水果分级检测技术研究现状分析

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  【摘要】 水果分级是农产品采后商品化处理的重要措施之一。水果分级检测技术是水果分级处理质量的主要方面,包括水果外部品质检测技术和内部品质检测技术。本文综述了国内外在水果分级检测技术方面的研究进展。
  【关键词】 水果;分级;检测技术
  【中图分类号】:G257.39【文献标识码】:C 【文章编号】:1009-9646(2008)04-0200-02
  
  目前国内外研究比较多的是农产品的品质检测。在水果品质检测方面,国外除了进行外部品质(如大小、形状、颜色、表面缺陷等)检测外,还进行其内部品质的无损检测,有些检测项目已经商品化,且能达到实时速度。在国内,水果的品质检测研究从90年代才开始,仅停留在外部的品质检测上,且远没达到实时检测分级的水平。我国水果的生产在整个农产品的生产中占有很大的比例,是重要的外貿出口产品。但由于产后处理不够,使得外销水果的品质难以保证,在国际市场上缺乏竞争力。其原因首先是检测与分选的手段落后。在我国,水果分级基本上仍由人工完成。人工分级的缺点主要有:劳动量大,生产率低,分级标准难以实现,分级精度不稳定。因为在水果分级标准中,着色面积和缺陷面积的度量,仅凭人的视觉难以精确区分,而且使人长时间用眼,会造成疲劳及情绪的不稳定,从而造成分级误差的波动。其次,水果的内部品质缺乏检测手段,使水果的内外品质无法保证。因此,研究和开发水果自动实时分级系统,选出高质量的水果,为国家创取外汇,在我国具有重要的经济价值和广阔的应用前景。
  水果实时分级系统主要功能是水果外部品质和内部品质的自动检测。水果的外部品质检测的项目有大小、形状、颜色、表面缺陷等,内部品质无损检测的项目为水果的硬度、糖含量、酸度、口味及某些内部缺陷等。
  
  1 分级的目的和意义
  
  分级是提高商品质量和实现产品商品化的重要手段,并便于产品的包装和运输。产品收获后将大小不一、色泽不均、感染病毒或受到机械损伤的产品按照不同销售市场所要求的分级标准进行大小或品质分级。产品经过分级
  后,商品质量大大提高,减少了贮运过程中的损失,并便于包装、运输及市场的规范化管理。
  
  2 分级的要求
  
  分级内容一般分为等级和大小两项,涉及多项物理指标和化学指标。所谓等级分级是指诸如优、良、中、合格、等外等几个规格,评价指标有外观的颜色、光泽,内部的糖度、酸度、果肉软硬度、有无外部损伤、内部缺陷、奇形怪状等;大小分级是指诸如超大、大大、大、中、小、小小、过小等多个规格,评价指标包括直径、长短、粗细、轻重等。
  
  3 分级标准
  
  在国外,等级标准分为国际标准、国家标准、协会标准和企业标准。在我国,以《标准化法》为依据,将标准分为四级:国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。国家标准是由国家标准化主管机构批准颁布,在全国范围内统一使用的标准。行业标准又称专业标准、部标准,是在无国家标准情况下由主管机构或专业标准化组织批准发布,并在某一行业范围内统一使用的标准。地方标准则是在上面两种标准都不存在的情况下,由地方制定,批准发布,在本行政区域范围内统一使用的标准。企业标准由企业制定发布,在本企业内统一使用。美国农产品的等级标准由美国农业部(USDA)和食品安全卫生署(FSQS)制定。目前美国对农产品的正式分级标准为:特级——质量最上乘的产品;一级——为主要贸易级,大部分产品属于此范围;二级——产品介于一级和三级之间,质量明显优于三级;三级——产品在正常条件下包装,是可销售的质量最次的产品。
  
  4 分级方法
  
  农产品由于供食用的部分不同,成熟标准不一致,所以没有固定的规格标准。在许多国家果蔬的分级通常是根据坚实度、清洁度、大小、重量、颜色、形状、成熟度、新鲜度,以及病虫感染和机械损伤等多方面考虑。我国一般是在形状、新鲜度、颜色、品质、病虫害和机械伤等方面已经符合要求的基础上,按大小进行分级。
  
