灵武长枣质构的微观力学解析及其在贮运过程中的应变模式研究

Hardness, brittleness and pulp firmness are important texture indicators for fresh LingWu long jujube quality. The external force stress seriously affects cell structure, texture properties and biology function. The analysis of response mechanism for the micromechanical changes to macroscopic strain is essential in revealing the texture changes of long jujube. Microstructure changes of long jujube cells, cytoskeleton and microfilaments induced by macroscopic strain, intercellular and intracellular transmission and distribution of stress, will be studied using bioactive material microstructure and mechanics testing technology such as atomic force micro-technology and fluorescence resonance energy transfer etc. The coupling law between the transmission and distribution of stress and physiological, biochemical and molecular biological changes of specific tissues or cells will be revealed by comparing the changes of concentration and velocity of intracellular Ca2+ and other tension signal factors induced by external force stress in relation to the physiological indexes such as protein kinase and pectinase. In the non-equilibrium state of the biological system of Langevin framework, the Biochemical-mechanical models of cytoskeletal network structure will be established based on the stochastic thermodynamics theory to analyze the biomechanical transduction mechanism, reveal the response mechanism of long jujube texture micromechanical changes to macro strain, and provide theoretical basis for processing machinery development and transportation packaging design of postharvest fresh jujube.

硬度、脆度、果肉坚实度等质构指标是衡量鲜食灵武长枣品质的重要指标。外力胁迫严重影响着长枣细胞结构、质构特性及其生物学功能。解析长枣微观力学变化对宏观应变的响应机理是揭示长枣质构变化的核心。本项目拟以原子力显微技术、荧光张力检测技术等作为生物活性材料微观结构及力学的检测技术，研究宏观应变引起的细胞、骨架、微丝的微观结构变化及应力在胞间、胞内的传递与分布。通过比较外力胁迫引起的细胞内Ca2+离子等张力信号因子浓度、流速变化规律与蛋白激酶、果胶酶等生理指标的关联性，揭示应力传递、分布与特定组织或细胞的生理生化、分子生物学变化的耦合规律。在非平衡生物系统郎之万框架下，基于随机热力学理论,根据胞内张力信号因子浓度变化和应力纤维构象变化，建立细胞骨架结构的生物化学-力学模型，解析生物力学转导机制，揭示长枣质构变化的微观力学对宏观应变的响应机理，为采后鲜长枣加工处理机械开发、运输包装设计提供理论依据。

利用原子力显微镜、纳米压痕技术、激光共聚焦显微镜、傅里叶红外光谱等，研究了宏观应变引起的长枣细胞、骨架、微丝、大分子的微观结构变化，果肉组织的结晶状态、结合键、大分子间的结合力变化，应力在胞间、胞内的分布和传递，应力与特定组织或细胞的生理生化、分子生物学变化的偶联性。以细胞骨架结构的多尺度和多态性实验为基础，建立了细胞力学模型，解析了生物力学转导机制，揭示了长枣质构的微观力学变化对宏观应变的响应机理。结果表明：七元件麦克斯韦模型可以很好的描述灵武长枣整枣的应力松弛行为，有限元模型可描述长枣果肉组织、细胞的应力应变分布规律。在贮藏期间长枣硬度下降，膜结构被破坏，H2O2和MDA大量积累，原果胶含量下降，果实CSP果胶中长链、聚集体、分支明显减少，大多数果胶链被缩短和显著降解，短链数量增加，并伴有裂解的出现，CSP链宽度在不同程度上均有所下降，链宽范围降至15-70nm之间。灵武长枣的FTIR特征吸收峰的分析结果表明：WSP、CSP、SSP中均含有－OH、C-H、C-O-O、C=O、吡喃糖苷键存在，且吡喃糖苷键与三种果胶的降解密切相关，是参与果胶组分之间相互转换与降解的重要组分。常膨压杨氏模量E值与低、高膨压的杨氏模量E相比有显著性差异（p＜0.05）；表观刚度值从高膨压到低膨压分别是：0.013±0.003 N/m、0.018±0.004 N/m、0.008±0.002 N/m，其变化趋势与杨氏模量一致。高膨压、常膨压、低膨压下的粘附力分别是:102.06±163.55pN、178.41±141.59pN、187.96±76.17pN，且高膨压时粘附力与常、低膨压的粘附力相比有显著性差异（p＜0.05）。灵武长枣贮藏期间硬度下降与基因调控密切相关。差异基因显著富集到代谢途径、次生代谢物的生物合成途径和苯丙烷类生物合成途径。贮藏代谢的影响主要体现在半乳糖代谢、戊糖与葡萄糖酸盐转化、类黄酮生物合成、甘油磷脂代谢、鞘脂代谢、β-丙氨酸代谢、丁酸盐代谢及苯丙氨酸代谢。本研究从生物学及微观力学角度研究了灵武长枣宏观硬度随成熟度的变化规律，为灵武长枣的贮藏保鲜技术开发提供了理论依据。