冻藏后沙棘果实的分离力与相关物理特性参数分析

林鑫章,雷 金,任子超,张 杰,梁炳钦,王炳鹏,王卫兵

(石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】沙棘(Sea buckthorn,SBT)属胡颓子科,为落叶灌木,是一种优良的水土保持树种,结有黄色或橙色浆果,在亚洲和欧洲等均有分布[1]。沙棘果营养价值[2]和药用价值很高[3],沙棘果实小,不容易形成分离层,果实紧密地簇生在被刺覆盖的枝条上[4],且沙棘果皮薄而水分多,难以直接采收,通常剪截果枝后冷冻,再进一步脱果加工[5]。研究冻藏后沙棘果的分离力、果皮硬度等物理参数对优化加工过程以及设计脱果机械具有重要意义。【前人研究进展】德国 Kranemann 公司研发了一种剪枝、冷冻、振动采收一体化的沙棘采收机械[6],冯常建、赵艳杰等[7-8]设计了针对冷冻沙棘枝条果脱果的滚筒筛和预破碎装置,但这些设备缺少对冻藏后果皮硬度的研究,不能够有效减少伤果率[9]。D.D.Mann等[10]对沙棘枝脱果的最佳温度和频率参数进行试验分析。有研究用推拉力计测定了柑橘[11]、枸杞[12]等果实的分离力;彭俊等[13]研究了不同成熟期冬枣果实特征与分离力参数。此外,也有研究对鲜枣[14]、辣椒[15]等果蔬的果皮硬度、果实跌落硬度等特性参数进行分析。【本研究切入点】在果蔬机械化采收和确定相关机械设计参数等方面,研究果蔬分离力及相关物理参数是一项重要环节[16]。采收后的沙棘果实需要尽快送到加工厂并且冷却到3～6℃或更低再贮存[17],从而控制微生物繁殖;而对沙棘进行冷冻脱果的温度通常在-18℃左右[18-19]。沙棘果通常是冷冻剪截果枝后再脱果采收,目前关于不同冻藏温度下的沙棘果实分离力、果皮硬度的测定和相关物理特性参数之间关系的研究开展较少,尚需加以测定和研究。【拟解决的关键问题】以深秋红沙棘果实为研究对象,测定三年生和四年生两种树龄的沙棘果实在3和-18℃冻藏温度下的果实分离力及相关物理特性,分析果实分离力及各物理特性参数之间的关系,为沙棘果采收、加工和处理等机械装备的设计制造提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

沙棘品种为深秋红沙棘,于2021年11月20日采摘于新疆生产建设兵团第九师170团沙棘种植基地,截剪树龄为三年生和四年生的带果枝条各10根,样本果实、果柄和枝条齐全,将不同年生的带果枝条再分为2组,每组5根带果枝条,总计4组。将不同树龄的带果枝条各取一组放入(BCD-247WTPZM)美的冰箱-18℃冷冻柜,其余两组放入3℃冷藏柜,冻藏3d。每组样品枝条和果实进行多次试验,测定前依次预先放置于PU填充材料保温箱中,测定时快速取放,以保证试验温度条件。

1.2 方 法

1.2.1 果实分离力及物理特性的测定

随机选择20个沙棘果样本测量分离力,采用艾德堡数显式推拉力计HP-10,精度0.01 N。施加在果柄上力的方向与通过果蒂的轴线方向的夹角越大,果实的分离力越小[20],测力的拉力方向与果蒂方向相同。沙棘果为伞形总状花序结果,果枝上结果密集且果实皮薄、易破碎,自制果实测力装置由果实夹持器和推拉力计组成,果实夹持器由一端为U型开口环的钢丝、棉绳和钢丝固定装置组成。图1

图1 果实测力装置

U型开口环穿过果柄,套在沙棘果上,纵向拉伸缓慢向下拉动,直至沙棘果与枝条分离时,利用推拉力计峰值功能记录瞬时力的大小,确保沙棘果的完好。对采摘下的果实用数显游标卡尺(量程0～200 mm,精度0.01 mm)测量其横纵径和果柄直径,用电子天平(最大量程1 000 g,分度值0.01 g)测量果实质量,共测量80个果实样本。