  5 分级的自动化检测技术
  
  分级技术包括上线、清洗、涂蜡、干燥、分级、装箱等多项流水作业程序,其中分级既是核心又是近年来发展最快、现代化技术应用最多的部分。传统的机械式、电子式分级流程先是由人工进行等级分级,后由数台相同的机械电子设备分别自动完成大小分级,分级过程为半自动化。而现代计算机图像处理式取代了人工分级,可不分先后地进行等级和大小的同时自动分级,大大提高了工作效率。全自动图像处理式分级系统一般由445摄像机、无损伤检测装置、传送带、计算机、电器控制系统等组成。在水果分级过程中,水果位于传送带上,445摄像机配置在传送带的上方及周边,在传送带的两侧安装有无损伤检测装置。当水果通过445摄像机时,水果的颜色、大小、形状、表面损伤等情况均被记录下来,通过这些信息的计算机处理即可完成一般分级作业。若想进一步了解内部质量情况,可通过无损伤检测装置测定糖度和酸度等指标。
  5.1 水果外部品质的自动检测。水果分级形式包括有以果实大小分级、果实重量分级、果实色泽分级和既按大小又按色泽进行分级几大类。分级工程目前以果实大小分级为主。其方法主要有两类,一是称重法,即果实在分级机的称量盘上自动测量重量,数据反馈到中央控制系统,再由该系统发出指令,把该果实送到指定容器中,完成一定重量范围内果实的分选,这需要依据计量学、电子学和控制论等理论设计合适的处理速率,以提高分级效率;二是筛漏法,特别适用于体积小、质地脆硬的果实,整套设备需要由2个或2个以上圆桶(不带底和盖)悬空横躺相连排列,与水平线有一定的倾角,每个桶壁都带有大小一样、排列紧密的圆孔,但各个桶内的圆孔大小不一,从上到下,桶的圆孔顺次增大,对应每个圆桶的地面各放有盛料箱。果实由提升机送入最高的圆桶内,圆桶由电动机带动旋转,果实随圆桶的旋转而在圆桶内滚动,直径小于桶壁圆孔的果实被漏出,落入地面放置的盛料箱内。由于圆桶是倾斜放置的,随着圆桶的转动,圆桶内果实由高向低,落入下一个圆桶中。如此重复,不同大小的果实被分别筛分出来,落入地面放置的盛料箱内,直接从旋转的圆桶滚落出来的是最大的果实。这些需要依据力学、运动学、碰撞力学、材料力学等理论设计合适的转动速率和盛料箱结构,以减少果实在转动过程中和落入盛料箱的瞬间造成的机械伤害。以果实色泽分级的基本原理是,将果实输送至电子发光点前,反射光被测定波长的光电管接受,不同波长的反射光代表了果实的不同颜色,根据波长的测定结果,系统决定了该果实前进的方向,完成了按色泽分级的过程。这一系统利用了光学、电子学、机械学等理论。
  5.2 水果内部品质的自动检测。内部品质包括水果的糖度、酸度和缺陷等指标。众多情况,水果的成熟程度可以用水果的颜色间接地代表,但表示成熟度的根本是水果内部的糖度、酸度、果肉软硬度程度等指标。糖酸度的破坏性检测技术早已被人们掌握,而无损伤检测是近年来发展起来的高科技技术。
  5.2.1 水果无损伤检测概念及原理。无损伤检测又称非破坏检测,即在不破坏样品的情况下对其进行内部品质评价(包括糖度、酸度、硬度、内部病变等)的方法。无损伤检测是随着高科技发展应运而生的一门新技术,该技术不同于传统的化学分析方法,它主要运用物理学的方法如光学、电学、声学等手段对物料进行分析,并不对样品产生破坏,在获取样品信息的同时保证了样品的完整性。而且该方法检测速度较传统的化学方法迅速,又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。由于其具有这些特点,所以它对水果采后加工尤其是苹果分级应用价值很大,目前国外应用已相对成熟,而国内尚处于起步阶段。
  無损伤检测的原理可分为两种,一种是在水果外部发出一种能量,从水果对能量的输入与输出变化中得到水果相关的理化特性;另一种是通过对水果本身的化学发光或红外线放射的能量等来测定水果的质量。目前日本主要使用按前者原理设计制造的检测仪器。
  5.2.2 水果无损伤检测技术。水果内部品质无损伤检测反映水果内部品质的主要指标有硬度、糖含量、酸度、口味及内部缺陷等。
  5.2.2.1 水果的硬度检测。水果的硬度可间接反映水果的成熟度、运输中的抗损坏性、贮藏期等。检测的方法主要有变形法和声学法。变形法就是在一定时间内给水果施加一定的动态力或冲击力,然后根据测得的变形量确定水果的硬度。如Schmilovitch等(1995)研制成功了枣子硬度自动检测系统,其原理是把枣子放在两平板之间,在上面板施加5-8N的动态力,根据所测变形量的大小把枣子分成4个硬度等级。Delwiche(1991)利用冲击法研制了苹果硬度自动检测系统,发现冲击力会造成苹果表面的轻微损伤。变形法只能测量水果表面的局部硬度。实际上,水果表面硬度变化较大,故限制了变形法的应用。声学法包括声波脉冲响应法和超声波法,声波脉冲响应(20-l1500Hz)就是利用一麦克风测量受轻微敲击水果的声波强度,由此确定水果的硬度。Armstrong等(1993)试验研究了所测声波强度与水果硬度的关系,发现二者有很好的相关关系。此法的优点是简单、无损,且能反映水果的整体硬度,缺点是必须注意周围噪声的绝缘及机械振动的消除,此外水果形状也影响测量精度。超声波(>20000Hz)法是根据超声波在水果等介质中传播时,能量衰减系数的大小来确定水果硬度。但由于水果内部含有较多气隙且各向异性,故超声波很难穿透整个水果。
  5.2.2.2 糖含量、酸度、口味的自动检测。糖含量、酸度比较有潜力的检测方法是近红外法(NIR)和磁共振法(MR)。近红外法又分为穿透法、反射法和部分穿透法。穿透法对水果不适应,反射法一般用于水果表面特征的检测,因此常用的方法是部分穿透法。884nm和834nm测得量的比值已用于桃子、苹果(Slaughter1995)糖含量的自动测定。S1aughter等(1996)对西红柿在400-1100nm的光谱范围内进行部分穿透性测量试验,结果表明:800-1000nm范围的信息对糖含量的确定最有用,测得的相关系数r=0.92,但酸度测量比较困难。Mizrach(1997)利用超声波法试验研究了超声波衰减系数和芒果硬度、糖含量、酸度的关系,但其超声波测量探头必须与果面接触,故限制了在线的应用。因此,利用近红外多光谱技术测定水果内部糖含量及其他成分是很有前途的。为达到实时应用的目的,应进一步确定最合适的一两个波段并与计算机视觉技术相结合。磁共振及磁共振成像(MRI)技术也是测定水果内部成分的有效方法,其依据是物质内部的某些原子核(H、C、P等)在外部磁场作用下,可与射频区域的电磁波辐射相互作用。Chen等(1996)利用此法对鳄梨的成熟度和鲜杏梅的糖含量进行了一些研究,得到了较好的结果。此法的主要缺点是设备昂贵。与水果的口味相关的化学成分主要是可挥发性芳香化合物,当水果成熟时,就会在周围空气中散发这种挥发性芳香气体,Benady等(1995)研制的电子传感器可以测量这种气体的浓度。
  
