水果成熟度檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

劉志剛 王麗娟 喜冠南

摘 要：我國是一個水果生產(chǎn)與消耗大國，并且隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民消費(fèi)水平的迅速提高，消費(fèi)者對水果的需求和品質(zhì)都提出了更高的要求，因此水果成熟度檢測技術(shù)對提高我國鮮食水果和存儲水果的品質(zhì)和市場競爭力就有著重要的意義。本文通過文獻(xiàn)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析的方法綜述了國內(nèi)外水果成熟度檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：水果;成熟度;有損檢測;無損檢測

中圖分類號：S-1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200430005

引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人民消費(fèi)水平的迅速提高，消費(fèi)者對水果的需求量和品質(zhì)都提出了更高的要求。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國水果采摘的平均損耗率已高達(dá)20%，而水果采摘過程中造成的經(jīng)濟(jì)損失超過1000億元/a。發(fā)達(dá)國家的水果損耗率卻普遍低于5%，甚至有些國家的損耗率僅有1%～2%。原因之一便是水果的成熟期不一致，導(dǎo)致果農(nóng)在采摘時(shí)容易誤判進(jìn)而導(dǎo)致誤采。誤采摘影響鮮食水果的品質(zhì)，也不利于水果的存儲。因此，根據(jù)水果的成熟度加以區(qū)分可以降低誤采摘幾率。在水果包裝、存儲、運(yùn)輸及后加工過程中，根據(jù)成熟度加以篩選和區(qū)分，有利于提高水果的品質(zhì)和等級。水果成熟度檢測技術(shù)在縮小果農(nóng)直接經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)，亦協(xié)助果農(nóng)對水果進(jìn)行一次分揀，增加果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，提高果園生產(chǎn)效率，激發(fā)果農(nóng)的生產(chǎn)積極性，并且為水果后加工提供參考依據(jù)，對拉動我國水果業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定、持續(xù)、繁榮發(fā)展有重要意義。

1 水果成熟度劃分

水果的成熟度一般可劃分為以下3種：可采成熟度、食用成熟度和生理成熟度。

其中，可采成熟度的定義為水果果實(shí)部分已經(jīng)生長至成熟期大小，基本定型，繼續(xù)生長基本不會引起果實(shí)大小的變化，并且出現(xiàn)成熟時(shí)期特有的性能與色澤特征，基本完成了內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的積累。此時(shí)果實(shí)已達(dá)到可以采摘的階段，但采摘的果實(shí)并不適用于鮮食，而適用于長距離運(yùn)輸或是長期的儲藏。所以用于存儲或者是遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)乃麘?yīng)在可采成熟期進(jìn)行采摘。食用成熟度是繼可采成熟度后的第2階段，一般是指水果果實(shí)部分無論是形狀、色澤、香氣或味道都達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)，是即食的最佳成熟狀態(tài)。所以，用于即食、短期存儲或短距離運(yùn)輸?shù)乃ㄗh在此成熟期進(jìn)行采摘。生理成熟度是成熟度劃分中的最后階段，一般是指不僅水果果實(shí)達(dá)到充分成熟的階段，水果的種子也趨于成熟，主要的表現(xiàn)為果肉已經(jīng)開始出現(xiàn)軟爛，此時(shí)果實(shí)不僅已不適于即食，更不可用于運(yùn)輸和儲藏，一般不建議水果在此時(shí)采摘。

果農(nóng)可根據(jù)不同的要求，選擇合適的成熟期采摘水果以達(dá)最優(yōu)品質(zhì)。而水果品種多種多樣，不同水果則需要不同的成熟度檢測方法，如何判別水果的成熟度就成為了問題的關(guān)鍵所在。

2 水果成熟度的傳統(tǒng)檢測技術(shù)

根據(jù)檢驗(yàn)過程中是否要對水果組織進(jìn)行破壞，將成熟度檢測方法劃分為傳統(tǒng)檢測技術(shù)與無損檢測技術(shù)。傳統(tǒng)的水果檢測技術(shù)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷或借助糖度檢測分析儀、酸度檢測分析儀、硬度計(jì)等工具來檢測判斷水果的外觀、可溶性糖含量、酸度、硬度或可溶性固溶物等指標(biāo)，據(jù)此依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定水果的成熟度等級。上述方法中，除依靠經(jīng)驗(yàn)判斷外，都需要破壞水果的內(nèi)部組織，故又將傳統(tǒng)檢測技術(shù)稱為有損檢測。

傳統(tǒng)檢測技術(shù)主要包含外觀品質(zhì)檢測、硬度檢測、可溶性糖檢測和可滴定酸檢測。

2.1 外觀品質(zhì)判斷

隨著水果成熟度增加，會有其固有的大小、色澤、香氣和味道等顯著特征。果農(nóng)綜合各方面的因素，依據(jù)自身感官與經(jīng)驗(yàn)對水果成熟度加以分析判斷。