1.2.2 果实穿刺

试验样品为测定完分离力的80个果实样本,按不同冻藏温度不同树龄分为4组,冻藏3 d。使用英国 Stable Micro Systems 公司生产的 TA.XT plus 质构仪进行穿刺试验,穿刺探头选择直径为2 mm的P/2柱形探头,参考葡萄[21]、石榴[22]设定测前速度为3 mm/s,贯入速度1 mm/s,测后速度5 mm/s,负载触发力5 g,样品穿刺位置为赤道部区域(果实横径区域),目标模式为应变,将应变设置为50%。采用箱线图可直观明了地识别并剔除异常值,比较不同样本数据的波动和分布情况[23]。

1.3 数据处理

采用Excel 2007、SPSS 25.0和Origin 2022分别进行数据统计、差异性及相关性分析、作图。试验数据首先进行箱线图分析,剔除异常值;齐性测试后,利用方差分析进行差异性显著分析;分析皮尔逊相关系数。

2 结果与分析

2.1 沙棘果实果皮硬度曲线

研究表明,不同树龄的沙棘果曲线特性相似。针对三年生树龄果实,将曲线分为2个阶段,第一阶段为果皮受力阶段(锚1至锚2),第二阶段为果皮刺破阶段(锚2至锚3)。锚1对应的力值D1为探针接触果皮所受力,锚2对应的力值D2为果皮破裂载荷(g),锚3对应的力值D3为探针刺破果皮触及果肉的感应力,锚2对应的力值与探头横截面积的比值为果皮硬度(g/mm2),锚3对应点D3与锚2对应点D2的差值为果实跌落硬度(g)。图2

图2 3℃冻藏温度下果实穿刺特性曲线

不同树龄的沙棘果曲线特性相似。针对三年生树龄果实,将曲线分为3个阶段,第一阶段为果皮受力阶段(锚1至锚2),第二阶段为果皮刺破阶段(锚2至锚3),第三阶段为果肉受力阶段(锚3至锚4),锚4对应时间点为探针穿刺果肉到达应变程度后停止贯穿的时间点。果皮硬度、果实跌落硬度求解过程与上文相同。3℃冻藏温度下果实内部为液态果汁,果肉受力阶段波动不明显,-18℃冻藏温度下,果实内部为结晶态果汁且有一定硬度,锚3过后穿刺感应力随探头穿刺果肉深度增加而增加;-18℃冻藏温度下,果皮破裂时间明显减少,内部结晶态果汁使得果皮破裂应变减小。图3

图3 -18℃冻藏温度下果实穿刺特性曲线

2.2 果实分离力及各物理特性

研究表明,比较沙棘果分离力,四年生树龄的箱体较三年生树龄的箱体更高。四年生沙棘果分离力的箱体跨度较长,该树龄下沙棘果分离力波动较大。第三组果实分离力数据有1处明显为异常值为1.003 N,在后续分析中剔除该异常值。图4

图4 果实分离力箱线图

四组数据中位数线离箱图中心线较近数据分布较均衡,数据合理。-18℃冻藏温度下的箱体较3℃冻藏温度下的箱体更高。-18℃冻藏温度下果皮破裂载荷的箱体跨度较长,该条件下沙棘果果皮破裂载荷波动较大。图5

图5 果皮破裂载荷箱线图

四年生树龄的箱体较三年生树龄的箱体更高。3℃冻藏温度下四年生树龄的果实质量的箱体跨度较长,该条件下沙棘果果实质量波动较大。第四组果实质量数据存在两处异常值,分别为0.70和0.42 g,剔除该异常值。图6

图6 果实质量箱线图

3和-18℃两种不同冻藏温度下的沙棘果实分离力、果柄直径、果实横纵径、果实质量各自之间都无显著性差异;不同冻藏温度不同树龄沙棘果实分离力均值变化范围为1.09～1.74N,果实分离力随树龄增加而增加,不同树龄间差异显著;果柄直径和果实纵横径均值变化范围分别为0.43～0.51、11.49～12.17、6.60～7.65 mm,都随树龄增加而增加,不同树龄间差异显著;果实质量的均值变化范围为0.35～0.57 g,随树龄增加而增加,不同树龄间差异显著。不同树龄间果皮破裂载荷、果皮硬度、果实跌落硬度各自之间都无显著性差异,果皮破裂载荷和果皮硬度的均值变化范围分别为110.86～165.25 g和35.30～52.63 g/mm2,随冷冻温度降低而增加,不同冻藏温度间差异显著;果实跌落硬度的均值变化范围为58.44～105.66 g,随冷冻温度降低而减小,不同冻藏温度间差异显著。表1