  6 结语
  
  果品的内在品质是果品分级的重要依据,而内在品质检测技术的研究还处于初级阶段,且无损检测技术多是就一
  种产品某一单项项目进行检测的,在对果品的多种内在品质的综合检测方面,研究的较少。因此,应当利用多种检测手段对果品的综合品质进行检测,以达到综合准确评定各项性能的目的。由于内部品质检测的方法比较复杂,所需的设备成本较高,用于实际检测中的还很少。因此,简单、快捷、准确的综合检测方法应当是今后研究的重点。同时,应尽快把新技术应用于果品的加工处理中,只有这样,才能提高我国果品在国际市场上的竞争能力,产生一定的社会效益和经济效益。
  此外,我国国情与外国不同。劳动力资源丰富,国民收入低,对质优价高水果虽有一定的需求,但多数还是以廉价为主。因此,我国对水果分级技术的研究、引进应根据国情有选择地进行。例如陕西的苹果,已经从国外引进了分级设备与技术,以利更好地出口创汇。其次,整套全自动化分级设备涉及多种单元操作,人工可以完成的操作,如搬运、装箱等,不一定要用机械设备,应充分发挥廉价劳动力的作用,这样既能保证水果的分级质量,又能降低成本,解决劳动力就业问题。有些人工不能代替的工作,如内部的糖度、内部缺陷、质量综合评价等,这方面的技术和设备可适当引进,当然国内的科研也应侧重这方面,这样可以快速提高我国水果分级技术的发展。
  
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  收稿日期:2008-3-30
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