鄭建梅 肖 妍 高貴田 封 琦 李子君

(陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710119)

獼猴桃(ActinidiaChinensisPlanch)口感酸甜，且富含維生素C(vitamin C,Vc)、胡蘿卜素、獼猴桃堿等營養(yǎng)成分，深受消費者青睞[1]。目前我國栽培的獼猴桃品種以美味獼猴桃和中華獼猴桃為主。徐香獼猴桃作為美味獼猴桃品種之一，其肉質(zhì)細(xì)膩、口感獨特且產(chǎn)量較高，在我國擁有廣闊的市場[2-3]。獼猴桃屬于典型的呼吸躍變型果實，為滿足獼猴桃鮮售市場需求，通常在未成熟時采摘，此時果實硬度大、淀粉含量高、糖分低，需通過后熟或進行催熟處理才能達(dá)到可食狀態(tài)[4]。然而獼猴桃后熟期較長，在常溫下通常為20 d左右，給消費者帶來不便。

呼吸躍變型果實的成熟軟化是一個復(fù)雜的過程，伴隨著果實風(fēng)味、色澤、質(zhì)地和營養(yǎng)成分等一系列的變化。乙烯是該過程中引發(fā)果實后熟與衰老的關(guān)鍵激素[5-6]。研究表明，獼猴桃采收后經(jīng)外源乙烯處理可調(diào)控其乙烯的自催化生物合成作用，誘導(dǎo)果實產(chǎn)生內(nèi)源乙烯，促進果實的呼吸躍變高峰提前，從而迅速均勻地加速獼猴桃軟化[7-8]，使果實達(dá)到最佳食用狀態(tài)。杜瑩琳等[9]研究表明，外源乙烯處理海沃德獼猴桃后會促進黃質(zhì)醛脫氫酶的表達(dá)，從而促進獼猴桃內(nèi)源脫落酸(abscisic acid,ABA)的合成，加速獼猴桃果實的軟化。Lim等[10]研究發(fā)現(xiàn)，通過自然后熟和乙烯催熟的獼猴桃在理化性狀及感官特征上無顯著差異，均有較好的市場接受度。也有研究表明使用外源乙烯處理果實不僅可以實現(xiàn)對果實的人工催熟縮短其后期時間，還為果實的品質(zhì)、香氣特征等帶來積極影響[11-12]。外源乙烯廣泛應(yīng)用于香蕉[13]、杏[14]、蘋果[15]、芒果[16]、柿子[17]等果實的人工催熟過程中，并表現(xiàn)出良好的應(yīng)用價值。不同果實對乙烯的敏感程度不同，過高或過低的乙烯含量及不同的處理時間均會對果實的后熟品質(zhì)產(chǎn)生影響[18]。目前，國內(nèi)外關(guān)于外源乙烯的添加量、處理時間及貯藏溫度對呼吸躍變型果實催熟效果的研究，大多集中單因素水平，鮮有針對各因素交互作用對果實質(zhì)地、營養(yǎng)品質(zhì)和香氣特征等方面影響的研究。

本試驗以徐香獼猴桃為研究對象，以乙烯緩釋劑用量、處理時間和貯藏溫度為因素，以果實硬度、可溶性固形物含量、Vc含量、可溶性蛋白含量、總酚含量及感官評分為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面試驗探究各因子間的交互作用對果實品質(zhì)的影響；并通過主成分分析法提取具有代表性的、反映果實品質(zhì)的特征性指標(biāo)；同時利用遺傳算法對特征性指標(biāo)進行多目標(biāo)優(yōu)化，確定乙烯催熟的最佳方案，旨在為滿足獼猴桃鮮果銷售市場要求，保持果實后熟品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

徐香獼猴桃采自周至縣幸福源現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司。在果園內(nèi)隨機選取多株正常結(jié)果植株，于樹冠中部隨機摘取生長健壯、大小一致、無病蟲害的果實，采摘后立即運回實驗室，室溫放置24 h，散去田間熱。將果實隨機分成17組，每組約10 kg。

