催熟對采后菠蘿品質的影響與光譜識別

徐 賽，陸華忠*，梁 鑫，丘廣俊，林 偉

（1.廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所，廣東 廣州 510640；2.廣東省農業科學院，廣東 廣州 510640；3.湛江市農業科學研究院，廣東 湛江 524094）

催熟在目前菠蘿生產中被普遍使用，通常采用種植過程中噴施乙烯利（2-氯乙基磷酸）的方式，可催花并促進果實風味形成，采后噴施可使果實成熟速度均一，以統一采收時間并提前進入市場[1-2]。已有研究證明了催熟在菠蘿生長過程中的益處[3]，而對采后品質影響研究較少。近年來，菠蘿催熟造成采后菠蘿品質下降的質疑愈演愈烈，認為其可能是促使菠蘿采后黑心病發生的重要因素之一[4-5]。因此，探究催熟對菠蘿采后品質的影響并建立品質無損快速識別方法，可為菠蘿科學采摘與貨架管理提供指導，具有重要意義。

糖度與酸度是菠蘿采后風味的重要評判指標，通常用可溶性固形物（total soluble solid，TSS）與可滴定酸（titratable acid，TA）含量表示[6-7]。Chuakula等[8]研究表明，催熟處理可增加果實的TSS含量，降低果實的TA含量。目前催熟對果實不同部位的影響尚缺乏探究。此外，近年菠蘿黑心病發生頻率倍增[9]，嚴重影響產業發展，故探明催熟對菠蘿采后黑心影響意義重大。

可見/近紅外光譜（visible near/infrared spectroscopy，VIS/NIR）檢測技術主要根據獲取被測樣本透射或反射的VIS/NIR信號所攜帶的樣本內部信息，建立可映射到理化指標的識別模型[10-12]。目前已在中小型薄皮農產品內 部品質無損識別中得到了廣泛應用，如蘋果[13]、梨[14]、橙[15]、芒果[16]的糖度和酸度檢測，梨[17]和馬鈴薯[18]黑心病檢測等。但菠蘿屬于較大型水果，表皮凹凸不平，反射光譜無法獲取水果深層品質信息，透射光譜信號的強度與質量會被削弱。VIS/NIR技術能否識別采后菠蘿的內部品質尚需進一步研究。

因此，本研究以菠蘿果心、果肉和整果為對象，探究了催熟與未催熟菠蘿采后一定貯藏期內的TSS、TA質量分數和黑心程度變化規律，并根據菠蘿采摘早期的 光譜信號以及貯藏過程的光譜信號，探究VIS/NIR技術早期實時識別以及預測菠蘿品質狀態的可行性，為菠蘿產業品質提升提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗‘巴厘’菠蘿（（1.2±0.2）kg、七成熟）于廣東湛江徐聞友好農場采收，催熟處理（采收前噴施乙烯利）菠蘿和未催熟菠蘿各100 個，采果后經3 d物流運送到實驗室室內貯藏，室內條件為溫度23 ℃、相對濕度76%。

0.1 mol/L NaOH溶液 深圳市博林達科技有限公司。

1.2 儀器與設備

QE Pro光纖光譜儀（400～1100 nm）、NIRQuest光纖光譜儀（900～1700 nm） 美國Ocean Optics公司；PAL-1數字光學折射儀 日本ATAGO公司。

1.3 方法

1.3.1 原料處理

采后第4天對200 個菠蘿進行VIS/NIR無損檢測，數據用于菠蘿黑心病早期預測研究。采后第4、5、6、7、8、9天對催熟與未催熟菠蘿均分別采集10、20、20、20、20 個和10 個樣本進行VIS/NIR無損檢測，并測定理化指標（TSS質量分數、TA質量分數、TSS/TA和黑心程度）。

1.3.2 VIS/NIR光譜信號采集

菠蘿光譜數據獲取采用實驗室搭建的VIS/NIR透射光譜采集平臺，其光源包含12 個100 W的鹵素燈，入射角度為45°，采用QE Pro光纖光譜儀和NIRQuest光纖光譜儀聯用采集400～1700 nm波長范圍的光譜信號。

1.3.3 TSS、TA質量分數測定

去除果皮，將果心與果肉分開，采用打漿、過濾的方式取汁后，分別檢測菠蘿果心、果肉和整果（果心與果肉的混合）果汁的TSS、TA質量分數和TSS/TA。TSS質量分數采用PAL-1數字光學折射儀測定，具體參考NY/T 2637—2014《水果和蔬菜可溶性固形物含量的測定 折射儀法》進行；TA質量分數測定參考GB 5009.239—2016《食品安全國家標準 食品酸度的測定》，采用0.1 mol/L NaOH溶液進行滴定；TSS/TA即TSS質量分數與TA質量分數的比值，可用于反映菠蘿果肉的綜合風味[19]， TSS/TA越大表示甜味越突顯，越小則酸味越突顯。上述檢測均重復3 次取平均值。

