無損檢測(cè)技術(shù)在水果品質(zhì)測(cè)定中的應(yīng)用
來源： 本站 類別：技術(shù)文章 更新時(shí)間：2014-01-03 閱讀次
水果品質(zhì)的主要評(píng)定指標(biāo)通常包括糖度、酸度、成熟度、新鮮度、硬度等多種理化指標(biāo)。傳統(tǒng)的水果品質(zhì)評(píng)定方法主要是化學(xué)分析法，需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑，測(cè)試分析過程煩瑣，速度慢，通常用測(cè)定少量的樣本來代替批次水果的品質(zhì)，而且測(cè)試時(shí)必須破壞水果，在水果品質(zhì)分級(jí)中實(shí)際意義不大。近年來興起的無損檢測(cè)法，依據(jù)水果物理力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)特性，在不破壞水果本身鄧干然( 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所)時(shí)測(cè)定了水果的相關(guān)理化指標(biāo)，不需要化學(xué)試劑和煩瑣的分析過程，方法簡(jiǎn)單、快捷，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，有利于實(shí)現(xiàn)果品內(nèi)部品質(zhì)的在線分級(jí)控制，因此有廣泛的應(yīng)用前景。水果品質(zhì)的無損檢測(cè)法在國(guó)內(nèi)外均有相當(dāng)?shù)难芯浚械囊训玫缴虡I(yè)應(yīng)用。本文將介紹電特性測(cè)試法、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試法、近紅外線測(cè)試法、聲學(xué)特性分析法等幾種水果無損檢測(cè)法的測(cè)試原理。推薦使用儀器：測(cè)土儀。
1 電特性測(cè)試法
水果的生物組織內(nèi)部存在大量帶電粒子形成的生物電場(chǎng)，水果在生長(zhǎng)成熟、受損及腐敗變質(zhì)過程中的生物化學(xué)反應(yīng)將伴隨物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致生物組織內(nèi)各類化學(xué)物質(zhì)所帶電荷量及電荷的空間分布的變化。生物電場(chǎng)的分布和強(qiáng)度，從宏觀上影響水果的電特性。Thompson 等人研究了300～900 MHz 頻段內(nèi)蘋果電特性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)蘋果電特性與其成熟度密切相關(guān)。Mclendon 等人發(fā)現(xiàn)在0.5～5 kHz頻段內(nèi)梨的介電常數(shù)和損耗角正切隨頻率增長(zhǎng)而呈減小趨勢(shì)。但隨著梨的逐漸成熟，兩者均逐漸增大。Nelson 等人在0.2～20 GHz 頻段內(nèi)對(duì)多種水果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明所測(cè)試的水果的介電常數(shù)隨頻率的增加均穩(wěn)定減小。加藤宏郎在10 Hz～13 MHz 頻段內(nèi)對(duì)比分析了損壞水果與正常水果在電特性方面的差異，結(jié)果表明損壞水果的串、并聯(lián)等效電阻及阻抗在該頻段內(nèi)低于正常水果，而串聯(lián)等效電容及損耗因數(shù)值則比正常水果大，串聯(lián)等效電阻與水果的新鮮度或成熟度相關(guān)。
水果內(nèi)部品質(zhì)與宏觀電特性的關(guān)系如下：水果電特性的檢測(cè)方法有切片、突刺、接觸和非接觸等方法，前二種屬于有損檢測(cè)，后二種將被測(cè)水果直接放入平板電極間測(cè)定其電特性參數(shù)，屬于無損檢測(cè)。
水果電特性參數(shù)無損檢測(cè)的電路原理見圖1 。在給定的測(cè)量頻率ω下，將被測(cè)水果置于平行電極之間作為電容器的內(nèi)部介質(zhì)，正弦波發(fā)生器輸出的驅(qū)動(dòng)電流I 流過由校準(zhǔn)電阻R0和被檢測(cè)水果作為介質(zhì)的電容器構(gòu)成的串聯(lián)電路，通過2 個(gè)具有相同增益K的差分放大器的輸出電壓E1和E2，通過簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算，得到水果的復(fù)阻抗為