乙烯(緩釋劑粉末)，陜西一道大格生物科技有限公司；氫氧化鈉、草酸、氯化鋇、酚酞、鄰苯二甲酸氫鉀，天津天力化學(xué)試劑有限公司；抗壞血酸鈉，成都市科隆化工試劑廠； 2,6-二氯酚靛酚，上海藍(lán)季生物有限公司；考馬斯亮藍(lán)-G250，西格瑪(上海)貿(mào)易有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 主要儀器與設(shè)備

GY-4型水果硬度計，浙江托普儀器有限公司；PAL-福手持折光儀，廣州愛宕科學(xué)儀器有限公司；EX124電子天平，上海賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TGL臺式高速低溫離心機，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 響應(yīng)面試驗因素水平表 按照響應(yīng)面Box-Benhnken設(shè)計原則，以乙烯緩釋劑用量(A)、處理時間(B)、貯藏溫度(C)作為試驗因素，以硬度、可溶性固形物含量、Vc含量、可溶性蛋白含量、總酚含量及感官評分為響應(yīng)值設(shè)計三因素三水平響應(yīng)面試驗(表1)，試驗設(shè)計如表2所示。在25℃條件下分組處理后用聚乙烯薄膜密封，移入相對濕度85%～95%、不同溫度的冷庫中貯藏8 d并測定相關(guān)指標(biāo)。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表Table 1 Response surface test factor level table

表1(續(xù))

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果Table 2 Response surface test design and results

1.3.2 理化指標(biāo)的測定 硬度用水果硬度計測定；可溶性固形物含量用手持折光儀測定；Vc、可溶性蛋白含量均參照曹建康等[19]的方法測定；總酚含福林-肖卡法[20]測定。

1.3.3 感官評價 感官評價方法參考張艷宜等[21]的方法，由10人組成感官評價小組，每個處理隨機選取5個樣品，對獼猴桃的口感進行評價，評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。該評價標(biāo)準(zhǔn)下，當(dāng)分值在50～65分時，獼猴桃硬度適中、口感酸甜為廣大消費者接受，食用效果較好；當(dāng)分值大于65分時，獼猴桃果實新鮮程度、口感、香氣等方面感官體驗最好，食用效果最佳。

表3 感官實驗評分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Sensory test scoring criteria

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用 Design Expert 8.0進行響應(yīng)面設(shè)計；利用 SPSS 17.00 對獼猴桃品質(zhì)指標(biāo)進行主成分分析、提取特征指標(biāo)；利用MATLB 2018a軟件工具箱中的遺傳算法-GA函數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析法提取特征指標(biāo)

表3為徐香獼猴桃催熟的響應(yīng)面試驗結(jié)果，對響應(yīng)面試驗中6個響應(yīng)值進行主成分分析。

由表4可知，在反映徐香獼猴桃品質(zhì)的6個成分中，前2個因子的特征值大于1且兩因子的累計貢獻(xiàn)率為63.861%(大于50%)，能較好地反映催熟后徐香獼猴桃的品質(zhì)信息。因此，本試驗將品質(zhì)指標(biāo)壓縮為2項較為可靠。表5為徐香獼猴桃果實品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果，可反映各成分對徐秀獼猴桃品質(zhì)的影響程度(以各成分的載荷絕對值計算)。由表4、5可知，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到43.640%，該主成分與硬度、感官評分和可溶性固形物含量最為相關(guān)；第2主成分方差貢獻(xiàn)率為20.221%，該主成分代表性指標(biāo)為總酚含量、Vc含量和可溶性蛋白含量。

表4 徐香獼猴桃果實品質(zhì)指標(biāo)的特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Characteristic value and contribution rate of fruit quality index of Xuxiang kiwifruit

表5 徐香獼猴桃果實品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果Table 5 Principal component analysis of fruit quality index of Xuxiang kiwifruit

本試驗以每個主成分中載荷數(shù)最大的指標(biāo)作為后期進行響應(yīng)面分析及多目標(biāo)優(yōu)化的特征指標(biāo)；此外，由于獼猴桃中含有豐富的Vc，被譽為“Vc之王”，針對獼猴桃的研究大多將獼猴桃中Vc的含量作為評價獼猴桃果實品質(zhì)的重要因素。因此，為了更好地反映催熟后徐香獼猴桃的果實品質(zhì)及營養(yǎng)價值，本試驗將Vc含量也作為特征指標(biāo)進行分析。綜上，本試驗將對徐香獼猴桃的果實硬度、總酚含量、Vc含量3個指標(biāo)進行后續(xù)分析。

