国内外瓜果品质的无损检测技术滕 斌 王 俊(浙江大学农业工程与食品科学学院 杭州 310029) 摘要 介绍国内外瓜果品质的无损检测技术,通过对瓜果的电学特性、声学特性、光学特性、核磁振及振动特性来对一些瓜果的品质进行检测,检测结果更加准确。
关键词 瓜果品质 无损检测 应用 进展 近年来,随着对水果需求的提高,国内外水果品种增多,产量逐年上升,人们对水果品质也有了更高的要求。
许多研究表明水果在采摘、包装、储运及加工等作业环节中的损失率高达30.45%,其主要原因:一是不同成熟度的水果相互混杂,二是病害果掺杂在正常果之间,三是作业中受到各种力的作用而导致机械损伤。
若能根据水果的不同物理特性对果品品质进行评定与分级,从而对过于成熟和不新鲜的水果能及时加工,对提高储藏质量是非常重要的,而在流通及销售中,如能实现严格的质量分级和大小分级,既能保护消费者的利益,又可提高水果的加工质量和出品等级。
为此,国内外许多科研工作者对水果的物理特性进行了大量的研究。
1 利用水果的电学特性进行果品品质评价国外对水果电学特性的研究起步较早,Thompson and Zaehariah (1971)在300～900MHz 的频率范围对苹果的介电特性进行了研究,发现苹果的介电特性随其成熟度的不同而变化,未成熟果的介电常数在这个频率范围内几乎保持不变,而成熟的苹果随着频率的增加介电常数减少。
Nelson 等人(1993～1995)在0.2～20GHz 的频率范围上对一些水果进行了研究,结果介电常数随水果种类的不同而不同,但是在这段频率范围内,所测试水果的介电常数随频率增加均匀稳定减少,损耗因数随频率的增加开始呈减少趋势,但对水果的电特性和水果内部品质之间的相互关系没有进一步研究。
张立彬等人(1996)进行了苹果、梨的电学特性与新鲜度的关系的研究,随着水果新鲜度的降低,在切片组织腐烂或损伤与非腐烂或无损伤的两种情况下,它们的电特性与正常组织相比,呈现相反的变化,在切片组织已有腐烂或损伤的情况下,其等效阻抗值显著地比新鲜的正常果肉要小,而相对介电常数及损耗因数则比正常组织来得大。
这种特性是由于腐烂、损伤果肉的细胞膜劣化变质或受到损坏后,引起电容增加,而其电阻随之下降造成的,由于要破坏完整果实,这种品质检测方法,在目前应用的不多。
2 利用水果的声学特性进行果品品质评价利用水果的声学特性对其品质进行无损检测是近几年发展起来的新技术。
水果的声学特性是指水果在声波作用下的反射、散射、透射特性和吸收性、衰减系数、传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等,它随着水果内部组织的变化而变化,不同水果的声学特性不同,同一种类品质不同的水果其声学特性也存在差异,根据水果的声学特性即可判断其果品品质。
Finney (1967)首先研究发现香蕉的成熟程度与杨氏模量有很好的相关性,并通过研究杨氏模量和其共振频率的关系测出了香蕉硬度随成熟度的变化关系;Salveit 等(1985)和Amstrog 等(1990)的研究表明,苹果、西红柿和西瓜的共振频率均随着贮藏时间的延长而减小,并与硬度显著相关,据此他们分别建立了测定西红柿的成熟度及苹果硬度的方法;Sarkar 和Wolfe(1983)发现超声波的频2现代化农业 2001年第1期(总第258期)率是影响超声波在水果组织中的穿透能力的重要因素,指出应采用频率为10～15KHz的超声波,并提出了用超声波检测柑桔属水果果皮光滑度、西红柿表面裂纹等的方法;陈介余等(1990)研制成功了利用西瓜的声波响应特性对西瓜的内部品质和成熟度等进行无损检测的装置;Sugiyam a等(1985)对甜瓜的声学特性研究发现,随着甜瓜的成熟,声波在甜瓜中的传播速度和共振频率均降低,两者的变化趋势完全一致,而且传播速度与甜瓜果肉的硬度有很大相关性,相关系数为0.832,因此可利用声波的传播速度来确定甜瓜成熟,试验表明,适宜食用的成熟甜瓜的声波传播速度为37～50m/s。