但從技術(shù)角度上分析，人為對蔬菜和水果的成熟度等級進(jìn)行判定是根據(jù)個人的感官與經(jīng)驗(yàn)，瞬間判斷結(jié)果因人而異，同時(shí)還受人的情緒和疲勞程度等主觀因素的影響，不利于提高成熟度判別的標(biāo)準(zhǔn)性和統(tǒng)一性。

2.2 硬度檢測

測量方法：根據(jù)水果類型，選擇不同測頭;將果實(shí)表皮削去1～2cm2，每個果實(shí)選取2～4個測量點(diǎn)，將硬度計(jì)的壓頭壓入果肉至相應(yīng)刻度線，讀取表針?biāo)傅目潭染€，即為果肉硬度值。

目前，國內(nèi)學(xué)者陳建軍[1]等利用FHM-1型水果硬度計(jì)檢測柑橘硬度進(jìn)行了果品的成熟度研究，確立了柑橘存儲時(shí)間、硬度與成熟度之間的關(guān)系。

2.3 可溶性糖檢測

衡量水果成熟度的另一重要指標(biāo)便是可溶性糖的總含量，也就是人們通常所說的水果的甜度，單位為mg/g。兩者之間的關(guān)系為甜度越高，一般成熟度等級越高。

果實(shí)中糖含量（可溶性總糖、還原糖）檢測分析中，廣泛采用容量法，如費(fèi)林試劑滴定法[2]。國內(nèi)學(xué)者張海利[3]等通過斐林試劑滴定法測定了6種類型辣椒果實(shí)在不同發(fā)育期的糖含量。結(jié)果表明，隨著果實(shí)成熟度的增加，果實(shí)糖含量呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，紅色成熟辣椒的含糖量最高，其次為綠色成熟辣椒，而未成熟的辣椒含糖量最低。費(fèi)林試劑滴定法雖然誤差小，但操作繁復(fù)，所以馮吉[4]等人對費(fèi)林試劑滴定法進(jìn)行了改良，利用改良的DNS法測定新鮮果蔬中的糖分，并應(yīng)用這種改良法測定了文旦和甜橙果實(shí)中的總糖含量，其測定值與采用費(fèi)林法無顯著差異。目前各生產(chǎn)廠家也開發(fā)出了數(shù)顯糖度計(jì)等用于試過糖含量的檢測，操作簡便，檢測效率高，只需滴入檢測溶液按測定鍵即可實(shí)時(shí)讀出水果含糖量。

2.4 酸度檢測

酸度與糖度一樣，是衡量果實(shí)成熟度與風(fēng)味品質(zhì)的重要因素之一。最早檢測酸度的方法為傳統(tǒng)手工滴定法，測定方法需配制各種化學(xué)試劑，操作繁瑣，檢測效率低。目前，果實(shí)酸度檢測分析中，更為常用的為基于電導(dǎo)法的酸度計(jì)測試法，無需化學(xué)試劑，通過電導(dǎo)率法觀察電流流動來測量樣品中酸度含量。只需將果肉溶于蒸餾水中按比例稀釋，將溶液滴入酸度計(jì)測量棱鏡中即可實(shí)時(shí)讀出酸度含量，操作簡單方便的同時(shí)，也大大提高了檢測效率，給人們提供了極大的便利。

國內(nèi)學(xué)者葛枝[5]等人對水果可滴定酸含量的檢測方法進(jìn)行了研究，應(yīng)用自動滴定儀，對櫻桃番茄、柑橘、蘋果中可滴定酸含量測定的前處理方法進(jìn)行優(yōu)化，大大簡化了酸度檢測樣品的前處理過程。

綜上所述的幾種傳統(tǒng)檢測技術(shù)雖可以通過糖度、酸度、硬度或者外觀品質(zhì)等參數(shù)對水果成熟度進(jìn)行判別，但操作均比較繁瑣，檢測效率不高，操作專業(yè)性要求比較高;更為主要的是都屬于有損檢測的范疇，對果品造成了不同程度的損傷，所以無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批量檢驗(yàn)，并不適用于現(xiàn)代果品生產(chǎn)業(yè)來進(jìn)行成熟度判別。

3 水果成熟度的無損檢測技術(shù)

鑒于傳統(tǒng)檢測技術(shù)的局限性，無損檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前果品內(nèi)在品質(zhì)無損檢測的方法主要有以下幾大類：光學(xué)特性分析法、聲學(xué)特性分析法、電學(xué)特性分析法、力學(xué)特性分析法、化學(xué)特性分析法、機(jī)器視覺分析法及其它成熟度無損檢測法。

3.1 光學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)

因水果外部特征和內(nèi)部組織的不同，水果對光的吸收特性、反射特性和透射特性也會隨之呈現(xiàn)不同的特性，當(dāng)使用不同的波長光線照射水果時(shí)，會出現(xiàn)不同的吸收或反射特性[6]。經(jīng)研究，水果對光的吸收率或分光反射率會出現(xiàn)峰值，并且此峰值與波長有關(guān)，特定的水果在特定的波長范圍內(nèi)才會出現(xiàn)峰值[7]，而這個峰值和水果的硬度、含糖量、酸度等內(nèi)部參數(shù)也存在一定的聯(lián)系，因此可基于水果的光學(xué)特性來進(jìn)行無損檢測，進(jìn)而判別水果的成熟度等級。目前基于水果光學(xué)特性的無損檢測方法主要由近紅外分析法、熒光分析法和激光分析法等。

