無損檢測技術在農產品品質檢測方面的應用

孔 靜 謝 鳴

[摘要]我國是果品產量大國,從1993年開始,我國果品產量已經躍居世界首位。本文介紹了目前國內外主要的幾種無損檢測的方法,根據果蔬的物理特性對果蔬進行評定和分級,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。

[關鍵詞]無損檢測農產品 分級

引言

自1993年開始,我國果品總產量超過印度、巴西和美國,躍居世界首位。因此,水果的品質分析就顯得更加重要。水果品質檢測主要包括硬度、糖度、酸度等多種指標檢測,傳統的檢測方法主要采用的是化學方法,測量過程復雜,等待時間長,也就降低了其實際的使用意義。無損檢測技術(Nondestructive Determination Techonol ogies,簡稱NDT)主要指的是在不破壞或損壞被檢測對象的基礎上,利用農產品內部結構異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應的變化,來探測各種農產品等內部和表面缺陷,并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價。

一、農產品無損檢測技術介紹

(一)核磁共振技術

核磁共振技術(NMR)是一種探測濃縮氫質子的技術,它對農產品中的水、脂的混合團料狀態下的響應變化比較敏感。自1946年美國科學家F.Bloch和E.M.Purcell發現了核磁共振現象以來,核磁共振技術在研究物質的結構方面得到了廣泛應用。核磁共振能生成果實內部組織的高清晰圖像,不僅可用于檢測果品的壓傷、蟲害、成熟度,在測定蘋果、香蕉的糖度等方面也具有潛在價值。對于采收成熟度直接影響品質的品種,利用核磁共振技術可大大提高收獲、運輸的可靠性。目前,該項技術真正用于果品的內部檢測和質量評價還有很多問題有待研究,但由于其卓越的優點,將會是一種很好的果品無損檢測方法。

(二)聲學特征的應用

聲學特性反映的是聲波和農產品相互作用的基本規律,利用聲學特性主要是指根據農產品在聲波作用下反射特性、散射特性、吸收特性、衰減系數和聲波傳播速度及本身聲阻抗、固有頻率等的變化與農產品內部組織變化如結構、成分、物理狀態等物化特性信息間的關系進行。用于檢測的超聲波一般為低能超聲波,在被檢測物中傳播時不會引起其物理或化學特性的變化。低能超聲測量中最常用的3個參數為:聲速、聲衰減系數、聲阻抗。聲學無損檢測技術與光學、電學及其他無損檢測技術相比,有適應性強、投資較低、操作簡便快捷等優點,適用于在線檢測,在農產品檢測領域的應用前景良好。

利用農產品聲學特性對其內部品質進行無損檢測和分級是生物學、聲學、農業物料學、電子學、計算機等學科在農產品生產和加工中的綜合應用,該技術適應性強,檢測靈敏度高,對人體無害,成本低廉,易實現自動化,是果品無損檢測技術發展的重點領域。雖然國外學者對此技術已做了較多基礎研究,但這些研究基本上是研究農產品聲學特性共振頻率、反射折射透射特性、吸收特性、衰減特性、傳播速度、聲阻抗等中的某一特性與農產品某一品質指標的關系,而對多種聲學特性對農產品某一內部品質指標或多種內部品質指標的綜合影響的研究報道很少,阻礙了聲學檢測精度的提高。

(三)近紅外分析法的應用

近紅外光譜分析技術(Near Infrared Spectroscopy Analysis,簡稱NIR)是利用樣品中有代表性的有機成分在近紅外光譜區域的最強吸收波長不同,以及吸收的強度與有機成分呈線性關系的原理進行定量分析。通過對已知有機成分含量的樣品與其近紅外光譜特征的回歸分析,建立定標方程,即可對含有同一種有機成分的樣品進行定量估測。

近紅外線波長為800～2500 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,-NH)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,標定線做成后,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。

(四)X射線檢測技術的應用

X射線檢測技術是指利用X射線的穿透能力對果蔬品質進行檢測的一種方法。X射線具有很好的穿透能力,而物質的密度大小又影響了其穿透量的多少,通過對透過穿透量多少的分析從而可以對物質的內部品質進行分析。檢測時所需的X射線強度弱,所以通常稱為軟X射線檢測技術。X射線檢測技術本來是為檢測一些不易拆卸分解的大型構件或機械零件的內部缺陷而開發應用的,近來已被成功地移植到農產品加工領域。

(五)機器視覺技術的應用

20世紀70年代開始,計算機視覺技術開始被應用到工業和農業之中,主要進行的是植物種類的鑒別、農產品品質檢測和分級。由于圖像處理技術專業的出現以及計算機成本的降低,機器視覺技術在農產品品質檢測與分級領域的應用中越來越具有吸引力。

計算機視覺是以計算機和圖像獲取部分為工具,以圖像處理技術、圖像分析技術、模式識別技術、人工智能技術為依托,處理所獲取的圖像信號,并從圖像中獲取某些特定信息。計算機視覺技術無需接觸特定對象便可從獲取的圖像中得到大量的信息,通過對這些信息的分析得到物體尺寸、表面缺陷、外觀形狀、表面色度等具體信息,進而實現外觀質量的綜合評價。

現在,用于農產品品質檢測與分級的可見光快速檢測主要是基于計算機視覺的檢測技術,利用光學傳感器或掃描攝像機攝像,綜合測出果品的表面顏色、對特定光的透光率、形狀和大小,并與事先貯存在計算機中的數據模型進行對比,推算出成熟度和糖分。

(六)電子鼻技術的應用

電子鼻技術是近年來興起的一種農產品無損檢測的方法,電子鼻一般由氣敏傳感器陣列、信號處理子系統和模式識別子系統等3大部分組成。它以特定的傳感器和模式識別系統快速提供被測樣品的整體信息,從而指示樣品的隱含特征。與普通的化學分析儀器,如色譜儀、光譜儀等不同,電子鼻得到的不是被測樣品中某種或某幾種成分的定性與定量結果,而是給予樣品中揮發性成分的整體信息,也稱“指紋”數據。

由于在同一個儀器裝置里采用了多類不同的矩陣技術,使檢測更能模擬人類嗅覺神經細胞,根據氣味標識和利用化學計量統計學軟件對不同氣味進行快速鑒別。在建立數據庫的基礎上,對每一樣品進行數據計算和識別,可得到樣品的“氣味指紋圖”和“氣味標記”。

二、無損檢測技術的應用前景

無損檢測技術作為一種新興的檢測技術,在不破壞果蔬品質的基礎上,對果蔬的品質進行檢測和分級,利用光學、電學以及電腦信息技術等的先進技術對果蔬的品質進行準確、快速的檢測。隨著我國人民生活水平的提高,我們對新鮮果蔬的品質要求也越來越高,無損檢測技術適合加工高效率、大規模的要求,因此,這種檢測方法必將在未來的農產品檢測和分級中得到廣泛的應用。

參考文獻

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