劉袆帆，杜卉妍，鐘玉鳴，馬路凱，李小敏，朱立學(xué)

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院輕工食品學(xué)院，廣東 廣州 510225）

【研究意義】鮮食蕉（Musa nanalour）是亞熱帶與熱帶地區(qū)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(shí)，在采收后成熟過程中會出現(xiàn)呼吸高峰，成熟的過程將無法被抑制，只能減緩，果實(shí)硬度將快速下降，會出現(xiàn)果肉軟化甚至腐爛的現(xiàn)象［3-4］。鮮食蕉成熟度是影響果實(shí)品質(zhì)的重要因素，若采收過早會影響果實(shí)質(zhì)量，若采收太遲則會影響果實(shí)貯藏期和貨架期，并發(fā)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(yàn)收的重要指標(biāo)，在果園采收和交貨時需要對其進(jìn)行檢測［6］?！厩叭搜芯窟M(jìn)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?yàn)楣饩€和觀察的角度不同，無法準(zhǔn)確判斷成熟度?，F(xiàn)有研究利用無損技術(shù)對鮮食蕉的品質(zhì)進(jìn)行檢測，如光譜技術(shù)［8］，但因儀器價格昂貴，且需要專業(yè)人士進(jìn)行操作，所以在實(shí)際生產(chǎn)中有一定困難?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】鮮食蕉的質(zhì)地是評價其品質(zhì)的重要指標(biāo)［5］。Rajkumar等［8］和 Soltani等［9］研究表明香蕉果實(shí)的硬度與成熟度有一定聯(lián)系。鮮食蕉在成熟過程中，果肉質(zhì)地不斷軟化，果實(shí)硬度不斷下降，甜度不斷增加。鮮食蕉質(zhì)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(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和成分的變化［10-11］。Kachru等［12］研究表明，青香蕉果實(shí)不同部位的物理性質(zhì)存在一定差異。但目前尚未有學(xué)者對鮮食蕉在成熟過程中果實(shí)不同部位的變化進(jìn)行研究，不同成熟度果實(shí)各部位的化學(xué)性質(zhì)與功能成分含量也會有差異［13］，對食品工業(yè)中加工利用有較大影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過研究香蕉和粉蕉成熟過程中果實(shí)不同部位的硬度變化，利用隨機(jī)森林算法建立模型，預(yù)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(jù)，可提高鮮食蕉的利用率，并促進(jìn)食品加工工業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(shù)量各約為100根，采收前沒有進(jìn)行催熟與使用防蟲藥物處理，均在采摘當(dāng)天運(yùn)達(dá)實(shí)驗(yàn)室。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 采后處理 將采收后的香蕉和粉蕉運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，曲軸落梳后分成單個蕉指，挑選大小均勻且沒有機(jī)械損傷及病蟲害的果實(shí)，用清水清洗后擦干表皮，晾干過夜。在室內(nèi)（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(jìn)行測量，直至果皮顏色出現(xiàn)大面積塊狀褐色時結(jié)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(fèi)者的喜好，香蕉和粉蕉的貨架期一般從果皮顏色大部分轉(zhuǎn)為黃色開始，直至出現(xiàn)大塊狀褐色結(jié)束。為更準(zhǔn)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(zhuǎn)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(xiàn)芝麻狀的褐色斑點(diǎn)。

1.2.3 鮮食蕉果實(shí)硬度的測定 用GY-4型果實(shí)硬度計(jì)（直徑3.5 mm）測量香蕉和粉蕉果實(shí)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(shí)硬度計(jì)垂直于被測果實(shí)表面，分別在果實(shí)每個部位的3個不同平面測硬度，壓頭均完全壓入果實(shí)中，屏幕所示讀數(shù)即為果實(shí)硬度值，取平均值作為該部位的硬度。

圖1 鮮食蕉果實(shí)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(jī)森林模型的構(gòu)建

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

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉、粉蕉成熟過程中果實(shí)硬度的變化

香蕉果實(shí)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(xì)胞壁降解有關(guān)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(shí)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(shí)硬度開始快速下降；由于香蕉果實(shí)硬度下降與淀粉總含量、細(xì)胞壁果膠含量呈正相關(guān)，與淀粉酶和果膠甲基酯酶（PME）的活性呈負(fù)相關(guān)［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(zhì)［4］，PME活性達(dá)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(xiàn)芝麻狀的淺褐色斑點(diǎn)，果實(shí)硬度無明顯變化，因?yàn)楣麑?shí)中的淀粉和細(xì)胞壁均已被完全水解，細(xì)胞結(jié)構(gòu)已崩潰，細(xì)胞壁已粘合在一起，且無成型的淀粉顆粒［18］，細(xì)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(shí)硬度變化規(guī)律與侯俊才［20］研究結(jié)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(guān)［16-17］。

