《Postharvest Biology and Technology》：Synergistic mitigation of bruising in red delicious: A non-destructive evaluation of polyamine (spermidine), chitosan coatings, and optimized packaging using CT-scan imaging and principal component analysis
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涂层与包装协同保鲜红富士苹果的物理质量及创伤研究，采用非破坏性CT扫描结合SAS和主成分分析（PCA），发现Spermidine涂层与自锁袋包装组合最佳，显著抑制创伤扩散并维持果内结构。主成分分析第一主成分解释85%以上方差，表明涂层与包装的交互作用对果体积、重量及几何特征影响显著。
Mohsen Azadbakht | Mohammad Vahedi Torshizi | Alireza Sabaghi Khatunabadi | Mohammad Tajari
伊朗戈尔甘农业科学与自然资源大学生物系统工程系
摘要
本研究探讨了亚精胺、腐胺和壳聚糖涂层以及不同包装方法对“红美”苹果在储存过程中的物理品质和碰伤情况的影响。碰伤情况通过无损CT扫描成像进行评估，数据使用SAS软件和主成分分析（PCA）进行处理。CT扫描使用的是Siemens Somatom Emotion 16层扫描仪，参数设置为：管电压80 kV、管电流120 mA、层厚1 mm、图像矩阵512×512以及扫描间距1.0。每个苹果采集70-100层图像以确保完整的3D重建。结果发现，亚精胺在限制碰伤扩散和保持果实内部结构方面效果最佳；腐胺的保护作用最弱，而壳聚糖的效果介于两者之间。涂层类型和包装方式都对减少碰伤面积和百分比有显著影响。其中，涂有亚精胺并采用密封袋包装的苹果碰伤情况最为轻微；相反，仅用腐胺处理且未包装的苹果碰伤最为严重。PCA得分和载荷图清晰地区分了不同处理组，第一主成分（PC1）解释了所有处理组中超过85%的变异。方差和特征值表显示，前两个主成分解释了所有组中超过90%的数据变异，证明了PCA在数据总结和效果区分方面的有效性。载荷分析表明，重量、体积、球形度和厚度等变量在样本区分中具有最显著的影响。无损CT扫描技术能够精确监测随时间变化的碰伤面积和果实内部结构。本研究表明，选择合适的涂层和包装组合对于保持果实品质和减少采后损失至关重要。
引言
过去十年中，无损检测方法越来越多地被用于评估果实品质，因其允许单独测量和分析果实同时减少浪费（Azadbakht等人，2019a），且不会对产品造成机械损伤。此外，随时间重复检测能更深入地了解农产品的品质。消费者对内外品质的关注日益增加，这推动了农产品行业快速开发高效且经济实惠的无损检测工具（Azadbakht和Vahedi Torshizi，2020）。CT扫描和X射线成像等技术使研究人员能够随时间监测碰伤情况，这些方法是广泛使用的无损检测方法，因为它们能够准确测量碰伤（Azadbakht等人，2019b）。
果实软化通常发生在树上成熟期间或储存过程中，这是由于细胞壁强度下降所致。收获后的果实在不同应力作用下会发生物理和化学反应，导致品质下降，从而产生采后损失。储存过程中，多种因素可能成为应力源，缩短果实的保质期和品质（Azadbakht等人，2021，Azadbakht等人，2020）。农产品还具有不同于工程材料的独特特性，这些定性特征及其相应的数值有助于更有效地控制和管理农产品（Azadbakht等人，2024，Azadbakht等人，2016）。
果实的外观对其市场价值有显著影响，因此采后妥善管理至关重要。改善果实的物理特性也能提升其出口潜力。研究果实质量、体积和尺寸等物理属性之间的关系非常重要（Vahedi Torshizi和Azadbakht，2020）。果实的体积和形状决定了特定尺寸包装内可容纳的果实数量，有助于预测干燥效率和缩短干燥时间。在这些物理特性中，重量、体积和表面积对于测量系统尤为重要（Shahbazi和Rahmati，2013，Al-Dairi等人，2022）。此外，果实形状是植物内部热量传递和与环境相互作用的关键因素，因此在使用数值模型分析生理过程（如冷却）时需要精确的几何模型（Azadbakht等人，2019c，Jafarzadeh等人，2023）。
