采用低能量超聲技術(shù)對(duì)紅棗品質(zhì)無損檢測及分級(jí)研究

鄭文軒+楊瑛+孔德國+張紅美

摘要：對(duì)紅棗進(jìn)行無損檢測并分級(jí)有助于了解紅棗的品質(zhì)和提高其商品價(jià)值，通過找出紅棗品質(zhì)參數(shù)與聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)紅棗品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)并分級(jí)。結(jié)果表明，超聲波在紅棗中的傳播速度隨硬度和含水率的增大而增大，隨可溶性固形物含量和總含糖量的增加而減小；根據(jù)紅棗的含水率和總含糖量與超聲波聲速的關(guān)系，紅棗等級(jí)與超聲波聲速關(guān)系為超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至345 m/s之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s之間為三級(jí)果。

關(guān)鍵詞：紅棗；超聲技術(shù)；無損檢測；分級(jí)

中圖分類號(hào)： TS207.3；O657.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0204-02

收稿日期：2013-06-19

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)青年科技創(chuàng)新資金專項(xiàng)（編號(hào)：2012CB021）；塔里木大學(xué)校長基金（編號(hào)：TDZKSS201212）。

作者簡介：鄭文軒（1980—），男，河南內(nèi)鄉(xiāng)人，碩士，講師，主要從事超聲處理技術(shù)、功率超聲應(yīng)用等研究。E-mail：zwx8000200@163.com。

通信作者：楊瑛，副教授，主要從事超聲處理技術(shù)、功率超聲應(yīng)用、聲學(xué)與信息工程材料及功能器件的研究。E-mail：tdyyy@sohu.com。紅棗性溫味甘，營養(yǎng)十分豐富，不僅是人們喜愛的果品，也是一味滋補(bǔ)脾胃、養(yǎng)血安神、治病強(qiáng)身的良藥。民間有“天天吃紅棗，一生不顯老”的說法。紅棗品種間在果實(shí)大小、形態(tài)、顏色等方面存在較大差異。即使同一品種的棗果，由于棗的花期持續(xù)1～2個(gè)月，在大小、顏色、成熟度等方面，也會(huì)有很大差異。通過分級(jí)，可以使棗果等級(jí)分明，規(guī)格一致，達(dá)到商品的標(biāo)準(zhǔn)化。此外，分級(jí)后便于棗果包裝、銷售、運(yùn)輸和貯藏，提高經(jīng)濟(jì)效益。而且通過分級(jí)剔出的殘次果、病蟲果，可就地進(jìn)行加工處理，減少浪費(fèi)，有利于棗果的綜合利用。

超聲波無損檢測技術(shù)具有潔凈衛(wèi)生、成本低、無損傷、高效、檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在食品檢測、化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥臨床等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。早在20世紀(jì)40年代低能量超聲檢測技術(shù)就已應(yīng)用于食品工業(yè)領(lǐng)域。Clark研究發(fā)現(xiàn)聲波通過西瓜的衰減時(shí)間和西瓜的硬度密切相關(guān)，聲波的衰減時(shí)間隨著西瓜成熟度的增加而延長[1]，麻建國等將超聲波技術(shù)應(yīng)用在食品檢測中[2]；Armstrong等研究發(fā)現(xiàn)桃子的聲波響應(yīng)特性與其硬度具有較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0745[3-8]；陳介余等研制了利用西瓜的聲波響應(yīng)特性進(jìn)行無損檢測的裝置，該裝置可以對(duì)西瓜的內(nèi)部裂紋和成熟度等做出正確判斷[9]；丁英強(qiáng)用超聲波快速檢測牛奶成分[10]；張吟利用超聲波對(duì)畜禽骨密度進(jìn)行檢測，并設(shè)計(jì)了檢測系統(tǒng)[11]。低能量超聲檢測技術(shù)通過低能量超聲與食品物料之間的相互作用來判斷食品的物理化學(xué)性質(zhì)。眾多學(xué)者的大量研究結(jié)果為超聲無損檢測果品品質(zhì)研究奠定了重要基礎(chǔ)。

本試驗(yàn)以新疆干制駿棗為研究對(duì)象，根據(jù)紅棗采摘后硬度、固體可溶性物含量、總含糖量、含水率等理化參數(shù)，利用超聲技術(shù)開展新疆南疆紅棗快速無損檢測及分級(jí)方法研究，為紅棗內(nèi)部品質(zhì)因素檢測和分級(jí)提供新的方法和技術(shù)。

1材料與方法

1.1材料選擇

試驗(yàn)樣品選用新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)一師10團(tuán)精品紅棗種植基地的駿棗。全部原料均選吊干棗，摘果時(shí)將紅棗果蒂一同摘下，同時(shí)避免碰傷與刮傷。測試樣本為經(jīng)過初選過的果形飽滿、個(gè)大均勻、可食部分達(dá)到90%以上的棗果，剔除霉?fàn)€果、病果、蟲果。