粉蕉果實(shí)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(shí)硬度變化不明顯。采后4 d，粉蕉果皮開始變黃，果實(shí)硬度開始下降。采后6～8 d，粉蕉果實(shí)硬度明顯下降，下降速度不斷提高并達(dá)最大值，這可能是由于達(dá)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(shí)硬度無明顯下降。本研究中，粉蕉在成熟過程中果實(shí)硬度變化規(guī)律與朱孝揚(yáng)等［22］研究結(jié)果一致，粉蕉完全成熟后，可溶性固形物含量達(dá)到最大值，果實(shí)硬度達(dá)到最小值。

在相同條件的成熟過程中，香蕉和粉蕉果實(shí)硬度變化趨勢相同，在未成熟階段果實(shí)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(dá)到最小值，之后無明顯變化。但粉蕉成熟時間比香蕉短，果實(shí)硬度下降速度較快，與李為為等［23］研究結(jié)果一致，粉蕉的呼吸速率和乙烯產(chǎn)量更高，貯藏期比香蕉短。由香蕉和粉蕉果實(shí)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(shí)中與降解淀粉和細(xì)胞壁相關(guān)酶的種類有差異［24］。

2.2 香蕉、粉蕉成熟過程中果實(shí)各部位硬度的變化

為研究香蕉和粉蕉成熟過程中果實(shí)不同部位的硬度變化規(guī)律，分別對果實(shí)柄部、中部、柄部3個部位的硬度進(jìn)行分析。比較圖3A和圖2A可知，香蕉果實(shí)柄部、中部和端部的硬度變化趨勢分別與總體果實(shí)硬度變化趨勢一致。處于未成熟階段的香蕉，果實(shí)中部的硬度明顯高于兩端，且柄部與端部的硬度差異較?。▓D3B）?？梢?，香蕉果實(shí)軟化從兩端開始，與Kojima等［25］研究規(guī)律一致，可能是因?yàn)楣麑?shí)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(shí)中淀粉和細(xì)胞壁已被完全水解［27］，所以果實(shí)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(shí)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(shí)柄部、中部和端部的硬度變化趨勢分別與總體果實(shí)硬度變化趨勢一致。粉蕉成熟過程中果實(shí)各部位的硬度具體變化如圖4B。采后1 d，粉蕉果實(shí)兩端的硬度高于中部。采后2～5 d，粉蕉果實(shí)兩端的硬度低于中部，說明粉蕉果實(shí)軟化也從兩端開始，且果實(shí)兩端的淀粉酶活性也可能高于中部。采后8 d，粉蕉果實(shí)各部位的硬度差異較小，說明粉蕉在完全成熟階段果實(shí)各部位軟化程度相同。

由此可知，鮮食蕉果實(shí)軟化是從兩端開始的，且完全成熟時果實(shí)各部位的軟化程度相同。因?yàn)轷r食蕉果實(shí)軟化機(jī)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(shí)硬度變化與磷酸化酶活性、轉(zhuǎn)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(jìn)行相關(guān)性分析［16-17,28-29］，結(jié)果見表1。

2.3 香蕉、粉蕉果實(shí)硬度與成熟度的關(guān)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(shí)硬度能否評價成熟度。結(jié)果表明，利用相似性分析可將香蕉果實(shí)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(nèi)差異，說明香蕉分為3個成熟度，果實(shí)硬度存在明顯差異，通過香蕉果實(shí)硬度可以評價成熟度。粉蕉果實(shí)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(nèi)差異，說明粉蕉可分為2個成熟度。Yang等［31］研究發(fā)現(xiàn)，由于鮮食蕉中不同基因調(diào)控乙烯生物合成，導(dǎo)致果皮顏色變化和細(xì)胞壁降解，從而導(dǎo)致果實(shí)軟化，使粉蕉按照果皮顏色與果實(shí)硬度進(jìn)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(shí)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(shí)硬度變化規(guī)律建立成熟度隨機(jī)森林模型

圖3 香蕉成熟過程中果實(shí)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(jù)香蕉催熟過程的生理變化建立了品質(zhì)評價模型，孫海霞等［33］通過研究鮮棗硬度等建立了鮮棗內(nèi)部綜合品質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測模型，本研究根據(jù)香蕉和粉蕉在成熟過程中果實(shí)3個部位的硬度建立隨機(jī)森林模型確定能否準(zhǔn)確預(yù)測成熟度。結(jié)果表明，香蕉成熟度隨機(jī)森林模型可將果實(shí)硬度分為LM組、MM組和HM組（圖6A），與相似性分析結(jié)果一致。香蕉成熟度隨機(jī)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(jī)森林模型能將香蕉果實(shí)硬度準(zhǔn)確分級，可用于預(yù)測成熟度。根據(jù)香蕉成熟度隨機(jī)森林模型預(yù)測準(zhǔn)確性的降低程度（Mean decrease accuracy），可判斷香蕉果實(shí)3個部位的硬度對成熟度隨機(jī)森林模型的重要性（圖6B），本研究顯示，香蕉果實(shí)中部硬度對模型影響最大，說明香蕉果實(shí)中部硬度更能反映自身成熟度。

