核桃(Juglans)坚果由硬壳和种仁组成, 种仁营养丰富, 具有健脑益智、补气养血、温肺润肠、润燥化痰等功效, 深受人们喜爱(郗荣庭等, 1996), 其木质化硬壳在食用时则多被弃置, 很少受到重视。硬壳作为核桃坚果的重要组成部分, 在坚果生长、发育、成熟、漂洗、运输及贮藏中, 起着重要作用, 并且硬壳制作的活性炭可有效吸附工业废水中的汞、酸性染料、苯酚等污染物(Zabihi et al., 2009; Aydm et al., 2009; Pajooheshfar et al., 2009; Nazari Moghaddam et al., 2010), 因此深入研究核桃坚果硬壳形成机制及其影响因子具有重要意义。目前对于坚果硬壳结构的研究尚少, 赵悦平等(2007)研究表明, 核桃坚果硬壳结构与种仁商品品质有密切的关系, 认为缝合线越紧密、壳越厚, 漂洗污染率、贮藏虫果率、裂果率越低, 种仁颜色越浅, 核桃油脂的抗氧化能力越强, 并建议将硬壳结构作为核桃坚果品质的评价指标。已有研究表明, 不同核桃品种坚果硬壳厚度存在差异(赵悦平等, 2007; Muhammad et al., 2010), 硬壳厚度与坚果质量极显著正相关, 与出仁率极显著负相关(Arzani et al., 2008)。有关核桃坚果硬壳影响因子的研究未见报道。本试验采用特制的硬壳测试系统, 对不同品种、同一品种不同产地、不同采收期以及树体不同部位核桃坚果硬壳的缝合线紧密度、机械强度、硬壳密度等指标进行了比较, 旨在为核桃种质资源的评价与保存提供科学依据, 为坚果硬壳形成机制提供基础资料。

1 材料与方法 1.1 试验材料

2003年9月核桃果实青皮1/3开裂时采收, 分别在河北定州德胜农林有限公司采集‘清香’、‘鲁光’、‘阿7’、‘西扶1号’、‘中林1号’、‘中林3号’、‘辽宁1号’、‘元丰’、‘鲁光’9个普通核桃(Juglans regia)品种以及5株普通核桃实生树的坚果, 在云南漾濞采集‘小泡核桃’、‘圆菠萝’、‘大泡核桃’、‘铁核桃’4个泡核桃(J.sigillata)品种, 每种样品采集核桃坚果200个, 用于不同品种及类型硬壳结构比较。同时在山东泰安、河北定州分别采集‘香玲’、‘辽宁1号’、‘鲁光’、‘元丰’4个普通核桃品种, 每个品种采集核桃坚果200个, 用于相同品种不同产地硬壳结构比较。7月31日至9月5日在河北定州采集‘清香’、‘鲁光’、‘阿7’、‘西扶1号’、‘中林1号’、‘中林3号’6个普通核桃品种, 选择树势健壮、管理水平一致的植株10株, 每6天采1次, 共采样7次, 每次每品种采集坚果50个, 用于相同品种不同采收期硬壳结构比较。9月5日在河北定州按树体不同部位(阳面、阴面、内膛)采集‘清香’、‘鲁光’、‘阿7’、‘西扶1号’、‘中林1号’、‘中林3号’6个普通核桃品种, 每个品种各个部位分别采集坚果50个, 用于树体不同部位硬壳结构比较。

1.2 试验内容与方法 1.2.1 缝合线紧密度

设计了硬壳数据采集系统, 为保证测试时坚果处于稳定状态, 以v型凹槽作为支座, 将其安装于作为直接测量元件的压力传感器之上, 采用缝合线垂直加压法进行测试, 其受力状况如图 1。通过转动手柄使丝杠缓缓下降, 对坚果缓慢加载, 直至缝合线开裂, 用数据采集卡作为数据采集元件, 以计算机作为数据的显示与存储单元, 完成对核桃坚果缝合力大小的测量与显示(李莉等, 2004)。各处理重复20次。

1.2.2 硬壳机械强度

强度指材料抵抗外力破坏的能力(尹恩慈, 1996)。使用专用测试仪, 对核桃胴部垂直加压, 测量其硬壳的机械强度。每个单果为1次重复。

1.2.3 硬壳密度

根据ρ=m/V计算不同品种坚果硬壳密度, 质量用万分之一分析天平测量, 体积用排水法测定, 3次重复, 每次重复测定10个坚果硬壳。

1.2.4 缝合线厚度及硬壳厚度

取已开裂核桃坚果缝合线处中部, 用游标卡尺测量其厚度为缝合线厚度, 30次重复。取核桃坚果胴部硬壳, 用游标卡尺测其厚度为硬壳厚度, 30次重复。

2 结果与分析 2.1 不同核桃品种及类型坚果硬壳结构的差异

经Duncan新复极差法分析表明, 核桃不同种及不同品种间坚果硬壳结构存在显著差异(表 1)。‘小泡核桃’、‘圆菠萝’、‘铁核桃’3种泡核桃坚果缝合线紧密度和硬壳机械强度均大于300 N, ‘小泡核桃’和‘圆菠萝’虽能压开, 但几乎全部压坏而不能从缝合线处裂开, 而‘铁核桃’硬壳厚度较大且内隔膜发达, 使其在650 N范围内压不开。此外泡核桃坚果硬壳密度、缝合线厚度及硬壳厚度也与普通核桃有显著差异。不同普通核桃样品坚果缝合线紧密度存在差异(表 1), 实生4最小为83.14 N, 实生1最大为367.63 N, 缝合线厚度大于2.9 mm的样品除‘中林1’和‘中林3’以外缝合线紧密度均在150 N以上, 说明缝合线厚度与缝合线紧密度关系密切。不同普通核桃样品坚果硬壳密度为0.753~1.036 g·cm^-3, 硬壳厚度为0.62~1.58 mm, 硬壳机械强度为113.35~575.74 N, 硬壳机械强度较大(大于400 N)的样品‘元丰’、实生1、实生3、实生2均表现硬壳厚度较大或硬壳密度较大。由此表明, 不同核桃品种间硬壳结构指标存在一定差异, 泡核桃与普通核桃差异尤为显著。