1.2主要儀器

超聲波發(fā)生器，換能器，示波器，數(shù)據(jù)采集卡，聲速測定儀，計(jì)算機(jī)，溫度計(jì)，SD-302海爾冰柜，梅特勒EL204分析天平，多功能榨汁機(jī)，GY-4型果實(shí)硬度計(jì)，游標(biāo)卡尺和糖度計(jì)等。超聲波無損檢測系統(tǒng)簡圖見圖1。

超聲波無損測量系統(tǒng)由以下部分構(gòu)成：高功率-低頻率的超聲波脈沖發(fā)生-接收器，窄頻帶超聲波換能器、數(shù)據(jù)采集卡和分析系統(tǒng)。超聲波信號(hào)采集系統(tǒng)采用脈沖回波技術(shù)，使用距離可調(diào)的換能器發(fā)射和接收信號(hào)，接收的超聲信號(hào)經(jīng)整形放大和A/D轉(zhuǎn)換后以文本的形式存放于計(jì)算機(jī)，利用MATLAB軟件分析數(shù)據(jù)信號(hào)。

1.3測定指標(biāo)及方法

干棗原料洗凈晾干表面水分后，進(jìn)行裝袋、冷藏。試驗(yàn)時(shí)，將測試樣本隨機(jī)分成5組，每組20個(gè)，并將每一組紅棗樣本進(jìn)行編號(hào)（N1-N20）。先進(jìn)行超聲波聲速測定，然后采用破壞性試驗(yàn)測定紅棗的理化指標(biāo)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5835—2009 對(duì)干制紅棗等級(jí)進(jìn)行分級(jí)。

1.3.1硬度測定在每個(gè)果實(shí)胴體的赤道部位均勻地選擇5個(gè)點(diǎn)，將果實(shí)去皮后用GY-4型硬度計(jì)測果肉硬度，數(shù)據(jù)為多次測量的平均值。

1.3.2可溶性固形物含量的測定將測試過硬度的樣品用榨汁機(jī)榨汁，采用手持折光儀測清液的可溶性固形物含量，重復(fù)3次，取平均值。

1.3.3總含糖量按GB/T 10782—2006《蜜餞通則》中的方法測定總含糖量。

1.3.4含水率按GB/T 5009.3—2010《食品中水分的測定》中蒸餾法的規(guī)定測定含水率。

1.3.5超聲波聲速測定利用超聲波聲速測定儀測定聲速，v=l/t，其中v為超聲波聲速，l為兩個(gè)換能器之間的距離，t為脈沖信號(hào)傳遞的時(shí)間。

2結(jié)果與分析

2.1超聲波聲速與紅棗硬度之間的關(guān)系

超聲波聲速與紅棗硬度呈正相關(guān)，r2=0.846 4（圖2），隨著紅棗硬度的增加，超聲波聲速逐漸增大。紅棗在儲(chǔ)存過程中水分丟失，紅棗密度減小，硬度減小，聲波衰減增大，傳播速度減小。

2.2超聲波聲速與紅棗總含糖量之間的關(guān)系

圖3顯示，超聲波聲速與總含糖量相關(guān)（r2=0.832 3），聲波傳播速度隨總含糖量的增加而逐漸減小。endprint

2.3超聲波聲速與紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系

聲波傳播速度和紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系如圖4所示，隨著紅棗的可溶性固形物含量逐漸增大，聲波傳播的速度逐漸減小。超聲波聲速與可溶性固形物含量相關(guān)，r2=0.873 4。

2.4超聲波聲速與紅棗含水率的關(guān)系

紅棗含水率是紅棗品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖5顯示。隨著紅棗含水率的增加，聲波速度逐漸增大，r2=0.890 4。

2.5超聲波聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系

紅棗中的雜質(zhì)和損傷、病變果都已先剔除，紅棗等級(jí)以總含糖量和含水率為指標(biāo)對(duì)棗果進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5835—2009，紅棗含水率不高于25%，總含糖量≥70%為一級(jí)果，65%≤總含糖量<70%為二級(jí)果，60%≤總含糖量<65%為三級(jí)果。超聲聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系如圖6所示。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至345 m/s之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s之間為三級(jí)果。

3結(jié)論

紅棗的硬度、總含糖量、可溶性固形物含量和含水率是紅棗品質(zhì)的重要參數(shù)，通過超聲波無損檢測技術(shù)，利用超聲波在紅棗中的傳播速度間接得到各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而得知紅棗的內(nèi)部品質(zhì)并對(duì)紅棗等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，具有重要的研究意義。本研究結(jié)果表明，超聲波在紅棗中的傳播速度隨硬度的增大而增大；隨總含糖量的增加而減小；隨可溶性固形物含量的增加而減

小；隨含水率的增加而增大。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至 345 m/s 之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s為三級(jí)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Clark R L. An investigation of the acoustical properties of watermelon as related to maturity：ASAE Paper No.75-6004[R]. St. Joseph Ml：ASAE，1975.

[2]麻建國，周建軍. 超聲波技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè)，1998，24（5）：54-60.

