库尔勒香梨机械损伤对光学特性的影响机制及光传播蒙特卡罗模拟研究

本研究针对库尔勒香梨采后机械损伤早期检测难题，通过整合近红外光谱、双积分球系统和蒙特卡罗多层模拟(MCML)，系统分析了损伤后微观结构、内部品质与光学参数(μa和μ′s)的演变规律。发现1063 nm波长下散射系数(μ′s)与细胞壁厚度(Tcw)呈强相关(|R|=0.86)，基于此建立的SVM模型分类准确率达90.30%，为开发无损检测技术提供了理论依据。

　　

库尔勒香梨作为中国地理标志产品，以其独特风味和营养价值备受青睐，但在采收运输过程中极易因机械碰撞产生隐性损伤。这种损伤不仅导致果实软化、变色和营养流失，更会成为微生物入侵的通道，造成严重的采后损失。由于香梨深色果皮的掩盖作用，早期损伤难以通过肉眼识别，而传统理化检测方法又存在破坏样本、效率低下等问题。如何实现香梨采后损伤的早期无损检测，成为制约产业高质量发展的关键技术瓶颈。

针对这一难题，东北林业大学计算机与控制工程学院的Saiwei Yu、Dayang Liu等研究团队在《Postharvest Biology and Technology》发表了创新性研究。团队采用双积分球系统结合逆向加倍算法(IAD)精确测定光学参数，通过显微观察量化细胞结构变化，并运用蒙特卡罗多层模拟(MCML)解析光在多层组织中的传播规律。实验选用224个香梨样本，设置完整组及损伤后3 h、24 h、48 h四个处理组，在940-1650 nm波长范围内系统分析了光学特性与微观结构的关联机制。

3.1 损伤对微观结构和内部品质的影响

显微观察显示损伤导致细胞等效直径(D_e)增大43.2%，细胞圆度(C_r)从0.50升至0.69，而细胞壁厚度(T_cw)减少15%。硬度指标最为敏感，48 h组较完整组下降8.1 N，显著高于可溶性固形物(SSC)和含水率(MC)的变化幅度。

3.2 果肉光学特性变化规律

吸收系数(μ_a)在976 nm和1195 nm随损伤时间递增，而散射系数(μ′_s)呈现相反趋势，完整组织在1063 nm处的μ′_s值(0.737 mm^-1)显著高于损伤组。相关性分析揭示μ′_s与硬度、T_cw的|R|值均超过0.85，证实其作为损伤标志物的敏感性。

3.6 光传播模拟关键发现

MCML模拟显示1063 nm是检测关键波长，48 h损伤样本的光穿透深度达5.354 mm，较完整组增加20.5%。能量分布模拟直观呈现损伤组织更深的光子穿透和更广的径向扩散特征。

该研究首次阐明机械损伤通过改变细胞结构影响光散射特性的内在机制，确立μ′_s作为核心检测指标。所构建的SVM分类模型准确率达90.30%，为开发基于空间分辨光谱等无损检测技术奠定理论基础。研究成果不仅适用于香梨品质管控，其揭示的光学参数-微观结构关联规律，还可拓展至苹果、草莓等同类水果的采后质量监测系统开发。