品質分級為果蔬產業創造更大價值

文/ 李功燕 中國科學院微電子研究所

李 鮮 浙江大學

張 慜 江南大學

朱 壹 江西綠萌科技控股有限公司

許紹云 中國科學院微電子研究所

在果蔬店和各大超市里，整整齊齊、分門別類地擺放著的大小一致、品質相同、顏色接近的新鮮果蔬，牽動著人們的味蕾。但在享用美味水果和蔬菜時，你是否想過這個問題：枝頭上的水果和田間的蔬菜很難做到大小和品質相同，那么該如何快速地給這些果蔬分級，讓它們整齊地“排排坐”？有些水果外表沒什么問題，可是內部的果肉很可能已經出現了損傷，這種問題又該如何避免呢？以上問題看似很小，影響卻是巨大的。中國是世界上最大的果蔬生產國，年產果蔬達到 10 億噸左右，輻射帶動相關產業產值超過 3 萬億元。然而長期以來，我國一直重采前生產、輕采后處理，采后處理率約為 30%，遠低于發達國家 70% 的水平，而這導致的直接后果就是果蔬產地采后腐爛損耗高達30% 以上，造成了巨大的經濟損失。

因此，果蔬采摘后，首先要按照色澤、大小、損傷度等內外部品質進行分級處理，這樣可以從源頭上剔除殘次品，延長儲存保鮮時間，進而提高果蔬產品的附加值。但是如此大規模的產業顯然不能依靠效率低下的人工分級，智能化技術的發展提供了一個更具優勢的解決方案。

在這方面，由中國科學院微電子研究所的科研人員領銜的項目團隊長期立足于果蔬采后處理領域，主導或參與了國內大多數的果蔬智能化品質分級處理相關工程建設。2018 年，針對我國保鮮技術落后、采后生產技術指標體系和規范標準缺乏、相關國產裝備研發嚴重滯后等問題，中國科學院微電子研究所牽頭承擔了國家重點研發計劃“優質果蔬智能化品質分級技術裝備研發”項目， 計劃研發具有國際一流水準、適合國內產業需求的優質果蔬智能化品質分級處理技術與成套裝備，以期達到提升果蔬品質和附加值、降低腐爛率、延長保鮮時間的目的；并由此建立具有大規模推廣意義的優質果蔬采后品質分級處理工藝流程的行業規范、技術標準，研制完成相關的自動化成套裝備。 項目團隊選擇產業影響較大、產量較高的柑橘、蘋果和番茄作為主要研究對象，以內外部品質高效分級為核心，重點在果蔬內外品質在線無損檢測技術、果蔬自動化分級和包裝關鍵裝置及成套裝備、果蔬節能高效預冷和工業化智能儲藏成套裝備、鮮切果蔬品質與營養保持工藝及設備、智能化果蔬分級成套技術裝備集成及示范等方面開展攻關。目前，項目團隊已解決 3 項果蔬內外品質在線檢測關鍵技術，研制完成工業化智能控溫控濕設備、綠色高效保鮮設備、多通道精確自動分級裝置、自動分級機械系統、果蔬熱激保鮮裝備樣機和三維規格切制裝置樣機等裝備，并在云南玉溪開展了褚橙自動分選應用示范工程建設工作，建成了99畝示范選果廠。

無損檢測果蔬的內外部品質

顏色鮮紅、沒有傷疤和蟲蛀的大蘋果可以賣得貴一點；個頭小、表面坑洼、 顏色不夠鮮紅的蘋果，價格自然就更低一些。要想將這兩種價格不同的蘋果進行分級，就需要對其內外部品質進行無損檢測，并實現在線快速分選，進而有效地提高附加值。

為此，項目團隊以不同果蔬的內外部品質特征為研究對象，進行了多項研究工作：研發稱重傳感器及其外圍電路的非線性溫度漂移補償方法和重量傳感信號振動干擾的抑制方法， 可以實現高精度在線稱重；研究雙彩色（RGB）相機分頻段立體視覺系統，可以獲得不同果蔬表面的最佳多光譜圖像，并通過對兩臺相機獲取的圖像進行匹配，獲得果蔬表面多光譜信息以及視差估計，從而檢測色澤、 大小、形狀、體積和平滑度等外部品質， 進而結合重量實現密度檢測；基于深度卷積神經網絡建立表面瑕疵感官鑒評模型，可以智能分辨果蔬的品相。 此外，項目團隊還選擇合適的譜段，檢測紅外透射、反射光譜特征，建立不同果蔬含糖量、含酸量、浮皮、褐變、果肉損傷、空心等內部品質的紅外光譜模型。通過這一系列研究工作，項目團隊最終將建立一套高性能在線果蔬內部、 外部品質檢測技術體系，掌握相關關鍵共性技術。