[3]Sarkar N，Wolfe R R. Potential of ultrasonic measurements in food quality evaluation[J]. Trans of the ASAE，1983，26（2）：624-629.

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[7]Zhang X，Stone M L，Chen D，et al. Peach firmness determination by puneture resistance，drop impact，and sonic impulse[J]. Transactions of the ASAE，1994，37（2）：495-500.

[8]Brusewitz M H，Mccollum T G. Internal variation in peach fruit firmness[J]. HortSci，1992，27（8）：903-905.

[9]陳介余，宮里滿. 利用聲波響應(yīng)特性檢測農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的研究：第l報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)志，1993，55（3）：65-72.

[10]丁英強(qiáng). 超聲波牛奶成份快速檢測方法及儀器研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2005.

[11]張吟. 超聲波畜禽骨密度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2007.endprint

2.3超聲波聲速與紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系

聲波傳播速度和紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系如圖4所示，隨著紅棗的可溶性固形物含量逐漸增大，聲波傳播的速度逐漸減小。超聲波聲速與可溶性固形物含量相關(guān)，r2=0.873 4。

2.4超聲波聲速與紅棗含水率的關(guān)系

紅棗含水率是紅棗品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖5顯示。隨著紅棗含水率的增加，聲波速度逐漸增大，r2=0.890 4。

2.5超聲波聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系

紅棗中的雜質(zhì)和損傷、病變果都已先剔除，紅棗等級(jí)以總含糖量和含水率為指標(biāo)對(duì)棗果進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5835—2009，紅棗含水率不高于25%，總含糖量≥70%為一級(jí)果，65%≤總含糖量<70%為二級(jí)果，60%≤總含糖量<65%為三級(jí)果。超聲聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系如圖6所示。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至345 m/s之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s之間為三級(jí)果。

3結(jié)論

紅棗的硬度、總含糖量、可溶性固形物含量和含水率是紅棗品質(zhì)的重要參數(shù)，通過超聲波無損檢測技術(shù)，利用超聲波在紅棗中的傳播速度間接得到各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而得知紅棗的內(nèi)部品質(zhì)并對(duì)紅棗等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，具有重要的研究意義。本研究結(jié)果表明，超聲波在紅棗中的傳播速度隨硬度的增大而增大；隨總含糖量的增加而減小；隨可溶性固形物含量的增加而減

小；隨含水率的增加而增大。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至 345 m/s 之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s為三級(jí)果。

參考文獻(xiàn)：

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[10]丁英強(qiáng). 超聲波牛奶成份快速檢測方法及儀器研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2005.

[11]張吟. 超聲波畜禽骨密度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2007.endprint

2.3超聲波聲速與紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系

聲波傳播速度和紅棗可溶性固形物含量之間的關(guān)系如圖4所示，隨著紅棗的可溶性固形物含量逐漸增大，聲波傳播的速度逐漸減小。超聲波聲速與可溶性固形物含量相關(guān)，r2=0.873 4。

2.4超聲波聲速與紅棗含水率的關(guān)系

紅棗含水率是紅棗品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖5顯示。隨著紅棗含水率的增加，聲波速度逐漸增大，r2=0.890 4。

2.5超聲波聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系

紅棗中的雜質(zhì)和損傷、病變果都已先剔除，紅棗等級(jí)以總含糖量和含水率為指標(biāo)對(duì)棗果進(jìn)行分級(jí)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5835—2009，紅棗含水率不高于25%，總含糖量≥70%為一級(jí)果，65%≤總含糖量<70%為二級(jí)果，60%≤總含糖量<65%為三級(jí)果。超聲聲速與紅棗等級(jí)的關(guān)系如圖6所示。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至345 m/s之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s之間為三級(jí)果。

3結(jié)論

紅棗的硬度、總含糖量、可溶性固形物含量和含水率是紅棗品質(zhì)的重要參數(shù)，通過超聲波無損檢測技術(shù)，利用超聲波在紅棗中的傳播速度間接得到各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而得知紅棗的內(nèi)部品質(zhì)并對(duì)紅棗等級(jí)進(jìn)行分級(jí)，具有重要的研究意義。本研究結(jié)果表明，超聲波在紅棗中的傳播速度隨硬度的增大而增大；隨總含糖量的增加而減小；隨可溶性固形物含量的增加而減

小；隨含水率的增加而增大。超聲波在紅棗中的傳播速度在330 m/s以下，其紅棗為一級(jí)果，傳播速度在330 m/s至 345 m/s 之間紅棗為二級(jí)果；傳播速度在345 m/s至361 m/s為三級(jí)果。

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[8]Brusewitz M H，Mccollum T G. Internal variation in peach fruit firmness[J]. HortSci，1992，27（8）：903-905.

[9]陳介余，宮里滿. 利用聲波響應(yīng)特性檢測農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量的研究：第l報(bào)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)志，1993，55（3）：65-72.

[10]丁英強(qiáng). 超聲波牛奶成份快速檢測方法及儀器研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2005.

[11]張吟. 超聲波畜禽骨密度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 長沙：湖南大學(xué)，2007.endprint