总之,利用水果声学特性对其进行无损检测的方法,具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、使用灵活、设备轻巧、成本低和易实现自动化等优点,目前国外已逐步进入实际应用阶段,国内对这方面的研究尚不多。
3 利用水果的光学特性进行果品品质评价由于水果的内部成分及外部特性不同,在不同波长射线照射下,会有不同的吸收或反射。
当一束光照射到水果表面时,一部分光从水果表面反射回来,另一部分被水果的不同组成成分吸收,吸收量与水果的组成成分、波长及照射路径有关。
水果的反射特性取决于入射光和水果的光学特性,因此可以将待测样品及标准样品的透过或反射光由光电管等检测,经放大A/D转换后输入内置CPU,计算出反射率或透光率,再进行果实正常部分和损伤部分的灰度对比,从而可检测出水果品质。
李晓明等人(1993)对桃的分光反射特性进行了测定和比较,结果得出,在可见光波长域内,两者的反射率差异极小,800nm以上的近红外波长域,反射率差值较大,因此利用近红外图像能检测出肉眼看不见的损伤。
李晓明等人还对梨的正常部分和腐烂褐变的分光反射特性作了测定,结果发现,正常部分和腐烂部分分光反射率在可见域内有较大差异,最大达32%,在波长小于1900nm的近红外域,其分光反射率之差最大达10%。
4 利用水果的振动特性进行果品品质评价利用声振法对瓜果类产品进行成熟的无损检测是一种很有效的方法,国内外许多科研工作者对此进行了大量研究。
葛等人(1997)利用振动理论对西瓜成熟度进行了无损检测研究,他根据空心球理论,将一长轴为28.50cm,短轴为21.82cm的椭球形熟西瓜作为空心球看待,取其皮厚1.20cm,将西瓜按经纬线划分为864个单元,应用动力有限方法,导出西瓜动弹性模量E的估算式为: E=4p l2f2(4+$f2/3f2)式中p为密度,l为西瓜试样的纵向尺寸,f为共振基频,$f为半带宽频率,测出共振频率及半功率带宽即可求出动弹性模量E,然后求得用空心球理论模型计算的成熟瓜和完全不成熟瓜的各阶振型。
经过对二者比较发现,按空心理论模型计算的成熟瓜除了具有椭球式振型、呼吸式涨缩振型外,还存在一个十分独特的多边形振型,例如其第三阶振型为三角振型,在更高阶处有四边形、六边形等振型出现。
而按空心球理论模型计算的不完全成熟瓜,仅存在椭球式振型、呼吸式涨缩振型及扭转振型等,不存在这一多边形振型,这一现象的发现从结构理论上提供了一个重要的判断西瓜成熟与否的标志,即以第三阶振型是否为三角形振型作为确定西瓜成熟度的标志。
陈萃仁等人对草莓果实振动损伤进行了研究并建立了预测模型,研究表明,影响草莓果实振动损伤的主要因素依次为振动强度、振动时间和成熟度。
5 利用核磁共振技术进行果实品质检测核磁共振技术(NM R)是探测浓缩氢核及被测物油水混合团料状态下响应变化,因此核磁共振方法能被用来检测含油水果的水分。
研究发现,核磁共振技术在测定苹果、香蕉的糖度和含油成分方面有潜在价值,核磁3国内外瓜果品质的无损检测技术 滕 斌 王 俊共振能产生果实内部组织的高清晰图像,它已被应用于农产品品质因素的无损检测,如压伤、虫害、成熟度等。
研究还发现,试验中可能产生的偏差如回声、清晰度、切片厚度能对样品特性图像产生深刻的影响。
