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無損檢測技術在水果品質測定中的應用

來源：本站　類別：技術文章　更新時間：2014-01-03　閱讀次

水果品質的主要評定指標通常包括糖度、酸度、成熟度、新鮮度、硬度等多種理化指標。傳統的水果品質評定方法主要是化學分析法，需要耗費相當的化學試劑，測試分析過程煩瑣，速度慢，通常用測定少量的樣本來代替批次水果的品質，而且測試時必須破壞水果，在水果品質分級中實際意義不大。近年來興起的無損檢測法，依據水果物理力學、光學、電學、生物學特性，在不破壞水果本身鄧干然( 中國熱帶農業科學院農業機械研究所)時測定了水果的相關理化指標，不需要化學試劑和煩瑣的分析過程，方法簡單、快捷，測試數據準確性高，有利于實現果品內部品質的在線分級控制，因此有廣泛的應用前景。水果品質的無損檢測法在國內外均有相當的研究，有的已得到商業應用。本文將介紹電特性測試法、動態特性測試法、近紅外線測試法、聲學特性分析法等幾種水果無損檢測法的測試原理。推薦使用儀器：測土儀。

1 電特性測試法

水果的生物組織內部存在大量帶電粒子形成的生物電場，水果在生長成熟、受損及腐敗變質過程中的生物化學反應將伴隨物質和能量的轉換，導致生物組織內各類化學物質所帶電荷量及電荷的空間分布的變化。生物電場的分布和強度，從宏觀上影響水果的電特性。Thompson 等人研究了300～900 MHz 頻段內蘋果電特性的變化規律，發現蘋果電特性與其成熟度密切相關。Mclendon 等人發現在0.5～5 kHz頻段內梨的介電常數和損耗角正切隨頻率增長而呈減小趨勢。但隨著梨的逐漸成熟，兩者均逐漸增大。Nelson 等人在0.2～20 GHz 頻段內對多種水果進行了研究，結果表明所測試的水果的介電常數隨頻率的增加均穩定減小。加藤宏郎在10 Hz～13 MHz 頻段內對比分析了損壞水果與正常水果在電特性方面的差異，結果表明損壞水果的串、并聯等效電阻及阻抗在該頻段內低于正常水果，而串聯等效電容及損耗因數值則比正常水果大，串聯等效電阻與水果的新鮮度或成熟度相關。

水果內部品質與宏觀電特性的關系如下：水果電特性的檢測方法有切片、突刺、接觸和非接觸等方法，前二種屬于有損檢測，后二種將被測水果直接放入平板電極間測定其電特性參數，屬于無損檢測。

水果電特性參數無損檢測的電路原理見圖1 。在給定的測量頻率ω下，將被測水果置于平行電極之間作為電容器的內部介質，正弦波發生器輸出的驅動電流I 流過由校準電阻R0和被檢測水果作為介質的電容器構成的串聯電路，通過2 個具有相同增益K的差分放大器的輸出電壓E1和E2，通過簡單的代數運算，得到水果的復阻抗為

式中：ω為角頻率, ω =2 π f ；f 為電場頻率；R s ，C s 為水果的串聯等效電阻和電容。只要計算出E1、E2之比的實部和虛部，即可求出串聯等效電阻和串聯等效電容，進而求出并聯等效電阻、并聯等效電容和復介電常數。這種測量方法與外界溫度和水果的外形尺寸有重要關系。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，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，水果尺寸直接影響到電極間介質填充量。

水果內部品質與水果電特性參數之間的關系：在水果腐爛或有損傷時，相對介電常數將會明顯上升，原因是水果腐爛后，細胞膜往往破損，離子通透性增加，等效阻抗減小，同時膠體結合水變成自由水，自由水的介電常數遠遠大于結合水，導致電容和相對介電常數增大；隨著水果新鮮度的下降，它的自由水隨呼吸作用消耗，有機酸及原果膠的含量逐漸減少，會導致相對介電常數減小，等效阻抗則趨于增大。

2 動態特性測試法

在不同預加載荷、激振功率、成熟程度等條件下，測定動態試驗的彈性模量和相位角。測試原理是正弦交變應力- 應變動態試驗作軸向加載時，正弦力由正弦波發生器經過放大器后，由電動式振蕩器產生，一個壓電加速度傳感器固定到振蕩器軸上，樣品夾在兩個圓盤之間，一個圓盤連接到振動器上，另一個經動態力傳感器連接到剛性支撐之間，以測定靜態預載荷，加速度和力傳感器的信號經放大，通過水平和垂直通道輸入存儲示波器，通過調節功率放大器改變激振功率（測定輸入激振器的功率獲得激振功率），見圖2 。

