庫爾勒香梨粗皮果振動頻譜特性的研究

徐虎博，吳 杰，王曌鵬，高永茂，王志鵬，趙正強

（石河子大學機械電氣工程學院，教育部綠洲特色經濟作物生產機械化工程研究中心，新疆石河子832003）

庫爾勒香梨粗皮果振動頻譜特性的研究

徐虎博，吳 杰*，王曌鵬，高永茂，王志鵬，趙正強

（石河子大學機械電氣工程學院，教育部綠洲特色經濟作物生產機械化工程研究中心，新疆石河子832003）

為了實現庫爾勒香梨粗皮果的無損判別與檢測，采用脈沖激勵法測試了香梨正常果和粗皮果的振動頻譜特性，分析了兩種品質香梨響應主頻率的差異顯著性，并通過對兩品質香梨石細胞含量的統(tǒng)計測量以及對果皮和果肉顯微結構觀察，探討了粗皮果與正常果的響應主頻率產生差異的本質原因。結果表明，正常果和粗皮果的響應主頻率分別為（687.5±13.1）Hz和（775±19.4）Hz，存在顯著差異（p＜0.05）。粗皮果具有較高的響應主頻率，其本質原因是其果表皮層致密、木質化細胞數量較多、含水率較低且其果肉中有大量分布的石細胞（團）和較多的木質纖維。

庫爾勒香梨，粗皮果，堅實度，振動頻譜，響應主頻率

庫爾勒香梨（以下簡稱香梨）是國家地理標志產品[1]和新疆特色果品，皮薄肉酥、渣少汁多、營養(yǎng)豐富、香氣濃郁，被譽為“梨中珍品”、“果中之王”，深受海內外眾多消費者的喜愛，是當地梨農增收致富的重要來源，并成為當地支柱產業(yè)[2-3]。然而，隨著香梨栽培面積擴大，產量大幅提高，果實品質卻因粗皮果增多而有所下降。香梨粗皮果比正常果的質地堅硬，果核大且汁少渣多，口感很差。因此，在香梨實際分選過程中必須剔除粗皮果，以保證香梨的整體品級。目前，粗皮果主要依靠對表皮觸覺差異來剔除，效率低，而且會因為人的主觀性及疲勞程度而導致較多誤判。因此，如何實現香梨粗皮果快速、準確地檢測與判別，對提高香梨的等級和商品價值具有重要意義。

堅實度是區(qū)別香梨粗皮果與正常果的一項重要指標，通?？刹捎盟捕扔嬤M行測定，但屬于破壞性檢測，不適宜香梨批量在線實時檢測。在眾多果蔬堅實度無損檢測技術中，可見/近紅外光譜法是研究的熱點之一，盡管該技術可檢測梨果堅實度[4-6]，但從檢測精度來看，更適宜檢測糖度和酸度[7]。高光譜圖像法結合光譜和圖像信息，可檢測果蔬的堅實度[8-9]，但需要處理大量圖像數據[10]，從而阻礙了其在果蔬堅實度無損檢測中的推廣應用。此外，也有研究嘗試用介電特性檢測技術檢測柿子的堅實度[11]，但該技術分選精度低，遠未達到實用階段[12]。與上述檢測方法相比，大量研究表明振動頻譜響應技術在多種水果堅實度檢測方面都取得了良好的檢測效果[13-20]，而且基于此原理的檢測設備由于價格較為低廉且受環(huán)境影響小，已有成功的商業(yè)化應用[21-22]。因此，本研究采用振動頻譜響應技術對香梨正常果和粗皮果進行激振實驗，明確了兩種品質香梨振動頻譜特性，并結合香梨果皮和果肉組織的顯微觀察，探討了兩種品質香梨振動頻譜特性產生差異的主要原因，實現了粗皮果的識別，為香梨內部品質在線檢測與分級提供了科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香梨 香梨試樣采自新疆庫爾勒同一果園，時間為2013年9月20日，剔除試樣中的蟲害、畸形和損傷果。根據香梨表皮光滑、鮮亮和堅硬的程度[23]，選取香梨正常果和粗皮果試樣質量均為（110±2.0）g，果形的縱橫比（最大高度和最大直徑之比）為1.2±0.03，以消除質量和果形對香梨振動頻譜特性的影響。將香梨試樣貯藏于溫度為-2～0℃，濕度為85%～95%的環(huán)境中，待用；無水乙醇 天津永大化學試劑開發(fā)中心，分析純；甲醛溶液 深圳科天化玻儀器有限公司，分析純；冰醋酸 青島永安化學品有限公司，分析純；番紅-固綠雙重染色劑 上海經科化學科技有限公司；鹽酸 國藥集團化學試劑有限公司，分析純；間苯三酚 國藥集團化學試劑有限公司，分析純。

