苹果果肉褐变机理和近红外无损检测技术研究

论文摘要

苹果是世界四大水果之一，我国是世界第一大苹果生产国，2006年生产总量为2530万吨左右，但年出口量仅占生产总量的1．5%左右，这与苹果第一生产大国的地位极不相称。制约我国苹果出口的主要因素是果实品质差、产业化水平低、检测技术落后和评价标准没有与国际接轨。目前，苹果贮藏中果肉褐变发生非常严重，褐变检测存在破坏样品、操作复杂、耗时长、成本高和无法实现在线检测等不足。因此，以研究苹果果肉褐变机理为基础，探索基于近红外光谱快速无损检测果肉褐变方法，并建立性能稳定的数学模型，是一项具有重要理论意义和实际应用价值的工作。本文以红富士苹果为研究对象，以褐变的发生机理和无损检测技术为研究目标，分别从苹果的果肉褐变机理、近红外光谱响应特性、褐变度无损检测影响因素、近红外光谱检测匹配参数等方面进行系统研究，并在此基础上建立苹果果肉褐变的快速无损检测模型。研究取得一下主要结果：（1）通过对苹果果肉发生褐变机理的研究，全面分析了酶褐变、美拉德反应和抗坏血酸氧化反应在苹果不同贮藏期的发生情况。结果发现，在不同贮藏阶段，苹果果肉发生褐变的机理不同，在贮藏前期（80d前），褐变的主要机理是糖类和氨基酸发生的美拉德反应，在贮藏后期（80d后），褐变的主要机理是PPO、POD所催化的酶褐变。抗坏血酸的氧化反应也有发生，但由于苹果中抗坏血酸的含量极少，因此，抗坏血酸氧化不是引起褐变的主要因素。（2）用透射电镜观察不同褐变程度苹果果肉细胞超微结构的变化，结果发现果肉褐变与果实衰老细胞超微结构的变化有相似之处，出现细胞壁变形、质壁分离、膜结构解体、叶绿体转变为淀粉颗粒、线粒体内嵴和膜破裂等。随着褐变程度加重，胞间连丝出现密度降低、数量减少、排列整齐度降低，严重时出现断裂现象。液泡、质体、线粒体等细胞器和细胞质膜的超微结构解体及细胞区域化结构破坏的发生滞后于果肉褐变。因此，细胞区域化结构破坏导致的酶褐变并不是引起果肉组织褐变的唯一途径，美拉德反应是初期褐变的一种主要形式。（3）通过对不同的测试距离、测定温度、测定部位、表面颜色和贮藏时间等对苹果近红外光谱响应特性影响的研究表明，检测部位、测量距离、贮藏时间对苹果光谱响应特性的影响显著，零距离下在果实的赤道处采集光谱，可以减小误差；果实温度和表面颜色对近红外光谱没有显著影响，在实际检测中温度和表面颜色的影响可以忽略不计。（4）对比分析了仪器的光谱采集参数对苹果近红外光谱响应特性的影响，确定了光谱仪最优参数为：仪器信号能量为5V，扫描分辨率为8cm-1，扫描次数为64次。这样的优化参数既能满足苹果品质实际检测要求，又能简化操作、降低成本、提高检测效率。（5）基于欧氏距离的聚类分析方法判断和剔除异常样品，得到最有效代表性建模样品为170个，所建定性模型的误判率由原来的53%降为29%；分析不同光谱预处理方法对苹果果肉褐变定性预测模型的影响，SNV结合SD预处理后所建定性模型的预测效果最好，误判率降低到22%；得出苹果果肉褐变度检测有效光谱波段范围10500cm-1～6960cm-1、6760cm-1～5300cm-1、5100cm-1～4500cm-1，在此区域内所建定性模型误判率由原来全波段模型的22%降低到19%；比较标准算法和因子化法所建定性模型的预测精度，因子化模型预测准确率高，对建模集和检验集的误判率分别为16%和19%。（6）提出苹果果肉褐变度的定量无损检测，该方法不但可以检测苹果果肉的褐变程度，而且可以实现对果肉褐变的预测和预警。通过有效剔除理化检测异常样品和光谱异常样品，再用逐步剔除相似样品的方法，选择代表性建模样品，用PLS结合MSC建立苹果果肉褐变定量检测模型，模型的RMSECV为0．082，RMSEP为0．084，交叉验证决定系数R2为0．871，外部验证决定系数R2为0．853。表明所建模型具有较高的预测准确度，可对未知样品进行实际预测。（7）探明与苹果果肉褐变相关的特征指纹波数为8822cm-1、7085cm-1、7000cm-1、6694cm-1、5800cm-1、5322cm-1、4650cm-1，并用特征指纹波数建立用于苹果果肉褐变检测MLR模型，模型的RMSECV为0．077，RMSEP为0．079，交叉验证决定系数R2为0．908，外部验证决定系数R2为0．878。该方法能够简化检测操作，提高检测效率，为苹果果肉褐变提供了快速、直观、简便、可行的检测方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 我国苹果产业现状
• 1.2 苹果果肉褐变研究进展
• 1.2.1 苹果果肉褐变机理研究进展