2.2 特征指標(biāo)的響應(yīng)面分析

2.2.1 特征指標(biāo)回歸模型建立及方差分析 利用 Design Expert 8.0軟件以硬度(Y1)、Vc含量(Y2)、總酚含量(Y3)3個主成分特征指標(biāo)為響應(yīng)值，建立其與乙烯緩釋劑用量(A)、處理時間(B)、貯藏溫度(C)的多元回歸方程：

Y1=+3.53-0.15A+0.01B-0.35C-1.04×10-3AB+9.86×10-3AC-4.40×10-4BC+1.13×10-3A2-7.29×10-5B2+9.72×10-3C2

(1)

Y2=-6.30+7.75A+1.42B+0.95C-0.05AB+0.06AC-6.25×10-4BC-0.87A2-0.02B2-0.05C2

(2)

Y3=+11.98+2.40A+4.43B+0.45C-0.16AB-0.05AC-4.77×10-3BC+0.17A2-0.06B2+6.98×10-3C2

(3)

由表6可知，經(jīng)乙烯催熟后徐香獼猴桃硬度、Vc含量、總酚含量的模型均顯著(P<0.05)，其中硬度的模型極顯著(P<0.01)，各指標(biāo)失擬項的P值均不顯著(P>0.05)，且各模型的決定系數(shù)R2均大于0.8，說明得到的回歸模型與試驗結(jié)果具有較高的擬合度。各因素對硬度的影響從大到小依次是C>A>B，C對硬度的影響極顯著，A表現(xiàn)為顯著，B不顯著，交互項AC影響顯著，C2極顯著；各因素對Vc含量的影響從大到小依次是A>B>C，A2、B2對Vc影響顯著，C2極顯著；各因素對總酚含量的影響從大到小依次是B>C>A，B及B2對總酚含量的影響極顯著。

表6 響應(yīng)面試驗的方差分析結(jié)果Table 6 Results of variance analysis of response surface test

2.2.2 各因子交互作用分析 由圖1-A、C可知，當(dāng)處理時間和乙烯緩釋劑用量一定時，果實的硬度隨貯藏溫度的升高而明顯降低，下降速率逐漸降低；在緩釋劑用量和處理時間的交互作用影響下，獼猴桃的硬度無明顯波動。說明貯藏溫度對乙烯催熟后徐香獼猴桃硬度的影響較大。

圖1 乙烯緩釋劑用量、處理時間、貯藏溫度間交互作用對徐香獼猴桃硬度的影響Fig.1 Effects of ethylene consumption, processing time and storage temperature interaction on the firmness of Xuxiang kiwifruit

由圖2可知，當(dāng)處理時間及乙烯緩釋劑用量一定，在貯藏溫度低于11℃時，Vc含量隨著貯藏溫度的升高而增加，11℃后開始下降?？傮w而言，各因素間的交互作用對Vc含量無較大影響，各響應(yīng)面試驗處理組Vc含量均維持在20～30 mg·100g-1左右。

圖2 乙烯緩釋劑用量、處理時間、貯藏溫度間交互作用對徐香獼猴桃Vc含量的影響Fig.2 Effects of ethylene consumption, processing time and storage temperature interaction on the Vc content of Xuxiang kiwifruit

圖3-A可知，當(dāng)貯藏溫度為11℃，乙烯緩釋劑用量一定時，隨著處理時間的增加，徐香獼猴桃的總酚含量增加；當(dāng)處理時間一定時，隨著乙烯緩釋劑用量的增加，總酚含量呈現(xiàn)上升趨勢。由圖3-B可知，當(dāng)乙烯緩釋劑用量一定時，總酚含量隨貯藏溫度的升高而緩慢增加；由圖3-C可知，貯藏溫度一定時，果實的總酚含量隨處理時間的增加而增加。

圖3 乙烯緩釋劑用量、處理時間、貯藏溫度間交互作用對徐香獼猴桃總酚含量的影響Fig.3 Effects of ethylene consumption, processing time and storage temperature interaction on the total phenol content of Xuxiang kiwifruit