項目實施兩年多以來，項目團隊結合果蔬稱重過程的動態、持續特征，設計了基于高速DSP處理器的果蔬重量傳感硬件系統；構建了稱重系統環境溫度的實時采集方案，制定了溫度漂移曲線，設計了傳感器非線性溫度漂移補償方法。為了提升瑕疵檢測效果，還基于神經網絡技術，設計出臍橙果梗、臍部檢測方法，為臍橙瑕疵檢測提供了關鍵數據依據。

通過對果蔬圖像采集過程進行研究，項目團隊設計了雙啞鈴型滾子實現果蔬定向旋轉，改進并完善了蘋果圖像采集方案；設計了加工喂料、輸送、 旋轉、采集、篩選機構，建立了多源信息融合分級架構；采用立體視覺成像結合三維重建技術，以獲取蘋果的外觀品質。此外，項目團隊還針對不同果蔬構建了不同部位內部品質的無損檢測模型；面向水果外表糖度、 內心糖度、整體糖度，以及水果陽面糖度、陰面糖度和整體糖度，分別構建了光譜檢測模型，分析影響內部品質的檢測手段和檢測因素。

果蔬的自動化分級和包裝

研發果蔬自動化分級和包裝裝備需要考慮果蔬本身是否易受機械損傷、果杯的大小，以及果蔬的清洗、打蠟和殺菌保鮮等問題，同時還要研究規格切制裝備，以解決鮮切果蔬的市場需求。項目團隊以不同果蔬的分級、清洗、熱激保鮮、打蠟、規格切制、包裝及配套自動化裝備為研究對象，研制單動力雙速高壓高效果蔬清洗裝備、可顯著降低果蔬采后腐爛率的智能熱激保鮮設備和水循環設備、高通量無接觸靜電打蠟裝置、 基于三維規格切制模式的多功能規格切制裝置、適應不同果蔬特點的多通道品質分選系統、柔性果蔬輸送單元及卸果裝置、全自動入料卸垛裝備、全自動果蔬裝箱機等裝備。最終的目標是研制出性能優良、自動化程度高的分級和包裝關鍵裝置及成套裝備，掌握相關關鍵共性技術，突破制約果蔬分級包裝產業發展關鍵環節自動化裝備的瓶頸問題，推動優質果蔬分級包裝產業優化升級。

目前，項目團隊已研制完成果蔬前置輸送裝置，實現了果蔬在線高速、穩定輸送，有效提升了果蔬前處理和多通道分級銜接精準度；對卸果裝置（包括設計果杯本體、活動鏈接件、果杯底座以及三者之間的連接關系）進行了研制， 可實現果蔬 360 °自旋轉、無損傷下線等功能；研制了自動分級機械系統，采用電機作為主驅動鏈傳動，設計多通道高性能分選系統組成機械單元，同時研究了各機械單元集成方案。

與此同時，項目團隊還完成了水殺菌和熱激保鮮樣機制作，以不同品種的柑橘為研究對象，在不同溫度、pH值、殺菌液濃度的試驗條件下，進行水殺菌和熱保鮮處理，貯藏于常溫開放環境， 記錄其在貯藏過程中的生理變化和腐爛情況，結合試驗條件及記錄數據，確定了水循環殺菌和熱處理防腐保鮮最優條件和參數，建立了數據模型。 針對果蔬不同形狀多功能規格切制要求，項目團隊還提出了三維規格切制模式，研究了切片刀、圓盤刀和橫切刀空間分布技術與滾筒、圓盤刀和橫切刀轉速耦合控制技術，創制了果蔬規格切制機，實現了果蔬切片、絲和塊的規格切制。

果蔬的預冷和貯藏

果蔬采后需要及時進行預冷和貯藏，部分果蔬在運輸途中必須選擇冷鏈運輸才能保證其品質。為此，項目團隊根據不同果蔬的特性，研制移動式高效預貯 / 預冷系統，并通過高精度實時傳感檢測技術，動態監控并調節果蔬所處環境，使果蔬能在品質最佳條件下被貯藏。目前，項目團隊已開發完成具有高相變潛熱、相變溫度可調、無毒無害、成本低廉的復合相變蓄冷材料，研制了參數可調工業化智能控溫控濕設備，采用熱平衡法對各過程進行分析，構建了果蔬采后預冷品質安全的基礎數據庫。