• 1.2.1.1 苹果果肉褐变与组织气体关系
• 1.2.1.2 苹果果肉褐变与细胞膜的关系
• 1.2.1.3 苹果果肉褐变与组织生化反应的关系
• 1.2.2 影响苹果果肉褐变的因素
• 1.2.3 苹果果肉褐变无损检测研究进展
• 1.3 近红外光谱检测技术研究进展
• 1.3.1 近红外光谱检测的基本原理
• 1.3.1.1 近红外光谱检测的物理基础
• 1.3.1.2 近红外光谱检测的化学基础
• 1.3.1.3 近红外光谱检测的化学计量学基础
• 1.3.2 近红外光谱检测的发展历程
• 1.3.2.1 近红外光谱技术的发展历程
• 1.3.2.2 近红外光谱仪器的发展历程
• 1.3.3 近红外光谱检测应用的研究进展
• 1.3.4 近红外光谱在水果内部品质检测的研究进展
• 1.3.4.1 国外研究进展
• 1.3.4.2 国内研究进展
• 1.3.5 水果近红外光谱无损检测的可行性
• 1.3.6 水果近红外光谱检测存在的问题
• 1.4 选题依据和研究内容
• 1.4.1 选题依据
• 1.4.2 课题研究意义
• 1.4.3 研究内容
• 1.4.4 技术路线
• 第二章 苹果果肉褐变的生理生化效应
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 材料处理方法
• 2.1.3 试验取样方法
• 2.1.4 主要仪器与设备
• 2.1.5 测定指标及方法
• 2.1.5.1 果肉褐变度
• 2.1.5.2 总酚含量
• 2.1.5.3 可溶性蛋白质含量
• 2.1.5.4 氨基酸总量（氨基态氮）
• 2.1.5.5 抗坏血酸含量（AsA）
• 2.1.5.6 抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性
• 2.1.5.7 多酚氧化酶（PPO）活性
• 2.1.5.8 过氧化物酶（POD）活性
• 2.1.5.9 超氧化物歧化酶（SOD）活性
• 2.1.5.10 过氧化氢酶（CAT）活性
• 2.1.5.11 丙二醛（MDA）含量
• 2.1.5.12 乙烯含量
• 2.1.6 试验数据处理与分析
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 苹果果肉褐变度的变化
• 2.2.2 苹果果肉褐变与总酚和PPO、POD活性的关系
• 2.2.2.1 苹果果肉褐变与总酚含量的变化
• 2.2.2.2 苹果果肉褐变与PPO活性的变化
• 2.2.2.3 苹果果肉褐变与POD活性的变化
• 2.2.3 苹果果肉褐变与SOD、CAT活性的关系
• 2.2.3.1 苹果果肉褐变与SOD活性的变化
• 2.2.3.2 苹果果肉褐变与CAT活性的变化
• 2.2.4 苹果果肉褐变与可溶性蛋白和氨基酸总量的关系
• 2.2.4.1 苹果果肉褐变与可溶性蛋白含量的变化
• 2.2.4.2 苹果果肉褐变与氨基酸总量的变化
• 2.2.5 苹果果肉褐变与AsA含量和APX活性的关系
• 2.2.5.1 苹果果肉褐变与AsA含量的变化
• 2.2.5.2 苹果果肉褐变与APX活性的变化
• 2.2.6 苹果果肉褐变与苹果乙烯和MDA含量的关系
• 2.2.6.1 苹果果肉褐变与乙烯含量的变化
• 2.2.6.2 苹果果肉褐变与MDA含量的变化
• 2.3 讨论
• 2.3.1 苹果果肉褐变与总酚和PPO、POD活性的关系
• 2.3.2 苹果果肉褐变与SOD、CAT、POD活性的关系
• 2.3.3 苹果果肉褐变与可溶性蛋白和氨基酸总量的关系
• 2.3.4 苹果果肉褐变与AsA和APX活性的关系
• 2.3.5 苹果果肉褐变与乙烯和丙二醛含量的关系
• 2.4 小结
• 第三章 苹果果肉褐变的超微结构变化
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 方法
• 3.1.2.1 材料处理方法
• 3.1.2.2 果实褐变等级的确定
• 3.1.2.3 褐变果实果肉组织超微结构的观察
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 不同褐变度苹果果肉细胞壁和胞间连丝超微结构的变化
• 3.2.2 不同褐变度苹果果肉细胞叶绿体超微结构的变化
• 3.2.3 不同褐变度苹果果肉细胞线粒体超微结构的变化
• 3.3 讨论
• 3.4 小结
• 第四章 苹果近红外光谱响应特性影响因素的研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 近红外光谱采集方法
