利用力-变形曲线和多元分析方法对香蕉采后储存过程中质地特征的变化进行表征

《Powder Technology》：Characterization of banana texture patterns during postharvest storage using force–deformation curves and multivariate analysis

香蕉在穿孔薄膜和无孔薄膜包装下储存时，质地演化及异常软化机制研究。通过Magness-Taylor渗透测试结合主成分分析和聚类分析，发现无孔包装香蕉因高CO?/低O?环境导致内部软化与表皮绿熟矛盾。首次建立基于力学参数的8类质地模式，其中Canonical 1反映基础力学参数（最大穿透力、初始斜率等），Canonical 2揭示破毁后变形特性。该分析体系可识别非正常软化模式，为数字孪生模型开发提供参考。

　　在农业和食品科学领域，香蕉是一种重要的气候型水果，其成熟过程涉及复杂的生物化学和物理变化。这些变化直接影响水果的品质、市场价值和储存寿命。本研究通过将机械测试与多元统计分析相结合，探索了不同储存和压力条件下香蕉质地的变化，特别是“保持绿色”（stay-green）这种异常成熟现象。研究中，科学家们使用了两种不同的包装方法：一种是带有大孔的透气包装（称为宏观穿孔膜），允许空气流通，促进传统的黄色成熟；另一种是非穿孔包装（非透气膜），在低氧和高二氧化碳环境下诱导香蕉的异常成熟。这种异常成熟导致香蕉外表仍保持绿色，但内部已经软化，这种现象通常无法通过传统的颜色评估方法检测到，因此对香蕉的质量控制提出了新的挑战。

为了更全面地理解这种质地变化，研究人员采用了一种创新的方法，即通过力-变形曲线进行质地分析。这种方法利用了Magness-Taylor穿透测试，测量了香蕉果肉在受力过程中的反应。通过这一测试，可以获取关于水果质地的详细信息，包括最大力（F_MT）、初始斜率（Slp）以及总变形面积（Area_T）等关键参数。为了进一步简化这些高维数据并提取具有代表性的变量，研究团队应用了主成分分析（PCA）技术。PCA可以将复杂的数据集降维，同时保留几乎所有的信息，从而揭示香蕉质地变化的深层模式。

在研究中，发现了两个正交的质地变化维度。第一个维度（Canonical 1）主要与基础的力-变形参数相关，如最大力、初始斜率和总变形面积。这些参数能够直接反映水果的硬度、抗压能力和刚度。第二个维度（Canonical 2）则与失效率的变形指数有关，揭示了水果在失稳后的行为。通过这些分析，研究团队能够区分正常成熟和异常成熟的香蕉，并发现即使在外观上看起来正常的香蕉，其内部质地可能已经发生了显著变化。这种内部质地变化可能无法通过传统的颜色评估方法察觉，但可以通过机械测试和多元统计分析识别出来。

此外，研究还涉及了香蕉在不同储存条件下的质地变化趋势。例如，在非穿孔包装条件下，香蕉的内部软化过程加速，即使其外部颜色未发生明显变化。这种异常成熟现象可能是由于储存环境中的低氧和高二氧化碳浓度导致的代谢变化。在低氧环境下，香蕉果肉会从有氧呼吸转向无氧代谢，这会导致二氧化碳、乙醇等发酵产物的快速积累。这些代谢产物对细胞膜的完整性产生负面影响，增加膜的通透性，并干扰细胞内的渗透平衡。最终，这种影响会导致细胞脱水、水分流失和组织分解，从而使得果肉变得异常柔软。

在实验过程中，研究团队还采用了聚类分析技术，对香蕉的质地变化进行了分类。通过对不同储存时间和包装条件下的力-变形曲线进行聚类，他们发现了四个不同的质地类别，分别对应于不同的储存环境和成熟阶段。其中，一些类别显示出明显的质地差异，表明在特定的储存条件下，香蕉的质地发生了显著变化。通过进一步的多元方差分析（MANOVA），研究团队确认了这些质地变化与储存条件之间的显著关联，揭示了香蕉在不同环境下的成熟行为。

本研究的成果不仅有助于理解香蕉在不同储存条件下的质地变化机制，还为香蕉的后熟质量控制提供了新的思路。通过结合机械测试和多元统计分析，研究人员能够识别出代表性的质地模式，这些模式可以作为后熟处理的参考标准。这种方法的引入，为实现更精确的香蕉成熟评估和异常检测提供了可能性，同时也为未来开发基于香蕉质地的预测模型和虚拟水果系统（digital twin）奠定了基础。虚拟水果系统可以模拟香蕉在储存和成熟过程中的物理和生化特性，从而实现对香蕉在特定环境下的行为进行实时监测和预测。

研究还指出，传统的质地评估方法，如破坏性测试，虽然提供了有价值的信息，但仍然存在一定的局限性。因此，通过引入非破坏性测试和先进的计算方法，如PCA和聚类分析，能够更全面地评估香蕉的质地变化。这种方法不仅提高了评估的效率，还能够捕捉到传统方法难以检测到的细微变化，为香蕉的后熟管理提供了更准确的数据支持。

本研究的意义在于，它为香蕉的后熟质量控制提供了一种新的技术手段。通过分析不同储存条件下的质地变化，研究人员能够更好地理解香蕉在不同环境下的成熟行为，从而优化储存条件，延长香蕉的商业价值。此外，该研究还强调了在后熟过程中，除了外部颜色的变化，内部质地的变化同样重要。因此，结合机械测试和多元统计分析的方法，可以为香蕉的后熟评估提供更全面的视角，有助于提高香蕉的市场竞争力和减少经济损失。

总之，本研究通过深入分析香蕉在不同储存条件下的质地变化，揭示了香蕉后熟过程中的复杂性。通过将传统的机械测试与先进的统计分析方法相结合，研究人员不仅能够准确评估香蕉的质地，还能识别出异常成熟现象。这种方法为香蕉的后熟管理提供了新的工具，有助于实现更精确的质量控制，提高香蕉的商业价值，并为未来的预测模型和虚拟水果系统开发奠定了基础。