内部品质演变及品种差异对桃子在储存过程中近红外（NIR）光学特性的影响

郭文川|李帅|龚成旭|卜友华|程景良

中国陕西省杨陵市西北农林科技大学机械电子工程学院，712100

摘要

为了研究品种差异对桃子在储存过程中近红外（NIR）光学性质（OPs）和果实内部质量演变的影响，评估了三个品种（‘Shahong’、‘Qianzhouhong’和‘Beijing8’）。系统分析了储存期间内部质量属性、光学性质以及果肉微观结构的变化。光学性质，特别是吸收系数（μ_a）和减少散射系数（μ_s），是使用单积分球系统结合逆加双倍法获得的，而果肉细胞的结构变化则是通过扫描电子显微镜观察到的。结果表明，可溶性固形物含量（SSC）在储存过程中增加，而硬度（MC）和水分含量（MC）则减少。微观结构分析显示，从0天开始果肉细胞结构完整，到3天时细胞破裂和组织解体。所有品种的果肉μ_a在980、1195和1420纳米处显示出不同的吸收峰，而果皮μ_a在1450纳米处表现出特征性峰。在950–1350纳米范围内，μ_a与SSC呈正相关，但与MC和硬度呈负相关；而μ_s与这些质量属性的相关性模式与μ_a相反。具体来说，‘Shahong’的绝对相关系数保持在0.90以上。在1350–1650纳米范围内，μ_a和μ_s都表现出品种依赖性的变化。此外，经过乘法散射校正（MSC）和Savitzky-Golay（SG）平滑处理后的线性判别分析模型（SG-MSC）在校准和预测集上都达到了100%的分类准确率。本研究表明，品种依赖性的内部质量演变显著影响光学性质的模式（P < 0.05），为非破坏性桃子质量评估提供了理论基础。

引言

桃子（Prunus persica (L.) Batsch）因其独特的口感和出色的营养成分而受到全球消费者的喜爱。尽管不同品种可能表现出相似的形态特征，但其内部物理化学属性，特别是硬度、可溶性固形物含量（SSC）和水分含量（MC），被认为是品种特异性的关键指标（Hu等人，2024年）。这些属性被认为是决定采后商业价值和市场分级的主要因素（Li等人，2026年；Saei等人，2011年）。因此，精确表征这些内部质量参数对于品种鉴定和全面质量评估至关重要。然而，传统的分析技术主要依赖于破坏性采样，这种方法耗时且劳动密集，无法实现实时、非破坏性的分级。这些限制严重阻碍了它们在大规模商业生产和快速质量监测中的应用。

近红外（NIR）光谱中，果肉组织中的O-H和C-H键表现出特征性的吸收（Yang等人，2024b）。因此，NIR光谱技术因其非破坏性和快速检测能力而被广泛用于评估果实的内部质量属性（Bu等人，2024年；Jiang等人，2024年，2025年）。先前的研究表明，可以通过NIR光谱非破坏性地识别各种水果品种，包括五种桃子（Rong等人，2020年）、三种橙子（Zeb等人，2023年）、三种苹果（Nturambirwe等人，2023年）和十种芒果（Wang等人，2025年）。然而，这些研究主要基于从反射光谱强度得出的经验模型，这些模型本质上是基于Lambert-Beer定律的宏观黑箱分析方法（Mamouei等人，2021年）。在这种框架下，假设介质是均匀的，并将吸收视为主导过程。然而，这种方法忽略了生物组织中复杂的多重散射和光传输机制。因此，通过NIR光谱区分不同品种的潜在物理机制尚未得到充分阐明。具体来说，传统的经验模型无法区分光谱变化是由于与散射变化相关的组织结构解体还是由于与吸收变化相关的内部化学成分降解所致，从而限制了光谱技术在多个品种和复杂成熟条件下的通用性。