式中：ω為角頻率, ω =2 π f ；f 為電場(chǎng)頻率；R s ，C s 為水果的串聯(lián)等效電阻和電容。只要計(jì)算出E1、E2之比的實(shí)部和虛部，即可求出串聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效電容，進(jìn)而求出并聯(lián)等效電阻、并聯(lián)等效電容和復(fù)介電常數(shù)。這種測(cè)量方法與外界溫度和水果的外形尺寸有重要關(guān)系。在低頻段水果的電特性受溫度的影響更大，隨著溫度的升高，阻抗將逐步減小，頻率高于一定值時(shí)，溫度的影響將變得很小; 一般說來，水果的尺寸越小，阻抗越大，在15 kHz 以下頻段，阻抗值差別較大，這是由于電極間距不變時(shí)，水果尺寸直接影響到電極間介質(zhì)填充量。
水果內(nèi)部品質(zhì)與水果電特性參數(shù)之間的關(guān)系：在水果腐爛或有損傷時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)將會(huì)明顯上升，原因是水果腐爛后，細(xì)胞膜往往破損，離子通透性增加，等效阻抗減小，同時(shí)膠體結(jié)合水變成自由水，自由水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)合水，導(dǎo)致電容和相對(duì)介電常數(shù)增大；隨著水果新鮮度的下降，它的自由水隨呼吸作用消耗，有機(jī)酸及原果膠的含量逐漸減少，會(huì)導(dǎo)致相對(duì)介電常數(shù)減小，等效阻抗則趨于增大。
2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試法
在不同預(yù)加載荷、激振功率、成熟程度等條件下，測(cè)定動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的彈性模量和相位角。測(cè)試原理是正弦交變應(yīng)力- 應(yīng)變動(dòng)態(tài)試驗(yàn)作軸向加載時(shí)，正弦力由正弦波發(fā)生器經(jīng)過放大器后，由電動(dòng)式振蕩器產(chǎn)生，一個(gè)壓電加速度傳感器固定到振蕩器軸上，樣品夾在兩個(gè)圓盤之間，一個(gè)圓盤連接到振動(dòng)器上，另一個(gè)經(jīng)動(dòng)態(tài)力傳感器連接到剛性支撐之間，以測(cè)定靜態(tài)預(yù)載荷，加速度和力傳感器的信號(hào)經(jīng)放大，通過水平和垂直通道輸入存儲(chǔ)示波器，通過調(diào)節(jié)功率放大器改變激振功率（測(cè)定輸入激振器的功率獲得激振功率），見圖2 。
實(shí)驗(yàn)時(shí)取果實(shí)對(duì)稱二側(cè)施加一定的預(yù)載荷/ 預(yù)載荷上下波動(dòng)為+0.25 N，然后快速讀取示波器顯示的力，加速度和力與加速度間相位角等信號(hào)并存儲(chǔ)，在一定頻率的同批次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在示波器上讀取平均值和標(biāo)準(zhǔn)差值。
3 近紅外線測(cè)試法
近紅外線波長(zhǎng)為800～2 500 nm，近紅外線照射在果實(shí)上，果實(shí)中構(gòu)成糖和酸的官能基（-OH，-CH2，- N H ）吸收與相應(yīng)分子固有振動(dòng)相一致的特定光線，近紅外分光法就是利用上述特性，從被吸收的光量非破壞檢測(cè)糖、酸、水分和葉綠素等成分的一種技術(shù)。該方法僅在建立標(biāo)定線時(shí)破壞果實(shí)測(cè)定其化學(xué)成分，標(biāo)定線作成后，只需測(cè)定樣品的近紅外線分光頻譜，就可得到成分的預(yù)測(cè)值，還能在瞬間同時(shí)測(cè)定多個(gè)成分。
在線近紅外線內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)技術(shù)分為反射光式和透過光式，透過光式又分為不完全遮光式和完全遮光式。反射光式測(cè)定法是將近紅外線照射在果實(shí)赤道附近部位，并測(cè)定經(jīng)內(nèi)部擴(kuò)散之后由果實(shí)表面反射光線的一種方法，檢測(cè)原理如圖3 所示。輸送裝置將果實(shí)輸送到糖度檢測(cè)裝置處，照射在果實(shí)上的近紅外光線經(jīng)果實(shí)反射后，由集光器聚集，然后經(jīng)過分光器（濾波器），僅取出一實(shí)波長(zhǎng)的近紅外線。濾波后的光線由光電元件變換成電信號(hào)，從而求出不同波長(zhǎng)下的反射強(qiáng)度，再依據(jù)事先建立的多元回歸糖度計(jì)計(jì)算模型（標(biāo)定線）由反射強(qiáng)度推算出糖度。
