无损检测技术在水果品质测定中的应用
来源： 本站 类别：实用技术 更新时间：2010-06-17 阅读次
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水果品质的主要评定指标通常包括糖度、酸度、成熟度、新鲜度、硬度等多种理化指标。传统的水果品质评定方法主要是化学分析法，需要耗费相当的化学试剂，测试分析过程烦琐，速度慢，通常用测定少量的样本来代替批次水果的品质，而且测试时必须破坏水果，在水果品质分级中实际意义不大。近年来兴起的无损检测法，依据水果物理力学、光学、电学、生物学特性，在不破坏水果本身邓干然( 中国热带农业科学院农业机械研究所)时测定了水果的相关理化指标，不需要化学试剂和烦琐的分析过程，方法简单、快捷，测试数据准确性高，有利于实现果品内部品质的在线分级控制，因此有广泛的应用前景。水果品质的无损检测法在国内外均有相当的研究，有的已得到商业应用。本文将介绍电特性测试法、动态特性测试法、近红外线测试法、声学特性分析法等几种水果无损检测法的测试原理
推荐使用仪器：叶绿素计、SPAD502叶绿素仪。
1 电特性测试法
水果的生物组织内部存在大量带电粒子形成的生物电场，水果在生长成熟、受损及腐败变质过程中的生物化学反应将伴随物质和能量的转换，导致生物组织内各类化学物质所带电荷量及电荷的空间分布的变化。生物电场的分布和强度，从宏观上影响水果的电特性。Thompson 等人研究了300～900 MHz 频段内苹果电特性的变化规律，发现苹果电特性与其成熟度密切相关。Mclendon 等人发现在0.5～5 kHz频段内梨的介电常数和损耗角正切随频率增长而呈减小趋势。但随着梨的逐渐成熟，两者均逐渐增大。Nelson 等人在0.2～20 GHz 频段内对多种水果进行了研究，结果表明所测试的水果的介电常数随频率的增加均稳定减小。加藤宏郎在10 Hz～13 MHz 频段内对比分析了损坏水果与正常水果在电特性方面的差异，结果表明损坏水果的串、并联等效电阻及阻抗在该频段内低于正常水果，而串联等效电容及损耗因数值则比正常水果大，串联等效电阻与水果的新鲜度或成熟度相关。
水果内部品质与宏观电特性的关系如下：水果电特性的检测方法有切片、突刺、接触和非接触等方法，前二种属于有损检测，后二种将被测水果直接放入平板电极间测定其电特性参数，属于无损检测。
水果电特性参数无损检测的电路原理见图1 。在给定的测量频率ω下，将被测水果置于平行电极之间作为电容器的内部介质，正弦波发生器输出的驱动电流I 流过由校准电阻R0和被检测水果作为介质的电容器构成的串联电路，通过2 个具有相同增益K的差分放大器的输出电压E1和E2，通过简单的代数运算，得到水果的复阻抗为
式中：ω为角频率, ω =2 π f ；f 为电场频率；R s ，C s 为水果的串联等效电阻和电容。只要计算出E1、E2之比的实部和虚部，即可求出串联等效电阻和串联等效电容，进而求出并联等效电阻、并联等效电容和复介电常数。这种测量方法与外界温度和水果的外形尺寸有重要关系。在低频段水果的电特性受温度的影响更大，随着温度的升高，阻抗将逐步减小，频率高于一定值时，温度的影响将变得很小; 一般说来，水果的尺寸越小，阻抗越大，在15 kHz 以下频段，阻抗值差别较大，这是由于电极间距不变时，水果尺寸直接影响到电极间介质填充量。
水果内部品质与水果电特性参数之间的关系：在水果腐烂或有损伤时，相对介电常数将会明显上升，原因是水果腐烂后，细胞膜往往破损，离子通透性增加，等效阻抗减小，同时胶体结合水变成自由水，自由水的介电常数远远大于结合水，导致电容和相对介电常数增大；随着水果新鲜度的下降，它的自由水随呼吸作用消耗，有机酸及原果胶的含量逐渐减少，会导致相对介电常数减小，等效阻抗则趋于增大。
2 动态特性测试法
在不同预加载荷、激振功率、成熟程度等条件下，测定动态试验的弹性模量和相位角。测试原理是正弦交变应力- 应变动态试验作轴向加载时，正弦力由正弦波发生器经过放大器后，由电动式振荡器产生，一个压电加速度传感器固定到振荡器轴上，样品夹在两个圆盘之间，一个圆盘连接到振动器上，另一个经动态力传感器连接到刚性支撑之间，以测定静态预载荷，加速度和力传感器的信号经放大，通过水平和垂直通道输入存储示波器，通过调节功率放大器改变激振功率（测定输入激振器的功率获得激振功率），见图2 。