2.2.3 各特征值指標(biāo)的響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果 設(shè)置硬度的目標(biāo)值為2 kg·cm-2,Vc含量最高，總酚含量最高，使用Design Expert 8.0軟件對其進行優(yōu)化，本試驗優(yōu)化包括對3個指標(biāo)的單目標(biāo)優(yōu)化及同時考慮3個指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化，考慮成本、時間及具體的試驗條件選取最優(yōu)結(jié)果，優(yōu)化結(jié)果如表7所示。

表7 響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果Table 7 Response surface optimization results

2.3 基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化

本試驗中硬度、Vc含量及總酚含量的單目標(biāo)優(yōu)化的結(jié)果間存在較大差異，為了催熟后得到硬度適中、Vc及總酚含量較高的徐香獼猴桃，本試驗采用具有客觀性的遺傳算法進行多目標(biāo)優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果與響應(yīng)面的多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進行比較，得出最佳催熟工藝。利用2.2.1中建立的響應(yīng)值模型及表中各因素的最優(yōu)值，參考趙雪萌等[22]的研究定義本試驗的適應(yīng)度函數(shù)如下：

(4)

式中，Y1為硬度的表達(dá)式，Y2為Vc含量的表達(dá)式，Y3為總酚含量的表達(dá)式；各項系數(shù)(0.35、0.35、0.30)分別代表硬度、Vc含量、總酚含量的權(quán)重系數(shù)。

使用MatlabR 2018a軟件的優(yōu)化工具箱，采用遺傳算法求解指標(biāo)成分的最優(yōu)提取工藝條件，得到函數(shù)適應(yīng)度變化曲線，如圖4所示。經(jīng)遺傳算法得到乙烯催熟徐香獼猴桃的最優(yōu)工藝參數(shù)為：乙烯緩釋劑用量3.36 g·kg-1，處理時間27.68 h，貯藏溫度4.38℃。該條件下獼猴桃的預(yù)測值分別為硬度1.94 kg·cm-2，Vc含量29.82 mg·100g-1，總酚含量80.74 mg·L-1。

圖4 適應(yīng)度函數(shù)變化曲線Fig.4 Change curve of fitness function

2.4 響應(yīng)面及遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的比較

將表8中響應(yīng)面及遺傳算法的優(yōu)化結(jié)果代入公式(4)中可得：2種優(yōu)化方法適應(yīng)度值z分別為0.005 68、 0.005 66，2種方法的結(jié)果基本一致，表明本試驗結(jié)果可靠。結(jié)合實際試驗條件將最佳工藝參數(shù)調(diào)整為：乙烯緩釋劑用量3 g·10kg-1，處理時間為28 h， 貯藏溫度4℃，將該工藝參數(shù)代入2.2.1中各響應(yīng)值的多元回歸方程中得到理論值：硬度為2.11 kg·cm-2， Vc含量為29.00 mg·100g-1，總酚含量為81.44 mg·L-1， 適應(yīng)度值z為0.007 62；該工藝條件下進行3次重復(fù)試驗，響應(yīng)值取平均值；硬度為1.92 kg·cm-2，Vc含量為29.31 mg·100g-1，總酚含量為80.02 mg·L-1， 適應(yīng)度z值為0.007 39，與理論值接近。因此，本試驗的優(yōu)化參數(shù)符合工藝要求，可靠性較高。

表8 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的比較Table 8 Comparison of multi-objective optimization results

3 討論

獼猴桃屬于典型的呼吸躍變型水果,采摘后的獼猴桃果實對乙烯十分敏感，有研究表明，極低含量的乙烯也會對獼猴桃的后熟軟化產(chǎn)生重要影響[23]。與香蕉、芒果等呼吸躍變型果實不同，獼猴桃在后熟軟化過程中無明顯的顏色變化，但在整個后熟過程中其理化指標(biāo)具有較為明顯的變化，如果實硬度下降、可溶性固形物含量升高、糖分積累、Vc含量變化等。

