利用高光谱成像技术揭示菠萝果实采后软化与细胞壁多糖变化之间的关系

《Food Research International》：Integrating hyperspectral imaging to reveal the relationship between postharvest softening and cell wall polysaccharide changes in pineapple fruit

　　

• •
  CSP向WSP的转化是导致果实硬度下降的重要原因。
• •
  FTIR和CLSM检测显示，储存过程中果细胞壁逐渐分解。
• •
  1420、1570、1820纳米处的光谱特征反映了果实软化的相关过程。
• •
  HSI技术可实现菠萝软化的无损监测。

引言

菠萝（Ananas comosus）是一种热带草本单子叶植物，凭借其独特的口感、风味以及丰富的营养成分，已成为全球最具经济价值且广受喜爱的热带水果之一。随着消费者对新鲜及加工菠萝产品需求的不断增长，全球菠萝产量稳步上升，年均产量已达2800万吨（Mohd Ali等人，2023年）。然而，菠萝属于极易腐烂的水果，其在储存过程中的快速软化严重限制了其保质期。虽然初期成熟阶段的软化能够改善果实的口感、风味和香气，使其达到最佳食用状态，但过度软化会导致组织塌陷、水分流失加速，同时增加果实遭受机械损伤和病原体感染的概率，最终降低其食用品质和商业价值（Tantinantrakun等人，2023年）。全面了解菠萝在储存过程中的物理化学品质变化，对于阐明软化机制以及改进成熟度和新鲜度评估方法具有重要意义。因此，弄清菠萝软化的机制，并开发出用于快速无损监测果实品质退化的方法，对于推动保鲜技术的发展和优化供应链管理具有十分重要的意义。

软化是大多数热带水果成熟的标志性指标，同时也是决定其储存寿命和市场价值的关键因素。不同品种的菠萝中，适度软化较为理想，而过度软化则往往会导致果实腐烂或被消费者拒收。这种软化现象主要源于果细胞壁的降解，而细胞壁对果实的硬度起着至关重要的作用（Wang等人，2024年）。在果实成熟和储存过程中，细胞壁的结构会发生显著变化，包括果胶的溶解与降解、半纤维素的降解、果胶分子上中性糖侧链的丢失，以及细胞壁多糖网络的重组（Posé等人，2019年）。这些变化是由多种细胞壁修饰酶共同作用引起的，比如聚半乳糖醛酸酶（PG）、果胶酯酶（PE）、纤维素酶以及各类半纤维素酶（Wang等人，2018年）。细胞壁多糖的逐步降解会导致细胞间粘附力下降、细胞间隙增大，进而引发果实软化。在菠萝中，有研究报道了“Count of Paris”品种菠萝在储存过程中细胞壁多糖的降解情况。研究结果表明，软化现象与水溶性果胶和半纤维素含量的增加以及酸溶性果胶含量的减少有关。这一发现表明菠萝在储存过程中确实存在细胞壁成分的溶解与转化现象，为我们的研究提供了理论依据（Li等人，2024年）。

尽管在理解菠萝软化的生化机制方面已取得一定进展，但要有效监测软化过程仍然面临挑战。目前用于评估果实硬度的传统方法，如穿刺测试、质地分析以及压缩测量等，都具有破坏性，且操作繁琐，不适合在储存和运输过程中进行连续监测（Wang、Ding等人，2023年）。近年来，人们开始探索多种无损技术，包括声波振动、磁共振成像、X射线计算机断层扫描以及近红外光谱技术（NIRS），用以评估果实的质地和内部品质（Wang、Ding等人，2023年）。不过，这些技术往往对细胞壁微观结构的变化敏感度较低，也无法提供足够的信息来解释果实软化背后的生化过程。高光谱成像技术（HSI）则将传统成像技术与光谱分析技术相结合，能够在同一平台上同时获取生物样本的空间信息和光谱信息（Hong等人，2026年）。近年来，作为一种强大的无损技术，HSI已被广泛用于监测果实储存过程中的质地和硬度变化。