准确了解农产品的物理、化学和机械特性对于优化采后管理至关重要。这些特性决定了果实对处理、运输和包装的响应，直接影响因撞击造成的经济损失（?zcan和?zkan，2018）。关键物理特性（如表面积和投影面积）对于建模热传递和质量传递、呼吸速率、品质评估以及确定最佳采收时间至关重要（Aviara等人，2015，Azadbakht等人，2019d，Cangi等人，2011）。
有效的包装对于在整个供应链中保持品质和安全至关重要（Kalia和Parshad，2015）。包装材料（如玻璃、塑料、金属或纸板）的选择基于其功能特性，这些特性显著影响产品的保质期（Lufu等人，2020）。
近年来，CT和X射线等无损成像技术以及光谱技术被广泛用于检测和量化苹果等水果的碰伤和内部缺陷。例如，Diels等人利用X射线CT开发了一种自动化方法，用于分离和测量不同苹果品种的碰伤面积，显示出高精度识别内部损伤的能力（Diels等人，2017a）。其他研究使用X射线微CT详细分析了苹果组织的微观结构，并描述了“苦坑褐变”等内部缺陷的三维发展过程，证实了CT在分析果实内部过程中的重要性（Herremans等人，2013）。虽然CT、MRI和高光谱成像等无损技术已成熟用于检测苹果的内部和外部缺陷（Lu和Lu，2017），但结合生物聚合物涂层、商业包装和CT监测的综合研究仍较为有限。本研究通过CT评估，直接探讨了涂层和包装对“红美”苹果的综合影响。
许多研究考察了采后处理（特别是多胺和可食用涂层）在保持果实品质和减少损伤方面的作用，例如：Pérez-Vicente等人（2002）研究了外源腐胺在李子（BlackStar品种）储存中的作用，特别是在机械损伤情况下。他们发现腐胺的渗透减少了机械损伤并提高了果实硬度。作者提出，游离亚精胺可能作为机械应力的生理标志物（Pérez-Vicente等人，2002）。Hussein等人（2020）全面回顾了影响鲜果采收和采后处理过程中碰伤易感性的因素，指出碰伤是由过度压缩和冲击力引起的，并受果实成熟度、成熟阶段和采后环境等因素的影响（Hussein等人，2020）。Zahedi等人（2019）研究了采后多胺和可食用涂层对芒果（Langra品种）的影响，结果表明壳聚糖和亚精胺延缓了水分流失、软化及真菌污染。壳聚糖与抗坏血酸结合使用显著提高了酚类物质含量和抗氧化活性，改变了可溶性固体、可滴定酸度和pH值，并减少了乙烯的产生。2%壳聚糖和2 mM亚精胺的处理显著增强了果实硬度并延缓了衰老（Zahedi等人，2019）。Taha和Hajilo（2020）研究了不同采收时间施用不同浓度亚精胺对杏子（Shahrudi品种）的影响，发现采前施用多胺延缓了成熟并提高了果实品质（Taha和Hajilo，2020）。
本研究的主要目的是探讨生物涂层（亚精胺、腐胺和壳聚糖）和包装方法（未包装、塑料薄膜和密封袋）对“红美”苹果在储存过程中的物理和机械性能的交互作用。为此，通过CT扫描成像等无损方法和包括ANOVA和PCA在内的高级统计分析，评估了不同处理条件下的果实尺寸变化、重量损失、体积减少和碰伤百分比。研究的重点在于确定最佳涂层-包装组合，以最小化机械损伤和品质下降，延长保质期，并提高市场竞争力，从而为改进包装系统和支持园艺产品的出口潜力提供实际解决方案。
样本制备
“红美”苹果购自戈勒斯坦省（戈尔甘市）的当地市场。将样本转移到戈尔甘农业科学与自然资源大学的生物系统工程实验室后，所有果实均用饮用水彻底清洗并用软布擦干。为了测定水分含量，从五个随机选取的苹果中纵向切片，去除种子和果核组织，制备了五个代表性样本（每个约10克）。
表2展示了涂层、包装及其相互作用对苹果各种物理性质影响的方差分析（ANOVA）结果。对于长度的变化，涂层和包装均显示出显著效应（p=0.0002和p<0.0001），而它们的相互作用则不显著（p=0.6268）。这表明每个因素独立影响了果实的长度保持。对于高度的变化，也观察到了类似的趋势。
亚精胺作为一种天然存在的多胺，在细胞水平上通过稳定膜完整性、抑制乙烯介导的衰老过程和抑制果胶降解酶来发挥作用，从而减少组织软化和机械脆弱性。当与密封袋包装结合使用时——这种包装创建了一个半透性的微环境，限制了氧气进入，减少了水分流失，并减缓了果实内部的移动——亚精胺提供的生化保护作用得到了增强。
Mohammad Vahedi Torshizi：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法设计。
Alireza Sabaghi Khatunabadi：撰写初稿、资源收集、实验设计。
Mohammad Tajari：数据验证、软件操作、数据分析。
Mohsen Azadbakht：审稿与编辑、可视化处理、项目监督、数据分析。
我是本手稿的通讯作者，现任伊朗戈尔甘农业科学与自然资源大学生物系统工程系教授。我声明不存在任何利益冲突。