1.3.4 黑心指數測定

將菠蘿果實縱切兩半，觀察黑心區域面積占菠蘿切面面積的比例R[20-21]：0級，無黑心發生；1級，R≤10%；2級，10%＜R≤20%；3級，20%＜R≤30%；4級， 30%＜R≤50%；5級，R＞50%。黑心指數按下式計算。

1.4 數據處理與分析

本研究的催熟、貯藏時間、黑心程度識別預測的期望輸出均為10以內的正整數，屬于分類問題，采用線性判別分析（linear discriminant analysis，LDA）法[22]進行分類識別。LDA是采用降維的方法將提取樣本主要信息的線性判別因子映射在二維空間，越相似的樣本距離越近，反之距離越遠。TSS、TA質量分數和TSS/TA識別結果為帶小數的隨機數，需用回歸的方法解決定量分析問題，采用偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）進行識別[23-24]。PLSR定量識別效果采用決定系數（R2）和均方根誤差（root mean square error，RMSE）表征，其中R2越接近1、RMSE越小，識別效果越好，R2越接近0、RMSE越大，識別效果越差。此外，通過對比數據點與各類別之間的歐氏距離，輔助判定黑心程度分類識別的精確度[25]。PLSR用于對黑心發生預測效果的進一步驗證，樣本整體識別正確率以識別輸出結果取整（四舍五入）后與期望輸出的比對結果表示，將定量輸出轉化為定性結果[26]。采用Excel 2007軟件進行數據整理，采用Matlab 7.0軟件[27]進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 催熟對菠蘿TSS、TA質量分數和TSS/TA的影響

如圖1A所示，催熟菠蘿果肉TSS質量分數最高，其次是整果，果心最低。未催熟菠蘿各部位TSS質量分數較接近，說明各部位TSS分布較均勻。催熟菠蘿的TSS質量分數在采摘初期（第4天，后同）高于未催熟菠蘿，在貯藏過程中逐漸降低，可以推斷菠蘿催熟處理后第4天已經完全成熟。未催熟菠蘿TSS質量分數在貯藏過程逐漸升高，第9天與催熟菠蘿接近，是后熟的體現。

如圖1B所示，催熟和未催熟菠蘿的TA質量分數從高到低均依次為果肉＞整果＞果心。催熟菠蘿的TA質量分數在采摘初期高于未催熟菠蘿，在貯藏過程中無明顯變化趨勢，但果實不同部位之間的差異逐漸減小。未催熟菠蘿TA質量分數隨貯藏時間延長逐漸上升，第9天與催熟菠蘿較接近，但不同部位差異無明顯變化。

如圖1C所示。催熟與未催熟菠蘿TSS/TA從高到低依次排列均為果心＞整果＞果肉，但催熟菠蘿各部位質量分數差異較小，未催熟菠蘿差異較大。未催熟菠蘿 TSS/TA在采摘初期大于催熟菠蘿，但在貯藏過程中逐漸降低，第9天與催熟菠蘿相近，催熟菠蘿TSS/TA在貯藏過程中變化較小，未催熟菠蘿較未催熟菠蘿在采摘前4 d具有明顯的風味優勢，隨后貯藏過程中伴隨著未催熟菠蘿TSS/TA逐漸下降，優勢減小[28]。

圖 1 催熟與未催熟菠蘿采后TSS（A）、TA（B）質量分數 和TSS/TA（C）變化Fig. 1 Changes in TSS (A), TA (B) and TSS/TA (C) of postharvest pineapples with and without artificial ripening

2.2 催熟對菠蘿黑心程度的影響

圖 2 催熟與未催熟菠蘿采后黑心指數變化Fig. 2 Changes in black heart index of postharvest pineapples with and without artificial ripening

如圖2所示，催熟與未催熟菠蘿黑心指數在采后第4天分別為1.0和0.2，采后第9天分別達到4.1和1.5?？梢姡呤炫c未催熟菠蘿黑心程度均隨著貯藏時間延長逐漸增加，催熟菠蘿增加速度明顯較未催熟菠蘿快，說明催熟是促進菠蘿黑心病發展的重要因素。

2.3 催熟對菠蘿初始光譜數據的影響

催熟與未催熟菠蘿采摘初期（第4天）光譜原始數據如圖3A所示，400～600 nm較為相似；600～800 nm未催熟菠蘿光譜曲線較平坦，催熟菠蘿曲線呈上升趨勢；催熟菠蘿800～1200 nm的波峰較未催熟菠蘿尖銳；未催熟菠蘿VIS/NIR光譜的透射率在全波段（400～1700 nm）較催熟菠蘿低。催熟與未催熟菠蘿貯藏過程（4～9 d）的光譜如圖3B所示，隨著貯藏時間的延長，800～1000 nm波段波峰變得更明顯?；诠庾V數據利用LDA法對催熟與未催熟菠蘿的分類識別結果分別如圖3C、D所示，發現采摘初期和貯藏過程中催熟和未催熟的菠蘿可以被較好地區分開。因此，VIS/NIR光譜可以有效展現菠蘿果實的特征信息，并用于分類識別。

