果实光学特性与其采后糖类代谢及超微结构改变的关联机制研究

Optical properties of visible/near infrared spectra for quality detection of fruits is the most commonly used method. The physical and chemical changes of postharvest fruits affect the optical absorption and scattering properties, our previous studies confirmed the correlation between optical properties and internal composition and structure, but the mechanism remains unclear. In current project, apples and peaches will be taken as the main research objects. The composition and content of soluble sugars (glucose, sucrose, fructose, etc.) and polysaccharides (pectin, cellulose, hemicellulose) will be analyzed. By combining with the compositional simulation, the mode of action on optical absorption properties by sugars metabolism will explored; Based on structural changes of fruit tissue cells, subcellular and sugars analyzed using nano-microscopy methods, the influencing mechanism on optical scattering properties by ultrastructure will be discussed. On this basis, the intrinsic link among sugars metabolism, ultrastructure, optical scattering and absorption properties will be further studied, then correlative mechanism between optical characteristics and postharvest fruits’ changes will be clear. The research achievements, on the one hand, will obtain theoretical breakthrough in optical technology to detect fruit quality, and enrich the academic contents of spectroscopy basic and application; on the other hand, will provide the necessary theoretical support for technological innovation, instrument development and application expansion regarding nondestructive testing technology of fruit quality using optical technology.

利用可见近红外光学特性检测果实品质是最常用的方法。果实采后理化变化影响光学吸收和散射特性，前期研究证实果实光学特性与其内部组分和结构存在关联性，但是机制仍不清楚。本项目拟以苹果和桃为研究对象，通过分析果实采后可溶性糖类（葡萄糖、蔗糖、果糖等）和多糖类（果胶、纤维素、半纤维素）代谢物组成和含量变化，结合组分模拟阐明果实糖类代谢对光学吸收特性的作用方式；利用纳米显微技术分析果实组织细胞、亚细胞、糖类结构变化，探讨果实超微结构对光学散射特性的影响机制；在此基础上，研究果实糖类代谢、超微结构、光学散射和吸收特性的内在联系，明确果实光学特性与其采后理化变化的关联机制。本项目的研究成果，一方面在光学技术检测果实品质的理论上有突破，丰富了光谱学基础和应用的学术内容；另一方面也为光学技术无损检测水果品质的技术改进、仪器开发和应用拓展等提供必要的理论支撑。

可见近红外光谱是实现无损检测果实硬度和可溶性固形物的常用方法。果实采后品质变化影响光学吸收和散射特性，研究发现果实光学特性与其内部组分和结构存在关联性，但是机制仍不清楚。通过本项目的实施，较系统总结了近10年果蔬光学特性测量技术系统和原理，特别是果实组织的光学特性参数测量方法、基于光学特性的果实内外部品质缺陷分级检测等。然后，借助单积分球技术，开发了一套果蔬光学特性自动测量软硬件系统，实现了可见-短波近红外（400-1050 nm）和短-中波近红外（905-1600 nm）区域光学吸收和散射性质的分离和定量表征。基于该系统，研究了苹果在贮藏期间可溶性固形物、可溶性糖与400-1050 nm和905-1600 nm区域光学吸收和散射性质的关系。以两个品种的桃果实果肉为对象，全面探究了可溶性固形物、可溶性糖采后变化对光学特性的影响机制，并通过构建光学特性预测果实可溶性固形物的模型进行验证。进一步从细胞壁多糖（果胶）代谢角度明确了桃果实硬度、果胶与可见-短中波区域光学吸收和散射性质的关系；并从组织微观角度开展了贮藏过程中果肉硬度及组织微观形态（等效直径、圆度、细胞壁厚度、细胞间隙率）变化分析，探讨了光学特性与硬度及组织微观形态的联系，而后通过构建光学特性预测果实硬度的模型进行验证。研究结果证实近红外光谱能够预测果实可溶性固形物含量与可溶性糖中的蔗糖与吸收性质的高度相关性有关；实现硬度的预测和组织微观形态中细胞间隙率、细胞壁厚度、细胞壁原果胶指数与散射性质的高度相关性有关，原因通过果胶组分变化引起细胞壁结构改变并影响光学散射实现的。另外，研究运用近红外光谱技术替代感官评价和理化测量方法，无损检测草莓的关键品质指标并判别其感官品质等级，形成基于近红外光谱的草莓感官品质等级判别模型，并开发相关软件系统。本项目的研究成果进一步明确了果实糖类代谢和超微结构和其光学散射和吸收特性的关系，阐明了光学技术预测可溶性固形物与硬度的机理；在验证的基础上开展的应用型研究，也丰富了近红外光谱的理论和实践应用领域。