表1 果实分离力及各物理特性数据统计

2.3 各物理特性相关性

研究表明,沙棘果果实分离力与果柄直径在0.01水平显著相关,相关系数为0.473,呈中度相关关系;沙棘果果实分离力与果实纵径、果实横径、果实质量都在0.01水平显著相关,相关系数分别为0.446、0.597、0.801,其中果实分离力与果实质量强相关;果柄直径与果实纵径、果实横径、果实质量都在0.01水平显著相关,相关系数分别为0.53、0.625、0.696;果实纵径与果实横径、果实质量都在0.01水平显著相关,相关系数分别为0.628和0.657;果实横径与果实质量在0.01水平显著相关,相关系数达到0.849,果实横径与果实质量强相关。

果实质量与果皮破裂载荷、果皮硬度、果实跌落硬度相关性都不强,果实穿刺质构特性与果实质量之间关系不大。果皮硬度由果皮破裂载荷所求,完全相关。果皮硬度与果实跌落硬度呈负相关,相关系数为-0.462。

果实分离力、果实质量、果皮硬度最能体现各项相关参数,同时也是进行机械选择性收获时判断果实品质的重要指标。由于沙棘果属于浆果且结果密集,果实小、易破碎、水分多,综合比较果实分离力、果实质量、果皮硬度3个指标后,四年生沙棘果在-18℃冻藏温度下进行脱果采收更为适宜。表2

表2 各物理特性之间的皮尔逊相关系数

3 讨 论

3.1在机械化林果采收过程中,果实分离力是决定收获效率的重要因素之一,其通常受成熟度、品种等因素影响[24]。研究发现,随着树龄增加,沙棘果实分离力、果柄直径、果实横纵径、果实质量都显著增加,而不同冻藏温度下的上述特性却无显著差异。在采收、运输和贮藏过程中果实的果皮硬度特性都是很重要的指标之一,受诸如品种、采收方法、贮藏方法等因素的影响[25]。研究发现,随着冷冻温度降低,沙棘果果皮破裂载荷和果皮硬度都显著增加,果实跌落硬度显著减小,而不同树龄下的上述特性却无显著差异。

3.2果实硬度既是评价果实品质的一项重要指标,又是在进行机械收获和贮藏时需要获得的一个重要参数[26]。王昕等[27]测定了采收后番茄果实的硬度,研究分析其变化规律后,建立了一种动力学模型,可预测采摘和贮运过程中番茄品质变化。李婷等[28]研究不同品种葡萄的穿刺质构特性,分析硬度及各质地参数的相关性,得到不同品种葡萄在贮藏过程中品质变化趋势的信息。研究中,分析不同树龄不同冻藏温度下沙棘果的果皮硬度特性曲线,不同树龄间的特性曲线较为相似,3℃冻藏温度下果实内部为液态果汁,果肉受力阶段不明显,而-18℃冻藏温度下沙棘果实内部为结晶态果汁且有一定硬度,导致两者间的果皮硬度、果皮破裂力、果皮破裂时间、跌落硬度有较大差异。

3.3在针对沙棘果机械脱果采收时,一般需要果实分离力和果实跌落硬度尽可能小,果实质量尽可能大,果皮硬度尽可能高。影响果实品质的因素不仅仅是冻藏温度和果实树龄,还需要进一步研究不同品种、不同贮藏时间与沙棘果实品质及生物物理特性之间的关系。

4 结 论

4.1对新疆深秋红沙棘果进行-18℃低温冻藏后,可显著提高沙棘果的果皮硬度且降低沙棘果跌落硬度,其果皮硬度可达到52.63 g/mm2,跌落硬度可达到58.44 g,沙棘果在低温冻藏后可显著降低脱果采收时的伤果率。

4.2果实分离力、果实质量、果皮硬度是进行机械选择性收获时判断果实品质的重要指标。果实分离力和果实质量随树龄增加而增加,果皮硬度随冻藏温度降低而增加;果实分离力、果实质量与冻藏温度相关性不强,果皮硬度与树龄相关性不强。