LC1305型微型壓電加速度傳感器 朗斯有限責任公司；LC0505型微型壓電石英力傳感器 朗斯測試技術有限公司；LC0408T型激勵錘 朗斯測試技術有限公司；DLF-8型電荷電壓四合一放大器 北京東方振動和噪聲研究所；INV306U-5160型智能信號采集處理分析儀 北京東方振動和噪聲研究所；Coinv DASP V10版信號采集與實施分析軟件 北京東方振動和噪聲研究所；SPS402F型電子天平 上海奧豪斯儀器有限公司；BS423S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；FT-327型硬度計 意大利BRUZZI公司；PR-101型手持折光儀 日本ATAGO公司；GZX-9140 MBE電熱恒溫鼓風干燥箱 上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠；0.25 mm、0.50 mm孔徑分樣篩 上虞市華豐五金儀器有限公司；DS-1型組織搗碎機 上海標本模型廠；BCD-186KB型冰箱青島海爾集團；BX51TR-32FIBGU型熒光顯微鏡（帶有數字攝像頭和圖像分析軟件DPController） 日本OLYMPUS公司；RM2235型石蠟切片機 德國LEICA儀器有限公司。

1.2 香梨振動實驗

1.2.1 實驗裝置及測試條件 如圖1所示，橡皮筋懸掛香梨以確保其自由振動。參考文獻[24]的研究，在本測試中帶微型壓電石英力傳感器的力錘采用橡膠錘頭，以12 N激勵力進行信號激勵，并用垂直貼于香梨表面的加速度傳感器感測振動響應信號。由于香梨的赤道區(qū)域易于振動信號的激勵和感測，因此本研究在香梨赤道區(qū)域（果頰部和赤道線）上均布多個激勵點（圖2），測試兩品質香梨振動響應信號穩(wěn)定性及振動信號是否具有各向異性。香梨正常果、粗皮果各150枚，每個試樣重復激勵感測3次，取平均值。

圖1 香梨激振測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 General view of the experimental setup

圖2 香梨各向異性測點布置Fig.2 Measuring points on pear for anisotropic testing

1.2.2 信號檢測過程 激勵的模擬信號經過電荷放大器對其進行放大，然后對放大過的信號進行抗混濾波、采樣保持以及模數轉換等一系列處理過程轉換成數字信號。參考文獻[24]的研究，為了兼顧香梨信號的處理精度和采集范圍，在采集數字信號的過程中設置6.4 kHz的采樣頻率（SF），1024個分析點數（N），2塊采樣塊（M），因此，根據公式T=M×1024/SF，得到采樣時間T為0.32 s，同時根據公式，ΔF=SF/N得到本研究的頻率分辨率ΔF為6.25 Hz。

1.2.3 信號分析方法 香梨振動信號全程分析時，需進行加窗函數處理，由于指數窗更適宜瞬態(tài)信號的加權處理，且其具有較高的信噪比[25-26]，故本研究采用指數窗截斷時域信號，通過對截斷信號采用“平均技術”處理進一步降低噪聲影響[27]，與此同時將各幅波形的重疊程度，即重疊系數，設為127/128，以獲得良好的計算結果，然后對處理過的信號進行頻域轉換。

1.3 香梨物性參數測定

1.3.1 帶皮堅實度的測定 采用果實硬度計在香梨向陽面和背陰面進行堅實度的M-T法（Magness-Taylor）測定[28]，其中，香梨紅暈部位為向陽面，其對面為背陰面。測量時，以赤道線上點作為測定點，壓頭直徑取8.00 mm，壓縮速度25.40 mm/min，壓入深度7.49 mm，以穿刺過程中的最大力作為香梨帶皮堅實度。對向陽面與背陰面堅實度實測值取均值作為香梨的堅實度。