2.2 不同采收期核桃坚果硬壳结构的差异

核桃坚果硬壳缝合线紧密度、机械强度和密度在采前1个月的变化如图 2所示。缝合线紧密度总体上呈现下降趋势, 机械强度略呈上升趋势, 说明随着坚果的成熟, 缝合线越来越不紧密, 而坚果硬壳生长发育基本完成, 机械强度越来越大。硬壳密度从7月31日至8月30日略有上升, 但到最后的成熟期, 8月30日至9月5日下降。

2.3 不同产地核桃品种坚果硬壳结构的差异

经t测验分析(表 2)表明, 同一品种不同产地硬壳缝合线紧密度不存在差异, 说明产地差异对硬壳缝合线紧密度的影响不显著。除‘元丰’外, 其他各品种硬壳厚度不同产地间存在显著差异。山东产‘辽宁1号’机械强度为259.79 N, 极显著高于河北, 其他品种不同产地差异不显著。除‘元丰’外, 各品种不同产地硬壳密度也存在显著差异。结果说明, 产地不同可引起硬壳厚度及密度的差异, 但对硬壳的机械性质影响不大, 不同品种对产地的适应性不同可能是造成硬壳物理结构差异的因素。

2.4 树体不同部位核桃坚果硬壳结构的差异

数据经Duncan新复极差法分析表明, 各品种树体不同部位坚果硬壳缝合线紧密度因品种而异(图 3), ‘中林3号’树体内膛坚果缝合线密度显著高于其他部位坚果, 其他品种树体不同部位坚果缝合线紧密度差异不显著。树体不同部位坚果机械强度存在较大差异, 供试品种均表现阳面坚果硬壳的机械强度大于阴面和内膛, 不同品种阴面与内膛坚果硬壳机械强度差异不尽相同。除‘西扶1号’外, 其他供试品种树体不同部位坚果硬壳密度均表现阴面最高, 内膛次之, 阳面最低(图 3)。

3 讨论

核桃坚果硬壳缝合线紧密度为衡量坚果品质的重要指标(赵悦平等, 2007), 是影响坚果裂果率的主要因素, 受产地、不同树体部位影响不显著, 但受品种及采收期的影响较大。而坚果缝合线厚度是决定缝合线紧密度的主要因素(齐静等, 2009), 缝合线较厚的品种其缝合线紧密度也相应较大, 本文也有相似结论, 说明品种是决定缝合线紧密度的关键因素。国家标准《核桃丰产与坚果品质》(GB 7907—87)要求核桃坚果缝合线平或低, 依此选出的品种缝合线较薄, 这是我国核桃品种裂果率较高的重要原因。

不同产地及树体不同部位核桃坚果硬壳密度、厚度及机械强度存在差异, 说明硬壳发育受气候、光照强度等因素影响较大。核桃的果壳为内果皮, 其硬化是在果皮发育后期, 有研究表明核桃坚果硬壳“发育不实”比例与光照情况呈极显著负相关(崔惠英等, 2008); 石细胞是核桃内果皮即坚果硬壳的主要组成部分(吴国良等, 2005), 其次生壁是由大量木质素沉积形成(乔勇进等, 2005); 分析认为木质素代谢途径关键酶——PAL为光调控酶(Kubackova et al., 1994; Ma et al., 2001), 由于阳面光线充足, PAL酶活性较强, 木质素沉积较多, 从而增加了壳的机械强度, 但由于木材阳面细胞腔大壁薄(方炎明, 2006), 所以硬壳密度相对较小。生产中发现, 同一核桃品种在光照充足的新疆表现良好, 而在内地常常表现裂果或露仁, 也可能与光照有直接关系。因此, 作者认为良好的光照条件是生产优质坚果的必要条件。

以往大量研究认为采收期不同对果实品质等方面具有重要的影响(徐宜民等, 1989; 王根宪等, 1995; 杨源, 1998; 束怀瑞, 1993; 陆美英等, 1989; 郜海燕等, 2009; 张维一, 1993; 张志华等, 2000), 而本试验进一步研究发现, 不同采收期还对核桃坚果缝合线紧密度、硬壳机械强度、硬壳密度均具有不同程度的影响, 其中随着坚果的成熟缝合线紧密度下降, 机械强度与硬壳密度上升, 而在采前1周左右密度又明显下降, 因此认为采收期的不同也是影响坚果硬壳结构的因素之一。植物随着自身的成熟、衰老以及逆境胁迫等原因, 某些器官会逐渐产生离层(潘瑞炽等, 1995; 张有林等, 2000; 王晓海, 1998), 核桃坚果成熟时缝合线可能形成类似的离层, 引起缝合线紧密度下降。此外, 随着植物组织衰退的进行, 原生质组分以一定顺序逐步退化解体(欧阳学智等, 1999), 这可能是造成硬壳密度前期升高, 后期降低的原因, 其机制还有待进一步研究。