已有研究表明，HSI技术在多种水果的硬度评估中具有良好效果。Wang、Sun等人（2023年）以及Wang、Luo等人（2025年）利用HSI技术（400–1000纳米波段）成功预测了整个橙子的硬度变化，且预测效果较为理想。类似地，Ahmed等人将HSI技术与卷积神经网络模型相结合，实现了对不同甘薯品种硬度的精准预测（Ahmed等人，2025年）。在香蕉研究中，Xie等人（2018年）发现HSI技术（380–1023纳米波段）能够有效监测香蕉成熟过程中的硬度变化，预测系数（R_p²）可达0.760。此外，先前的研究还表明，冷储鳄梨的内部组织降解和硬度损失与高光谱特征存在密切关联，这说明光谱信息能够反映果实内部结构的变化（Guo等人，2023年）。尽管取得了这些进展，但目前大多数研究仍侧重于硬度的经验性预测，而光谱变化背后的生理和结构机制尚不完全清楚。果实软化是一个复杂的生物学过程，其本质是细胞壁多糖的重塑，包括果胶的溶解、去酯化以及半纤维素的降解。然而，很少有研究系统探讨过这些细胞壁变化如何影响果实软化过程中的高光谱响应。在菠萝研究中，高光谱成像技术主要被用于成熟度评估、可溶性固形物含量预测以及缺陷检测，而将光谱特征与储存过程中的硬度损失及细胞壁降解联系起来的研究仍然缺乏。本研究旨在通过将HSI技术与果胶组分分析、中性糖成分分析、FTIR光谱分析以及共聚焦激光扫描显微镜检测相结合，建立高光谱响应与菠萝软化过程中细胞壁重塑之间的机制关联。这一方法有助于深入理解细胞壁多糖降解和结构解体如何导致光谱变化，从而推动HSI技术从单纯的经验性品质评估向基于机制的果实软化监测方向发展。

因此，本研究旨在实现以下目标：（1）分析常规物理化学品质参数（可溶性固形物含量、总酸度、ΔE值、WSP、CSP、ISP以及中性糖成分等）的变化情况；（2）通过果胶组分分析、FTIR光谱分析以及共聚焦激光扫描显微镜检测，研究与菠萝软化相关的细胞壁组分的降解与重塑过程；（3）在每个时间点对相同的完整菠萝果实采集HSI数据，并建立化学模型以预测果实品质和硬度；（4）识别与细胞壁降解最为相关的光谱特征，从物理和化学角度解释这些关联，从而实现菠萝软化过程的机制层面无损监测。

章节要点

样品准备

菠萝样品是在生理成熟度约为80%时采收的，此时其果皮绿色覆盖率超过90%。这些样品来自中国海南省儋州市的一个果园，共选取了210个“台农17”品种的菠萝样品，这些样品颜色均匀、大小一致且无明显损伤。样品被储存在25?±?0.5?°C、相对湿度为80?±?0.5%的环境中。在15天内，每隔3天收集一次光谱数据和物理化学数据。在每个时间点

品质指标分析

图2A展示了菠萝在储存过程中外观和品质的变化情况。可以看出，在储存期间，菠萝的〈em>L^?a?b?p?

结论

本研究通过结合HSI技术、物理化学分析、细胞壁多糖表征、FTIR光谱分析以及共聚焦激光扫描显微镜检测，系统阐明了菠萝果实储存过程中软化的机制。研究发现，储存期间的硬度下降与细胞壁的逐步重塑密切相关，这一过程表现为果胶的去酯化、CSP和ISP向WSP的转化、中性糖侧链的降解以及细胞壁结构的破坏

动物实验相关说明

本研究是按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南开展的。该研究已获得海南大学动物伦理委员会的批准（批准编号：HNUAUCC-2024-00292）。

作者贡献说明

Wensi Wang：负责初稿撰写、正式分析、数据整理以及概念构思工作。Haizhen Ding：负责结果验证与正式分析。Mengyao Wang：负责数据可视化处理。Jingyuan Zhao：负责软件应用及相关方法设计。Kang Tu：负责文章的审阅与编辑工作。Weijie Lan：负责资源协调与实验开展。Leiqing Pan：负责文章的审阅与编辑、项目管理工作以及资金申请。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢海南省重点研发计划（项目编号：ZDYF2024XDNY197）、国家自然科学基金（项目编号：32572687）、中央高校基本科研业务费（项目编号：YDZX2024007）、国家自然科学基金（项目编号：32302204）以及中国博士后科学基金会（项目编号：2024M751434、2025T180812）的支持。

Wensi Wang|Haizhen Ding|Mengyao Wang|Jingyuan Zhao|Kang Tu|Weijie Lan|Leiqing Pan