1.3.2 含水率測定 采用直接干燥法[29]，取香梨可食部分果肉切成1.5～2 mm薄片后，在101.3 kPa（一個大氣壓），溫度105℃干燥箱內干燥24 h，干燥后稱重計算香梨的濕基含水率。

1.3.3 可溶性固形物測定 在去皮香梨的赤道區(qū)域每隔120°的位置取適量果肉，采用手持折光儀測定香梨的可溶性固形物含量。

1.3.4 石細胞含量測定 參考文獻[30-31]的方法，對香梨果肉提取石細胞后，分別用孔徑為0.50 mm和0.25 mm的分樣篩篩分干燥后的石細胞，并用電子天平稱重，精度為0.001 g。用于測定的粗皮果和正常果果肉組織樣本數各30份。

1.4 香梨組織顯微觀察

1.4.1 果皮組織 參考文獻[32-33]的方法，采用FAA固定液（70%乙醇溶液、甲醛溶液、冰醋酸體積比為90∶5∶5）對果皮試樣進行固定，番紅-固綠雙重染色劑對切片進行染色，最后在熒光顯微鏡下觀察照相。

1.4.2 果肉組織 分別取香梨赤道區(qū)域近果皮和近果心3 mm處的果肉，采用徒手切片法[34]制作香梨果肉切片，用1 mol/L鹽酸對果肉細胞離析，然后用0.1%間苯三酚染色，最后在熒光顯微鏡下觀察照相。

1.5 數據處理

用SPSS 20.0軟件處理實驗數據，采用Duncan’s multiple range test進行方差分析（α=0.05），以檢驗相關數據間差異的顯著性。

2 結果與討論

2.1 香梨物性參數

由表1可知，正常果與粗皮果的帶皮堅實度、含水率差異顯著（p＜0.05），可溶性固形物含量差異不顯著（p＞0.05）。

表1 香梨正常果和粗皮果試樣的理化指標（n=150）Table 1 Material properties of normal pear and rough peel pear samples（n=150）

2.2 香梨正常果振動頻譜響應各向異性測試

如圖3所示，對正常果易測的赤道區(qū)域進行不同激勵點激勵的頻譜特性分析，振動頻譜響應曲線都很相近，其對應的響應主頻率也基本相同，即使略有差異，響應主頻率的差值也在6.25 Hz的頻率分辨率范圍之內。這表明，本測試系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定可靠的香梨振動頻譜響應信號，且赤道區(qū)域的不同激勵點對正常果振動頻譜響應影響不明顯，這一結論與已有研究報道一致[16，24]。

圖3 香梨正常果各向異性不同激勵點頻譜特性Fig.3 Effect of normal pear position on the vibration spectrum response signal

圖4 香梨正常果與粗皮果的振動頻譜曲線Fig.4 Vibration spectrum curves of Korla pear with normal and rough peel

圖5 香梨正常果和粗皮果的響應主頻率Fig.5 Dominant response frequencies of Korla pear with normal and rough peel

2.3 香梨正常果和粗皮果的振動頻譜特性

如圖4所示，香梨正常果與粗皮果在相同脈沖激勵下產生的振動頻譜存在差異，正常果更容易被激勵出多階響應頻率，而粗皮果響應主頻率之后的響應頻率不易激勵出來。正常果的響應主頻率為（687.5±13.1）Hz，而粗皮果的響應主頻率為（775±19.4）Hz，比正常果的要高，它們之間的差值已超出6.25 Hz的頻率分辨率，兩種品質果實響應主頻率的統(tǒng)計分析結果也進一步表明（見圖5），二者的響應主頻率存在顯著差異（p＜0.05）。這意味，采用振動頻譜的響應主頻率這一重要特征參數是完全可以實現粗皮果判別的。