圖 3 催熟與未催熟菠蘿原始光譜數據變化Fig. 3 Raw spectral data of postharvest pineapples with and without artificial ripening

2.4 VIS/NIR對菠蘿貯藏時間的識別

圖 4 催熟（A）與未催熟（B）菠蘿貯藏時間的LDA識別Fig. 4 Linear discriminant analysis (LDA) plots for storage time identification of postharvest pineapple with (A) and without (B) artificial ripening

催熟菠蘿貯藏時間的LDA分類識別結果如圖4A所示，各貯藏時間均能被區分開來。未催熟菠蘿貯藏時間的LDA分類識別結果如圖4B所示，第5天和第7天的菠蘿樣本數據點存在重疊，第5天有1 個數據點與第6天重疊，無法較好地識別，其他貯藏時間均能被區分開來。未催熟 菠蘿貯藏時間識別效果欠佳可能是受菠蘿黑心的影響較小，造成水果品質變化不大。

2.5 VIS/NIR對菠蘿TSS、TA質量分數和TSS/TA的識別

表 1 催熟與未催熟菠蘿TSS、TA質量分數和TSS/TA的PLSR識別結果Table 1 Partial least squares regression recognition of TSS, TA and TSS/TA of pineapples with and without artificial ripening

如表1所示，催熟與未催熟菠蘿的TSS、TA質量分數和TSS/TA均無法較好地識別。目前菠蘿內部品質的無損檢測方法報道較少，Chia等采用VIS/NIR反射光譜有效識別了菠蘿的TSS質量分數[29]，但反射光譜僅能識別菠蘿外部果肉（表皮約1 cm范圍）的糖度，目前市面普遍存在催熟果內部糖度分布差異較大，因此參考意義不大。本實驗VIS/NIR透射光譜對內部風味品質檢測效果不佳（Rv2均小于0.5）可能是受黑心發生等因素的干擾。

2.6 VIS/NIR對菠蘿黑心程度的識別

圖 5 催熟（A）與未催熟（B）菠蘿黑心程度的LDA識別Fig. 5 LDA recognition for black heart degree of postharvest pineapples with (A) and without (B) artificial ripening

0級黑心菠蘿商品價值最高；1級黑心菠蘿具有輕微黑心癥狀，價值下降，但仍可食用或去除黑心部分后用于加工；1級以上黑心菠蘿幾乎完全失去商品價值，因此本研究將菠蘿黑心程度分為上述3 類。統計貯藏4～9 d 過程中每天各分級的菠蘿總數，采集到0級、1級和1級以上黑心菠蘿分別為8、20 個和72 個，未催熟菠蘿采集到0級、1級和1級以上黑心菠蘿分別為37、44 個和19 個。催熟和未催熟菠蘿黑心程度的LDA分類識別結果分別如 圖5A、B所示，可以看出催熟與未催熟菠蘿的黑心程度能較好地被分類識別。

為判定LDA分類結果中樣本類別的歸屬，本研究以數據點與類別中心位置（同類別樣本數據點坐標平均值）之間的歐氏距離為參考，將歐氏距離最近的中心位置判定為該樣本所屬類別。以歐氏距離作為空間劃分標準，LDA對催熟與未催熟菠蘿黑心程度分類識別判定結果分別見表2、3，對催熟菠蘿黑心程度的識別正確率為98%，對未對催熟菠蘿黑心程度的識別正確率為94%。

表 2 催熟菠蘿黑心程度LDA識別的歐氏距離判定結果Table 2 Euclidean distance judgement of LDA recognition of black heart degree of postharvest pineapples with artificial ripening

表 3 未催熟菠蘿黑心程度LDA識別的歐氏距離判定結果Table 3 Euclidean distance judgement of LDA recognition of black heart degree of postharvest pineapples without artificial ripening

2.7 VIS/NIR對菠蘿黑心發生的預測

菠蘿黑心是一個發展的過程，隨貯藏時間延長逐漸加重，因此，通過采摘早期的無損檢測預測未來的黑心發展狀況對菠蘿產業的發展極具意義。本實驗菠蘿果實均為果園采摘后立即物流第3天到達實驗室進行檢測，較好地模擬了產業實際運輸流程（采后立即裝車3～4 d內運到全國各地）。今后可先預測黑心程度后再科學地進行商品調配與銷售。為此，本研究提出了按剩余壽命識別與貯藏期內黑心發生識別兩種方案。