果肉组织是一种高度浑浊且具有散射性的介质，其中光传输由吸收和散射效应共同决定（Mishra等人，2021年）。生物组织的光学性质（OPs）主要由两个参数表征：吸收系数（μ_a）和减少散射系数（μ_s'）（Cheng等人，2022年；Gao等人，2021年）。μ_a的变化主要归因于果肉组织的化学组成，包括水分、可溶性糖和有机酸（Wei等人，2020年）。果肉组织的结构属性，包括细胞大小、细胞壁完整性、组织密度（Wang等人，2020年）和硬度（Lee等人，2024年；Minas等人，2021年；Yang等人，2024a），在决定μ_s'方面起着关键作用。因此，与直接使用反射光谱强度相比，提取内在的光学性质能更深刻地反映组织的物理化学状态。这种方法为使用NIR光谱区分品种提供了更坚实的理论基础。

在储存过程中，果肉组织会发生显著的微观结构变化，包括细胞壁降解、细胞间隙扩张、水分迁移和组织软化（Su等人，2022年）。这些变化不仅决定了果实的质地特性，还可能调节组织内的光散射路径和吸收行为，从而导致储存期间光学参数的动态变化。然而，不同水果品种在组织结构、成熟生理和储存寿命方面表现出明显的品种异质性。迄今为止，关于内在光学参数的演变模式是否具有品种特异性的系统研究仍然很少。作为呼吸跃变型水果，桃子在采后储存期间果肉结构和内部质量会发生快速变化（Sirangelo等人，2022年）。因此，利用桃子作为模型来阐明光学性质（OPs）如何响应储存期间的内部质量变化，对于阐明控制果实衰老过程中光学变化的物理机制具有重要意义。本研究的新颖之处在于从物理层面定量阐明了桃子储存期间微观结构演变对光传播特性的调节机制。这种方法不仅为准确区分不同桃子品种提供了物理上可解释的标准，还为理解光与生物组织之间的动态相互作用提供了新的科学视角。

因此，本研究的主要目标是：（1）分析不同桃子在储存过程中内部质量和果肉微观结构的变化；（2）表征950–1650纳米范围内μ_a和μ_s'的光谱特征和演变模式；（3）探索光学性质与物理化学属性之间的相关性；（4）基于光学性质开发线性判别分析（LDA）模型，以准确识别桃子品种。

章节片段

样品制备

本研究使用了三个桃子品种，即‘Shahong’（‘SH’）、‘Qianzhouhong’（‘QZH’）和‘Beijing8’（‘BJ8’）。这些品种不仅在陕西省广泛种植，而且由于消费者的高偏好和大规模市场流通而具有重要的经济价值。选择这些特定品种的理由在于它们独特的生理和结构特征：

桃子品种对内部质量的重要性

表1总结了三种桃子在不同储存期间的内部质量参数的统计分析。随着储存时间的推移，所有三个品种的SSC都逐渐增加。具体来说，在第0天和第3天，‘SH’和‘BJ8’品种之间的SSC存在显著差异（P < 0.05）。‘SH’品种的平均SSC增加最为明显，从第0天的9.0%上升到第3天的10.3%。

结论

本研究系统地研究了品种差异对桃子在储存过程中光学性质和内部质量演变的影响。所有品种都表现出相似的整体质量趋势，包括SSC的增加和MC及硬度的降低，尽管这些变化的大小和速率在不同品种间存在显著差异。在测试的品种中，‘SH’表现出更快的成熟和软化行为，而‘QZH’则保持了相对较高的硬度和结构

CRediT作者贡献声明

郭文川：资金获取、项目管理、监督、写作——审阅与编辑。李帅：数据整理、初稿写作。龚成旭：验证、写作——审阅与编辑。卜友华：可视化。程景良：研究。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了陕西省重点研发项目（编号2025NC-YBXM-165，编号2025CY-YBXM-642）和杨陵示范区科技计划项目（编号2025CYFZ-15）的支持。