不完全遮光式透過光測(cè)定法測(cè)試原理如圖4 所示。近紅外線A 照射在果實(shí)表面上，透過果實(shí)內(nèi)部的擴(kuò)散光B 由設(shè)置在另一側(cè)的感光傳感器檢測(cè)。該方法是反射式的改進(jìn)，由于照射光和感光傳感器設(shè)置在果實(shí)的兩側(cè)，減少了表面反射光對(duì)感光傳感器的影響。工作時(shí)，照射光連續(xù)定常照射，位于光軸上的感光傳感器用電子快門控制，僅當(dāng)果實(shí)在適當(dāng)位置時(shí)才檢測(cè)。前部設(shè)置有果徑檢測(cè)傳感器，果實(shí)經(jīng)過其間時(shí)遮斷光源，根據(jù)前部開始遮光和后部結(jié)束遮光的時(shí)間差求出果徑，并判斷出果實(shí)的中心，計(jì)算機(jī)以該中心位置為基準(zhǔn)，確定開始、結(jié)束測(cè)定時(shí)刻，在該時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行數(shù)次頻譜測(cè)定，然后用平均值進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)分析。
完全遮光式透過光測(cè)定法測(cè)試原理如圖5 所示，兩組呈水平圓弧狀排列的光源位于輸送裝置的上方，且對(duì)稱排列在輸送裝置的兩側(cè)，水果由人工放在輸送裝置的果斗上。果斗中部有垂直通孔，與水果接觸的表面內(nèi)側(cè)為海綿材料，可使水果表面與果斗緊密貼合；透過光測(cè)定部分位于輸送裝置的下方。水果隨輸送裝置運(yùn)動(dòng)到測(cè)定裝置時(shí)，水果周圍呈圓弧狀排列的光線均勻地照射在水果表面，透過水果內(nèi)部的透過光，經(jīng)果斗中部通孔由感光傳感器檢測(cè)。
4 聲學(xué)特性分析法
水果的聲學(xué)特性是指水果在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰減系數(shù)和傳播速度及其本身的聲阻抗與固有頻率等，它們反映了聲波與水果相互作用的基本規(guī)律，故根據(jù)水果的聲學(xué)特性即可判斷水果的品質(zhì)。Stone ML 利用聲脈沖阻抗技術(shù)對(duì)田間西瓜成熟度進(jìn)行無損測(cè)定，并對(duì)脈沖反應(yīng)的頻率范圍參數(shù)和單個(gè)西瓜的糖分、果肉顏色、硬度和質(zhì)量進(jìn)行了比較。Duprat F 等人把聲波脈沖響應(yīng)技術(shù)檢測(cè)了生長(zhǎng)中的梨在收獲前后硬度的變化，建立了梨硬度變換的一級(jí)模型。Mizrath 等人把超聲波技術(shù)應(yīng)用于鱷梨的無損品質(zhì)檢測(cè)中，并在超聲波參數(shù)和鱷梨的成熟度之間建立了關(guān)系，還用超聲波對(duì)芒果進(jìn)行非破壞性試驗(yàn)，將超聲波的探針與果皮接觸，測(cè)量芒果果肉中超聲波的衰減，建立了超聲波衰減與硬度值及生理學(xué)指標(biāo)之間的方程。
5 水果無損檢測(cè)的應(yīng)用前景探討
我國(guó)是水果生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，但人均占有量仍處于一個(gè)較低的水平。隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)水果的需求量在日益加大，對(duì)水果的品質(zhì)也提出了更高的要求，人們選擇水果也逐漸從以往的菜市場(chǎng)、街頭小販轉(zhuǎn)移到大超市，未進(jìn)行良好包裝、分級(jí)的水果已很難登上超市的大雅之堂獲得較高的售價(jià)，因此水果的分級(jí)是市場(chǎng)發(fā)展的必然要求。但傳統(tǒng)的人工分級(jí)除了工效低外，還受操作者人為因素的影響，分級(jí)難以做到規(guī)范準(zhǔn)確，而且分級(jí)的依據(jù)只能是水果的外觀，對(duì)水果內(nèi)部損傷和內(nèi)部質(zhì)量指標(biāo)無法進(jìn)行識(shí)別，實(shí)際上沒有達(dá)到分級(jí)的根本意義—分級(jí)應(yīng)該首先是從水果內(nèi)部品質(zhì)考慮。化學(xué)分析法的缺陷也是非常明顯的，它除了效率低和過程復(fù)雜外，還代價(jià)高昂，因此它只能更具實(shí)驗(yàn)室意義而非商業(yè)上的廣泛應(yīng)用。既然這兩個(gè)方法都不適宜，而水果又必須分級(jí)，我們可以預(yù)料在不久的將來，水果的無損檢測(cè)技術(shù)一定能得到廣泛應(yīng)用。
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