2.7.1 按剩余壽命識別

參考本課題組此前對荔枝剩余壽命的識別[30]，本研究以菠蘿達到1級黑心程度的貯藏時間作為菠蘿的剩余壽命，表示菠蘿采后能存放的時間。采集到剩余壽命4、5、6、7、8 d和9 d的催熟菠蘿分別為8、6、4、1、1 個和0 個，未催熟菠蘿分別為2、7、5、12、11 個和7 個。催熟和未催熟菠蘿的剩余壽命識別結果分別見圖6A、B，均無法較好地識別，表明該方案不可行。

圖 6 催熟（A）與未催熟（B）菠蘿剩余壽命的LDA識別Fig. 6 LDA recognition for the remaining lifespan of postharvest pineapples with (A) and without (B) artificial ripening

2.7.2 按貯藏期內黑心發生情況識別

圖 7 菠蘿采后第6天黑心發生情況的LDA識別Fig. 7 LDA recognition for black heart incidence in pineapples at day 6 postharvest

據調研，菠蘿采后通常會在6 d內被消費者食用，菠蘿在耐黑心能力上存在個體差異，預測菠蘿采后6 d內菠蘿是否發生黑心具有重要意義。由圖7A可知，催熟菠蘿采后第4天黑心率已達到80%，第6天達到90%，幾乎完全黑心，預測意義不大；未催熟菠蘿采后6 d黑心率為50%，具有預測意義。研究采集6 d內（含第6天）發生黑心的菠蘿和6 d后（不含第6天）未發生黑心菠蘿分別為19 個和21 個，其LDA分類識別結果如圖7B所示，可以 較好地進行識別。因此，采用VIS/NIR預測早期菠蘿黑心發生情況是可行的。

為進一步驗證此結論，本研究從19 個6 d內發生黑心的菠蘿和21 個6 d后未發生黑心的菠蘿中分別提取14 個和16 個樣本作為訓練集，剩余樣本作為驗證集，得到訓練集樣本共30 個，驗證集樣本共10 個。參考文獻[31]的研究方法，采用LDA提取的線性判別因子作為特征值減少冗余特征后，進行PLSR識別。第6天黑心與不黑心的期望輸出標簽分別設置為0和1。將PLSR識別結果四舍五入取整后與期望輸出比對，PLSR對訓練集的識別正確率為96.67%，對驗證集的識別正確率為80%，進一步驗證了本方案預測菠蘿黑心發生的可行性。

3 結 論

本研究分果心、果肉和整果對比了催熟與未催熟菠蘿采后一定貯藏期內的TSS、TA質量分數和黑心程度變化規律，并利用VIS/NIR技術對菠蘿貯藏品質進行檢測、對菠蘿黑心發生情況進行早期預測。

菠蘿采后理化變化研究結果表明，催熟菠蘿果肉TSS質量分數最高，其次是整果，果心最低，未催熟菠蘿各部位TSS質量分數較一致。催熟菠蘿的TSS質量分數在采摘初期高于未催熟菠蘿，在貯藏過程中逐漸降低，未催熟菠蘿TSS質量分數在貯藏過程逐漸升高，第9天與催熟菠蘿相近。催熟和未催熟菠蘿的TA質量分數從高到低均依次為果肉＞整果＞果心。催熟菠蘿的TA質量分數在采摘初期高于未催熟菠蘿，在貯藏過程中無明顯變化趨勢，未催熟菠蘿TA質量分數隨貯藏時間延長逐漸上升，第9天與催熟菠蘿較接近。催熟與未催熟菠蘿TSS/TA質量分數從高到低均依次為果心＞整果＞果肉。未催熟菠蘿TSS/TA在采摘初期大于未催熟菠蘿，但貯藏過程中逐漸降低，第9天與催熟菠蘿相近。

VIS/NIR光譜識別結果表明，VIS/NIR光譜可以有效展現菠蘿果實的特征信息，識別催熟與未催熟菠蘿，識別催熟菠蘿貯藏時間（第4、5、6、7、8、9天），識別未催熟菠蘿貯藏時間（第4、5～7、8、9天），預測未催熟菠蘿采后第6天是否會發生黑心；但對催熟與未催熟菠蘿果心、果肉和整果的TSS、TA質量分數和TSS/TA識別效果均不佳，對菠蘿的剩余壽命識別效果不佳。

綜上，為保證菠蘿采后品質，菠蘿采摘前不宜使用催熟劑，未催熟可降大幅度低果實采后黑心風險。利用VIS/NIR技術，采購商、銷售者、檢測部門等可掌握菠蘿是否進行了催熟處理，并判斷菠蘿的貯藏時間信息及是否發生黑心，并對菠蘿黑心情況進行預測；銷售者可利用這些信息將不耐黑心果就近銷售，減少損失。本研究為菠蘿產業的提升與發展提供科學參考。