• 4.1.3 试验数据处理与分析
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 仪器稳定性对近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.2 检测部位对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.3 果面颜色对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.4 测量距离对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.5 果体温度对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.6 贮藏期对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.7 光谱仪检测参数对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.7.1 仪器信号能量对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.7.2 分辨率大小对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.2.7.3 扫描次数对苹果近红外光谱响应特性的影响
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 第五章 苹果果肉褐变近红外定性无损检测的研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 方法
• 5.1.2.1 材料处理方法
• 5.1.2.2 苹果果肉褐变度测定方法
• 5.1.2.3 近红外光谱采集方法
• 5.1.2.4 模型的建立与苹果评价方法
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 建模代表性样品的选择
• 5.2.1.1 苹果的近红外漫反射光谱
• 5.2.1.2 苹果异常样品的判断和剔除
• 5.2.1.3 苹果相似光谱样品的判断和剔除
• 5.2.2 光谱的预处理和有效波段范围的选择
• 5.2.2.1 苹果近红外漫反射光谱的预处理
• 5.2.2.2 苹果有效光谱波段范围的选择
• 5.2.3 苹果果肉褐变定性模型的建立与检验
• 5.2.3.1 苹果样品建模集和检验集的确定
• 5.2.3.2 苹果果肉褐变定性分析模型的建立和检验
• 5.3 讨论
• 5.3.1 代表性样品的选择
• 5.3.2 光谱预处理方法的选择
• 5.3.3 有效光谱范围的选择
• 5.3.4 苹果果肉褐变定性分析模型
• 5.4 小结
• 第六章 苹果果肉褐变近红外定量无损检测的研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 材料
• 6.1.2 方法
• 6.1.2.1 近红外光谱采集方法
• 6.1.2.2 苹果果肉褐变度的理化分析方法
• 6.1.2.3 模型的建立和评价方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 建模代表性样品的选择
• 6.2.1.1 苹果果肉褐变度理化测定结果的分布情况
• 6.2.1.2 苹果异常样品的判断和剔除
• 6.2.1.3 苹果相似样品的判断和剔除
• 6.2.2 光谱的预处理和有效波段范围的选择
• 6.2.2.1 苹果近红外漫反射光谱的预处理
• 6.2.2.2 苹果有效光谱波段范围的选择
• 6.2.3 苹果果肉褐变定量模型的建立与检验
• 6.2.4 苹果果肉褐变指纹图谱的确定
• 6.2.4.1 苹果果肉褐变指纹图谱的确定
• 6.2.4.2 苹果果肉褐变MLR模型的建立
• 6.3 讨论
• 6.3.1 代表性样品的选择
• 6.3.2 光谱预处理方法的选择
• 6.3.3 有效光谱范围的选择
• 6.3.4 苹果果肉褐变定量分析模型
• 6.3.5 苹果果肉褐变指纹图谱和MLR模型
• 6.4 小结
• 第七章 结论和创新点
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 相关缩略词
• 致谢
• 作者简介