未來，項目團隊將通過研究不同品種果蔬在不同預冷參數條件下預冷速率、預冷均勻性、預冷品質的差異，建立基于預冷速率、預冷均勻性、預冷品質的多尺度預冷效果評價體系，開展產地低碳節能快速預冷裝備和儲運一體化設備研制，探索建立產地預冷智能化保鮮新模式，促進現代化冷鏈物流的發展。

鮮切果蔬的品質與營養保持

果蔬按品質分級后，一般會根據市場需求選擇合適等級的果蔬鮮切后進入商品化流通。為了達到控制鮮切果蔬品質和延長保鮮期的目的，需要掌握鮮切果蔬的品質變化規律和營養保持技術。 這方面的重點研究工作包括：分析優質特色果蔬采后代謝及切后品質變化規律；開展加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理等新型綠色高效保鮮設備研制及其保鮮關鍵技術研究；研發天然納米保鮮劑 / 保鮮膜協同加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理協同微真空貯藏等新型協同保鮮關鍵技術，并揭示不同協同保鮮關鍵技術調控鮮切果蔬品質與營養保持及其貨架期延長的保鮮機理；創制適用于不同優質特色果蔬切后保鮮的協同保鮮關鍵技術。

目前，項目團隊已完成低壓靜電場保鮮處理設施、加壓惰性氣體保鮮處理裝置的安裝與調試，分別探討了低壓靜電場處理、加壓惰性氣體處理的保鮮關鍵技術及其保鮮機理；研制了新型天然納米保鮮劑 / 保鮮膜，并探討了其保鮮工藝及保鮮機理，為提升果蔬的保鮮期提供了保證。

智能化果蔬分級成套技術裝備集成及示范

要全面建立高性能的果蔬采后智能化品質分級處理裝備體系，重點在于設計合理的系統體系框架，以實現成套設備之間的無縫聯動功能。為了提高系統的可靠性、可擴展性和可維護性，項目團隊摒棄了集中式的設計方式，轉而采用模塊化、分布式的設計理念，將整個測控系統分成多個相對獨立的子模塊，采用分布式嵌入式控制系統、工業以太網總線和控制器局域網（CAN）總線通信技術、集中式軟件管理系統等相結合的體系框架，以實現各個功能模塊的硬件設計、軟件設計，制定即插即用的高層協議，以實現成套設備之間的無縫聯動，為行業規范、技術標準的建立奠定了扎實基礎。

項目團隊針對果蔬分級成套裝備系統硬件進行了設計開發。基于高速 CCD 相機、多核DSP 處理板卡設計了圖像采集與智能處理硬件模塊，實現了圖像的實時采集和處理；設計了重量傳感采集電路、DSP+FPGA 處理板卡以及重量采集處理與分選硬件模塊，實現了對重量傳感信號進行采集處理，進而確定果蔬分選等級；構建了由電磁閥控制器、電磁閥驅動板組成的卸果控制與貼標硬件模塊，用于在果蔬到達指定登記通道出口時控制電磁閥擊打果杯，使果蔬有序滾入包裝臺。

基于以上研究成果，項目團隊在云南實建果業有限公司開展了褚橙自動分選應用示范工程建設工作，完成了示范基地和廠區的前期準備工作，建成99畝示范選果廠，采后處理中心面積達1.6萬平方米，儲藏冷庫可容納褚橙2萬噸。 示范選果廠對原料、輔料、包裝材料和成品等進行嚴格質量把控，以確保分選系統的實施有效性，前景一片光明。

項目團隊立足農業應用，廣泛吸收其他學科的成熟技術成果，采用理論研究和實驗分析相結合、從典型到通用逐漸推進的研究策略，可以顯著提升我國在果蔬多源信息融合分級、果蔬預冷 / 儲藏、果蔬品質與營養保持等方面的技術研究水平，所取得的諸多研究成果相當于為果蔬產業配備了“火眼金睛”， 可以讓各類水果按照不同的級別進行自動分選。

未來，研究團隊將繼續前行，進一步完善各項成果，最終將建設一條性能優良、自動化程度高、業務流程規范的優質果蔬采后智能化品質分級處理流水線，并通過示范應用基地的建設，形成具有大規模推廣意義的優質果蔬采后品質分級處理工藝流程的行業規范、技術標準 , 使這一決定果蔬“命運”的關鍵一步更為精準高效。屆時，無論是櫻桃和葡萄，還是西瓜和榴蓮，都可以輕松地通過分選、輸送和保存等一整套流程進入我們的生活，并更持久地保留美好滋味。 放眼到整個果蔬產業，我國果蔬產業將創造更大的價值，國際市場競爭力將大大增強，我們期待這一天早日到來。