粉蕉成熟度隨機(jī)森林模型可將果實(shí)硬度分為LM組和HM組（圖7A），與相似性分析結(jié)果一致，錯誤率為0%，說明此模型可將粉蕉果實(shí)硬度準(zhǔn)確分級，可以用于預(yù)測成熟度。根據(jù)粉蕉成熟度隨機(jī)森林模型預(yù)測準(zhǔn)確性的降低程度，結(jié)果（圖7B）表明，粉蕉果實(shí)柄部硬度對成熟度隨機(jī)森林模型影響最大，其次為端部，說明粉蕉果實(shí)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(shí)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(guān)指標(biāo)的相關(guān)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(shí)硬度與成熟度的關(guān)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(jī)森林模型預(yù)測結(jié)果Fig. 6 Result of maturity prediction of Musa AAA group banana by Random Forest

圖7 粉蕉成熟度隨機(jī)森林模型預(yù)測結(jié)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(fā)生變化［34］。鮮食蕉果實(shí)的硬度作為評價其成熟度的重要指標(biāo)，不僅與自身甜度和食用口感有很大關(guān)系，還與成熟時產(chǎn)生的氣味有關(guān)。莊軍平等［18］研究表明，香蕉內(nèi)果肉比外果肉先軟化，說明香蕉果實(shí)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(shí)不同部位硬度變化規(guī)律的研究。本研究結(jié)果表明，香蕉和粉蕉在成熟過程中果實(shí)柄部、中部和端部3個部位的硬度變化存在差異，果實(shí)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(shí)各部位軟化程度相同，說明鮮食蕉軟化是從果實(shí)兩端開始，果實(shí)各部位成熟不一致。由于鮮食蕉果實(shí)各部位細(xì)胞密度與大小、細(xì)胞壁果膠含量不同，導(dǎo)致硬度變化存在差異［19］。通過相關(guān)性分析初步研究造成鮮食蕉果實(shí)各個部位硬度差異的原因（表1），發(fā)現(xiàn)香蕉果實(shí)硬度變化與磷酸化酶活性、轉(zhuǎn)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(fù)相關(guān)關(guān)系［16-17,28-29］（P＜0.05），其中果實(shí)硬度與乙烯釋放量的相關(guān)性最高（r＝-0.99），可以推斷出在香蕉成熟過程中，果實(shí)各部位中與淀粉和細(xì)胞壁水解相關(guān)的酶活性和乙烯釋放量存在差異，導(dǎo)致果實(shí)各部位硬度變化不一致，為后續(xù)深入研究提供了參考。

成熟度對果蔬采后品質(zhì)、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(dāng)今精細(xì)化農(nóng)業(yè)發(fā)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(guān)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(jù)香蕉和粉蕉在成熟過程中果實(shí)3個部位的硬度變化建立了隨機(jī)森林模型來預(yù)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(jī)森林模型能準(zhǔn)確預(yù)測香蕉和粉蕉的成熟度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，香蕉果實(shí)中部的硬度與粉蕉果實(shí)兩端的軟化程度更能體現(xiàn)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(yīng)用于預(yù)測鮮食蕉貨架期，開發(fā)品質(zhì)快速監(jiān)測和分級系統(tǒng)，促進(jìn)食品加工業(yè)發(fā)展。

4 結(jié)論

通過在香蕉和粉蕉成熟過程中分別測量果實(shí)柄部、中部、端部硬度發(fā)現(xiàn)，兩種鮮食蕉果實(shí)硬度變化趨勢相似，在開始成熟階段果實(shí)硬度快速下降，直至完全成熟階段果實(shí)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(shí)3個部位的硬度變化趨勢與整體變化趨勢相同，但果實(shí)各部位變化之間存在差異，說明鮮食蕉果實(shí)各部位成熟情況不一致。利用相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，香蕉果實(shí)硬度與降解淀粉和細(xì)胞壁相關(guān)的酶活性、乙烯釋放量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，為研究鮮食蕉成熟過程中果實(shí)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(shí)3個部位硬度進(jìn)行分級，再通過隨機(jī)森林算法（Random Forest）分別構(gòu)建香蕉和粉蕉成熟度隨機(jī)森林模型預(yù)測成熟度，比較果實(shí)3個部位硬度對模型的影響。香蕉和粉蕉成熟度隨機(jī)森林模型的錯誤率分別為4.94%和0%，此模型能準(zhǔn)確預(yù)測香蕉和粉蕉成熟度，且香蕉果實(shí)中部與粉蕉柄部的硬度更能反映自身成熟度。