在躍變型果實的后熟過程中，硬度變化通?？梢栽谝欢ǔ潭壬戏从彻麑嵉某墒斐潭取１狙芯勘砻?，獼猴桃后熟過程中外源乙烯、溫度等均會對獼猴桃的硬度產(chǎn)生影響，其中溫度的影響最為顯著，這與Zhang等[24]及袁沙等[25]的研究結(jié)論一致。推測可能是外源乙烯在適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境下加速了果實中乙烯的釋放速率，促進果實中淀粉及果膠類物質(zhì)的降解，從而使果實在短時間內(nèi)軟化，孫強等[26]在海沃德獼猴桃的后熟研究中也得出了相同的結(jié)論。獼猴桃中的Vc含量通常高于大多數(shù)水果，且Vc含量與獼猴桃的品種、成熟度、貯藏環(huán)境等有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙烯緩釋劑的用量及處理時間一定時，隨著貯藏溫度的增加，Vc含量呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢，且貯藏溫度越高時，果實中的Vc含量下降越明顯，表明Vc對溫度具有敏感性，陳麗花等[27]在對香蕉催熟的研究中也得到了類似的結(jié)論。獼猴桃中也含有豐富的酚類化合物，此類物質(zhì)通常具有較強的抗氧化活性，有利于預(yù)防和治療多種氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病[28-29]，且研究發(fā)現(xiàn)酚類物質(zhì)的含量和種類對果實的硬度、風(fēng)味等有直接的影響。本試驗通過探究不同因素及其交互作用對總酚含量的影響，結(jié)果表明溫度和時間對催熟處理的徐香獼猴桃具有較大影響，后期將從相關(guān)酶活性入手，對控制其表達(dá)的相關(guān)基因進行深入研究。

主成分分析法通過數(shù)據(jù)降維處理，將多個相互聯(lián)系的復(fù)雜指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個能反映大部分綜合信息的特征指標(biāo)，從而使數(shù)據(jù)處理簡單化，客觀化、精確化[30-31]。劉科鵬等[32]在研究金魁獼猴桃果實品質(zhì)時采用主成分分析法，將15個不同園地果實的9個果實品質(zhì)指標(biāo)綜合為4個主成分，以此來體現(xiàn)不同園地果實品質(zhì)的差異；Elizabeth等[33]利用主成分分析法對鮮切菠蘿、草莓、獼猴桃和哈密瓜在貯藏過程中的27種質(zhì)量指標(biāo)進行分析，分析結(jié)果能夠較好的反映果實的外觀、香氣、硬度等特征。本試驗從6個指標(biāo)中提取硬度、總酚含量2個累計貢獻(xiàn)率為63.83%的主成分，再結(jié)合獼猴桃獨特的Vc含量特征進行分析，3個特征指標(biāo)能夠較好地從果實口感和營養(yǎng)價值等方面綜合體現(xiàn)果實品質(zhì)。在此基礎(chǔ)上本研究通過響應(yīng)面分析法，得出特征指標(biāo)的多元回歸方程并結(jié)合遺傳算法[34]進行多目標(biāo)優(yōu)化，得出的優(yōu)化結(jié)果與響應(yīng)面的結(jié)果一致性較好，表明該試驗結(jié)果較為可靠。

4 結(jié)論

本研究通過主成分分析法提取出硬度、總酚含量、Vc含量3個特征指標(biāo)來反映乙烯催熟后徐香獼猴桃的果實品質(zhì)。經(jīng)響應(yīng)面分析與遺傳算法得出的工藝優(yōu)化參數(shù)基本一致，經(jīng)驗證后具有較好的重現(xiàn)性，可用于徐香獼猴桃催熟的研究。本研究得到的最佳優(yōu)化工藝為：乙烯緩釋劑用量3 g·10kg-1，處理溫度25℃，處理時間28 h，貯藏溫度4℃，該條件下進行3次驗證試驗求均值后，獼猴桃果實的硬度為2.11 kg·cm-2，Vc含量為29.00 mg·100g-1，總酚含量為81.44 mg·L-1，在該工藝參數(shù)下催熟后徐香獼猴桃的后熟時間為5 d左右，較常規(guī)儲藏的后熟期大大縮短?？蔀楂J猴桃鮮果市場開辟“即買即食”型果實提供參考依據(jù)。