果蔬采后品質、加工利用和功能特性有顯著影響，通過加工不同成熟度的果蔬可以滿足當今精細化農業發展需求［35］。不同成熟度的香蕉在加工成香蕉粉后，其功能特性與適用人群有差異［36］。香蕉成熟度會影響出汁率，是加工過程中關鍵的影響因素［37］。由于鮮食蕉的成熟度對其加工利用中有較大影響，本研究根據香蕉和粉蕉在成熟過程中果實3個部位的硬度變化建立了隨機森林模型來預測成熟度，兩個模型的錯誤率分別為4.94%和0%，說明成熟度隨機森林模型能準確預測香蕉和粉蕉的成熟度。進一步研究發現，香蕉果實中部的硬度與粉蕉果實兩端的軟化程度更能體現自身成熟度，為提高鮮食蕉在食品加工中的利用率提供了參考，可應用于預測鮮食蕉貨架期，開發品質快速監測和分級系統，促進食品加工業發展。

4 結論

通過在香蕉和粉蕉成熟過程中分別測量果實柄部、中部、端部硬度發現，兩種鮮食蕉果實硬度變化趨勢相似，在開始成熟階段果實硬度快速下降，直至完全成熟階段果實硬度下降到最小值，但粉蕉成熟較快。在香蕉和粉蕉成熟過程中，果實3個部位的硬度變化趨勢與整體變化趨勢相同，但果實各部位變化之間存在差異，說明鮮食蕉果實各部位成熟情況不一致。利用相關性分析發現，香蕉果實硬度與降解淀粉和細胞壁相關的酶活性、乙烯釋放量呈顯著負相關關系，為研究鮮食蕉成熟過程中果實不同部位硬度變化差異的原因提供參考。利用相似性分析（ANOSIM）分別對香蕉和粉蕉成熟過程中果實3個部位硬度進行分級，再通過隨機森林算法（Random Forest）分別構建香蕉和粉蕉成熟度隨機森林模型預測成熟度，比較果實3個部位硬度對模型的影響。香蕉和粉蕉成熟度隨機森林模型的錯誤率分別為4.94%和0%，此模型能準確預測香蕉和粉蕉成熟度，且香蕉果實中部與粉蕉柄部的硬度更能反映自身成熟度。