实验时取果实对称二侧施加一定的预载荷/ 预载荷上下波动为+0.25 N，然后快速读取示波器显示的力，加速度和力与加速度间相位角等信号并存储，在一定频率的同批次实验结束后，在示波器上读取平均值和标准差值。
3 近红外线测试法
近红外线波长为800～2 500 nm，近红外线照射在果实上，果实中构成糖和酸的官能基（-OH，-CH2，- N H ）吸收与相应分子固有振动相一致的特定光线，近红外分光法就是利用上述特性，从被吸收的光量非破坏检测糖、酸、水分和叶绿素等成分的一种技术。该方法仅在建立标定线时破坏果实测定其化学成分，标定线作成后，只需测定样品的近红外线分光频谱，就可得到成分的预测值，还能在瞬间同时测定多个成分。
在线近红外线内部品质检测技术分为反射光式和透过光式，透过光式又分为不完全遮光式和完全遮光式。反射光式测定法是将近红外线照射在果实赤道附近部位，并测定经内部扩散之后由果实表面反射光线的一种方法，检测原理如图3 所示。输送装置将果实输送到糖度检测装置处，照射在果实上的近红外光线经果实反射后，由集光器聚集，然后经过分光器（滤波器），仅取出一实波长的近红外线。滤波后的光线由光电元件变换成电信号，从而求出不同波长下的反射强度，再依据事先建立的多元回归糖度计计算模型（标定线）由反射强度推算出糖度。
不完全遮光式透过光测定法测试原理如图4 所示。近红外线A 照射在果实表面上，透过果实内部的扩散光B 由设置在另一侧的感光传感器检测。该方法是反射式的改进，由于照射光和感光传感器设置在果实的两侧，减少了表面反射光对感光传感器的影响。工作时，照射光连续定常照射，位于光轴上的感光传感器用电子快门控制，仅当果实在适当位置时才检测。前部设置有果径检测传感器，果实经过其间时遮断光源，根据前部开始遮光和后部结束遮光的时间差求出果径，并判断出果实的中心，计算机以该中心位置为基准，确定开始、结束测定时刻，在该时间间隔内进行数次频谱测定，然后用平均值进行内部品质分析。
完全遮光式透过光测定法测试原理如图5 所示，两组呈水平圆弧状排列的光源位于输送装置的上方，且对称排列在输送装置的两侧，水果由人工放在输送装置的果斗上。果斗中部有垂直通孔，与水果接触的表面内侧为海绵材料，可使水果表面与果斗紧密贴合；透过光测定部分位于输送装置的下方。水果随输送装置运动到测定装置时，水果周围呈圆弧状排列的光线均匀地照射在水果表面，透过水果内部的透过光，经果斗中部通孔由感光传感器检测。
4 声学特性分析法
水果的声学特性是指水果在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等，它们反映了声波与水果相互作用的基本规律，故根据水果的声学特性即可判断水果的品质。Stone ML 利用声脉冲阻抗技术对田间西瓜成熟度进行无损测定，并对脉冲反应的频率范围参数和单个西瓜的糖分、果肉颜色、硬度和质量进行了比较。Duprat F 等人把声波脉冲响应技术检测了生长中的梨在收获前后硬度的变化，建立了梨硬度变换的一级模型。Mizrath 等人把超声波技术应用于鳄梨的无损品质检测中，并在超声波参数和鳄梨的成熟度之间建立了关系，还用超声波对芒果进行非破坏性试验，将超声波的探针与果皮接触，测量芒果果肉中超声波的衰减，建立了超声波衰减与硬度值及生理学指标之间的方程。
5 水果无损检测的应用前景探讨
我国是水果生产和消费大国，但人均占有量仍处于一个较低的水平。随着人民生活水平的不断提高，对水果的需求量在日益加大，对水果的品质也提出了更高的要求，人们选择水果也逐渐从以往的菜市场、街头小贩转移到大超市，未进行良好包装、分级的水果已很难登上超市的大雅之堂获得较高的售价，因此水果的分级是市场发展的必然要求。但传统的人工分级除了工效低外，还受操作者人为因素的影响，分级难以做到规范准确，而且分级的依据只能是水果的外观，对水果内部损伤和内部质量指标无法进行识别，实际上没有达到分级的根本意义—分级应该首先是从水果内部品质考虑。化学分析法的缺陷也是非常明显的，它除了效率低和过程复杂外，还代价高昂，因此它只能更具实验室意义而非商业上的广泛应用。既然这两个方法都不适宜，而水果又必须分级，我们可以预料在不久的将来，水果的无损检测技术一定能得到广泛应用。
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