實驗時取果實對稱二側施加一定的預載荷/ 預載荷上下波動為+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并存儲，在一定頻率的同批次實驗結束后，在示波器上讀取平均值和標準差值。

3 近紅外線測試法

近紅外線波長為800～2 500 nm，近紅外線照射在果實上，果實中構成糖和酸的官能基（-OH，-CH2，- N H ）吸收與相應分子固有振動相一致的特定光線，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糖、酸、水分和葉綠素等成分的一種技術。該方法僅在建立標定線時破壞果實測定其化學成分，標定線作成后，只需測定樣品的近紅外線分光頻譜，就可得到成分的預測值，還能在瞬間同時測定多個成分。

在線近紅外線內部品質檢測技術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。反射光式測定法是將近紅外線照射在果實赤道附近部位，并測定經內部擴散之后由果實表面反射光線的一種方法，檢測原理如圖3 所示。輸送裝置將果實輸送到糖度檢測裝置處，照射在果實上的近紅外光線經果實反射后，由集光器聚集，然后經過分光器（濾波器），僅取出一實波長的近紅外線。濾波后的光線由光電元件變換成電信號，從而求出不同波長下的反射強度，再依據事先建立的多元回歸糖度計計算模型（標定線）由反射強度推算出糖度。

不完全遮光式透過光測定法測試原理如圖4 所示。近紅外線A 照射在果實表面上，透過果實內部的擴散光B 由設置在另一側的感光傳感器檢測。該方法是反射式的改進，由于照射光和感光傳感器設置在果實的兩側，減少了表面反射光對感光傳感器的影響。工作時，照射光連續定常照射，位于光軸上的感光傳感器用電子快門控制，僅當果實在適當位置時才檢測。前部設置有果徑檢測傳感器，果實經過其間時遮斷光源，根據前部開始遮光和后部結束遮光的時間差求出果徑，并判斷出果實的中心，計算機以該中心位置為基準，確定開始、結束測定時刻，在該時間間隔內進行數次頻譜測定，然后用平均值進行內部品質分析。

完全遮光式透過光測定法測試原理如圖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，且對稱排列在輸送裝置的兩側，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側為海綿材料，可使水果表面與果斗緊密貼合；透過光測定部分位于輸送裝置的下方。水果隨輸送裝置運動到測定裝置時，水果周圍呈圓弧狀排列的光線均勻地照射在水果表面，透過水果內部的透過光，經果斗中部通孔由感光傳感器檢測。

4 聲學特性分析法

水果的聲學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律，故根據水果的聲學特性即可判斷水果的品質。Stone ML 利用聲脈沖阻抗技術對田間西瓜成熟度進行無損測定，并對脈沖反應的頻率范圍參數和單個西瓜的糖分、果肉顏色、硬度和質量進行了比較。Duprat F 等人把聲波脈沖響應技術檢測了生長中的梨在收獲前后硬度的變化，建立了梨硬度變換的一級模型。Mizrath 等人把超聲波技術應用于鱷梨的無損品質檢測中，并在超聲波參數和鱷梨的成熟度之間建立了關系，還用超聲波對芒果進行非破壞性試驗，將超聲波的探針與果皮接觸，測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指標之間的方程。

5 水果無損檢測的應用前景探討

我國是水果生產和消費大國，但人均占有量仍處于一個較低的水平。隨著人民生活水平的不斷提高，對水果的需求量在日益加大，對水果的品質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、街頭小販轉移到大超市，未進行良好包裝、分級的水果已很難登上超市的大雅之堂獲得較高的售價，因此水果的分級是市場發展的必然要求。但傳統的人工分級除了工效低外，還受操作者人為因素的影響，分級難以做到規范準確，而且分級的依據只能是水果的外觀，對水果內部損傷和內部質量指標無法進行識別，實際上沒有達到分級的根本意義—分級應該首先是從水果內部品質考慮�；瘜W分析法的缺陷也是非常明顯的，它除了效率低和過程復雜外，還代價高昂，因此它只能更具實驗室意義而非商業上的廣泛應用。既然這兩個方法都不適宜，而水果又必須分級，我們可以預料在不久的將來，水果的無損檢測技術一定能得到廣泛應用。