Chen等人(1988)利用NMR技术来测度桃和梨,结果在NM R图像中,果实的受损伤部分比邻近区域更亮,有虫害的比没有虫害的部分要暗,干枯的部分比正常部分要暗淡,有空隙的部分要显得暗淡,成熟度高的果实比成熟度低的果实显得亮白,试验还表明改善试验参数将更有利于果实品质的检测,NM R图像表明了不同的水果或水果的不同部位有不同的强度,这种差异是由于质子的密度和松驰次数造成的。
6 利用机器视觉技术进行果实品质检测随着图像处理技术的发展和计算机软硬件的开发,果实品质自动检测和分级领域应用机器视觉系统已变得越来越具有吸引力。
目前,国外对利用机器视觉进行果实品质自动识别研究的对象非常广泛,如对苹果和西红柿的大小、形状、颜色及表面损伤与缺陷进行分级等等。
Taylor等(1984)首先报道了分别利用线扫描和模拟摄像机检测苹果损伤的试验,结论为利用数字图像技术检测苹果损伤至少可以达到人工分级的精度,而且线扫描摄像机在实际生产中应用前景似乎要更广阔一些。
Rehkugler和Krop(1986)研究了利用机器视觉进行苹果表面碰压伤检测并依据美国苹果标准进行了分级,研制成功了利用机器视觉进行缺陷检测和分级的苹果处理设备,经实验取得较好效果。
在国内,应用计算机视觉技术进行水果品质的无损检测研究取得了一定成果。
王江枫、罗锡文等(1999)探讨了应用计算机视觉技术进行芒果重量及果皮损坏检测的方法,分析了确立所需图像区域的算法,建立了芒果重量与其投影图像的相互关系。
杨秀坤等(1997)提出了应用计算机视觉技术检测苹果表面缺陷的方法。
陈晓光等(1997)设计了用于综合评价苹果果型的计算机视觉系统。
国内的一些研究者,应用人工神经网络技术,检测苹果表面缺陷和颜色,评价苹果果型等。
可以预见,将人工智能技术和图像处理技术相结合,是今后应用计算机视觉技术进行水果品质评价的重要发展方向。
7 小结早期的果实品质检测,大多依赖于果实的物理特性,一般不需要现代高科技技术,因此对果实品质的检测速度不快,其品质检测的精确度也很大程度上依赖于检测参数与质量素之间的相关程度。
目前,应用最广泛最成功的检测方法是光方法,它综合了光学传感和数据处理技术,能够方便地使果实得到高精度、高速度的检测。
随着计算机技术的发展,果实品质的检测已越来越多地与现代科技相结合。
在我国,超声波检测技术在工业和医学的应用已比较广泛,而在果实生产和加工中应用较少,但它的发展潜力是非常巨大的。
随着NMR传感器的发展及价格的下降, NMR技术也将是非常理想的一种检测方法,在果实品质检测中应用也会越来越广。
参考文献1 何东健,等.农产品分光反射特性及近红外图像处理在农业中的应用.农业工程学报,1996,12(4):80～842 应义斌,等.机器视觉技术在农产品品质自动识别中的应用.农业工程学报,2000,16(1):103～1073 张立彬,等.苹果的介电特性与新鲜度的关系研究.农业工程学报,1996,12(3):186～1904 葛 ,等.利用振动理论对西瓜成熟度进行无损检测的研究.农业工程学报,1998,14(2):231～2345 胥 芳,等.无损检测桃子电特性的试验研究.农业工程学报,1997,13(1)6 应义斌等.农产品声学特性及其在品质无损检测中的应用.农业工程学报,1997,13(3):208～212 7 P.Chen,Z.Sun.A r ev iew of non destructive methods for quality evaluation and sor ting of a-g ricultural products.J.ag ric.Engng Res,1991,4现代化农业 2001年第1期(总第258期)月见草栽培技术薛喜良 高玉凤 肖阿东 柴永昭(黑龙江省农垦总局建三江分局 富锦 156300)1 种子选择及处理目前月见草品种比较混杂,有的还需春化处理。