2.4 香梨正常果和粗皮果振動頻譜差異的探討

圖6所示為香梨果皮的顯微圖，果皮自外向內依次為角質膜、表皮層、亞表皮層。通過對比觀察可以發(fā)現，粗皮果表皮層較為致密，木質化的細胞數量較多，這正是粗皮果果皮粗硬的主要原因。此外，粗皮果的角質膜有一定缺失，亞層表皮細胞較正常果少1～2層，這使得粗皮果不易保持水分，因此盡管正常果和粗皮果的可溶固形物無顯著差異，但粗皮果的含水率卻明顯低于正常果（見表1），這使粗皮果粘性趨弱而彈性趨強，使其果肉的堅實度得到增強。

圖6 香梨正常果（a）與粗皮果（b）的果皮組織顯微圖Fig.6 Microscope images of the normal and rough peel Korla pear

值得注意的是，在圖7所示的香梨果肉切片觀察中可以發(fā)現，粗皮果果肉中分布的石細胞（團）密度、粒徑都明顯較正常果大，木質纖維也較多。圖8進一步表明，粗皮果中不同粒徑的石細胞（團）的含量都顯著（p＜0.05）高于正常果。正是由于粗皮果果肉中石細胞（團）及木質纖維的大量存在，導致粗皮果不僅汁少渣多，而且果肉質地堅硬，并與粗硬的果皮聯(lián)合作用增強了香梨粗皮果的堅實度，這也正是粗皮果具有較高的響應主頻率的本質原因[16]。

圖7 香梨正常果（a）和粗皮果（b）的果肉組織顯微圖Fig.7 Microscope images of flesh of the normal and rough peel Korla pear

圖8 香梨正常果和粗皮果的石細胞含量Fig.8 Content of stone cells of Korla pear with normal and rough peel

3 結論

在香梨易測的赤道區(qū)域（果頰部和赤道線）上對兩品質香梨進行振動頻譜響應特性分析，正常果和粗皮果的響應主頻率分別為（687.5±13.1）Hz和（775± 19.4）Hz，兩者存在顯著差異，因此完全可以采用振動頻譜的響應主頻率這一特征參數實現粗皮果的無損識別。粗皮果之所以具有較高的響應主頻率，是由粗皮果致密的表皮層、數量較多的木質化細胞、較低的含水率以及果肉中大量分布的石細胞（團）和較多的木質纖維共同造成的。

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Characteristics of the vibration spectral response of rough peel pear among Korla pear

XU Hu-bo，WU Jie*，WANG Zhao-peng，GAO Yong-mao，WANG Zhi-peng，ZHAO Zheng-qiang
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Research Center of Oasis Agricultural Mechanization of Ministry of Education，Shihezi 832003，China）

The vibration spectrum characteristics of normal pear and rough peel pear were tested by pulse excitation，which were to realize the identification of rough peel pear among the normal pears.The difference significance of response dominant frequency between the normal and the rough peel ones was analyzed.The statistics of content of stone cells were analyzed.The microstructures of peel and flesh tissue of two kinds of pear were observed.The results showed that the dynamic signals were stable and reliable at the same detection point.Also，the responses of dynamic spectrum were consistent at different excitation points on the cheek and the line of equator with single excitation and detection.Response dominant frequency of the rough peel and the normal pear were（687.5±13.1）Hz and（775±19.4）Hz，respectively and there was significant（p＜0.05）difference of dominant response frequency.Main reasons of the rough peel pear with the bigger response dominant frequency were that there were compact epidermis，lots of bonny cell，lower water content（wet base），a number of stone cell（mass）and lignocellulose widely distributed in flesh of the rough peel pear.

Korla pear；rough peel pear；firmness；vibration spectrum；response dominant frequency

TS201.1

A

1002-0306（2015）22-0057-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.003

2015－04－02

徐虎博（1990-），男，碩士研究生，研究方向：農產品品質安全與檢測，E-mail：hubo_xu@126.com。

*通訊作者：吳杰（1972-），男，博士，教授，研究方向：農產品品質安全與檢測，E-mail：wjshz@126.com。

國家自然科學基金項目（31160335）；新疆兵團博士基金項目（2013BB011）；石河子大學高層次人才科研啟動資金項目（RCZX201124）。