可見光—近紅外技術(shù)是基于水果光學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)中研究最為廣泛的測試分析法[8-12]。最早將近紅外技術(shù)運(yùn)用于水果無損檢測的是Dull G.G等人，利用近紅外光譜對洋香瓜中的可溶性固形物進(jìn)行測定。Crowe T G[10]等人于1991年通過檢測柑橘在可見光區(qū)域和近紅外區(qū)域的狹窄波段的反射率，并對顏色進(jìn)行評估，完成在不破壞柑橘表面的情況下測得其糖酸度值。2002年，Lur[11]等人以蘋果為研究對象，利用近紅外光譜完成了蘋果硬度與含糖量的檢測。隨后，多位國外學(xué)者致力于研究利用近紅外測定法對蘋果、橙子、桃子等多種類水果進(jìn)行無損檢測，并與硬度、糖度、可溶性固溶物及酸度等相結(jié)合完成成熟度判別。

與國外研究相比，國內(nèi)利用可見光—近紅外檢測技術(shù)研究水果品質(zhì)與成熟度起步較晚，約在20世紀(jì)80年代初、90年代中期近紅外檢測分析技術(shù)才受到社會各界的廣泛關(guān)注。何東健[12]以柑橘和蘋果為檢測對象，介紹了反射、半透射和透射3種測試裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并選取2種水果，基于透射光的研究方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測內(nèi)容為2種水果的酸度、糖度和內(nèi)部褐變。來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的嚴(yán)衍祿和張錄達(dá)[13]等人成立了專門研究組，研究主題為傅立葉變換近紅外漫反射光譜，對近紅外漫反射光譜分析的理論基礎(chǔ)做了研究，并在國內(nèi)首先開始了近紅外分析技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品方面的應(yīng)用研究。

3.2 電學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)

基于介電常數(shù)測定水果成熟度的原理是根據(jù)生物分子中束縛電荷對外加電場的響應(yīng)特性，通過電學(xué)參數(shù)反應(yīng)水果的內(nèi)部變化，并與其內(nèi)部某些生理指標(biāo)，如硬度、含糖量、酸度等建立相關(guān)性關(guān)系，進(jìn)而用于測定水果的成熟度[14-19]。目前，水果的電特性可劃分為2類：生物電，是指水果的內(nèi)部存在電位差或者電動勢，這種電位差或電動勢的產(chǎn)生原因?yàn)樗麅?nèi)部的某種能量;水果果實(shí)的電導(dǎo)率、電阻值或介電特性等，這些特性會對水果所處空間的電流分布及電磁場特性產(chǎn)生一定的影響。

早在1996年，袁泉[20]對水果的電阻及其在無損檢測做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)水果的電阻值和水果的成熟度有一定的關(guān)系，具體表現(xiàn)為與水果的硬度、水分含量、糖含量、內(nèi)部品質(zhì)等特征參數(shù)存在直接或間接的關(guān)系，但其研究未給出具體的相關(guān)公式。郭文川等人[18，19]分別以蘋果和西紅柿為研究對象，對其成熟期的電特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，測試信號的頻率對蘋果的電參數(shù)的影響規(guī)律與成熟度無關(guān)，但成熟度與電壓對其電參數(shù)的影響規(guī)律有關(guān)，成熟期的相對介電常數(shù)與pH值隨成熟度先逐漸下降后逐漸增大，可溶性固溶物的含量與電阻率在成熟期則呈現(xiàn)逐漸增大后逐漸減小的變化規(guī)律，并且這些電學(xué)參數(shù)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本出現(xiàn)于同一時(shí)刻。王玲等人[15]測定了蘋果的等效電阻，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)蘋果的等效電阻與果肉的硬度有著98.6%的相關(guān)性，相關(guān)性極高。由種種研究結(jié)果可判斷利用電學(xué)參數(shù)對水果的成熟度進(jìn)行無損檢測有據(jù)可循、有理可依。

3.3 聲學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)

水果的聲學(xué)特性是指水果在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰減系數(shù)、傳播速度及其本身的聲阻抗與固有頻率等，反映了聲波與水果相互作用的基本規(guī)律[21]。

應(yīng)義斌等人[22]對20世紀(jì)90年代左右的基于聲學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)做了詳盡的概述與分析。隨后也有大量學(xué)者對這一領(lǐng)域進(jìn)行了研究與探討[23-27]。Belie N等[27]基于水果的聲學(xué)特性進(jìn)行了成熟度檢測的研究，研究對象選取為梨樹上的梨，采用的技術(shù)為聲脈沖響應(yīng)技術(shù)，研究方法為實(shí)時(shí)監(jiān)測，最終研究結(jié)果表明聲脈沖響應(yīng)特性與梨的硬度有著很好的相關(guān)性，高達(dá)82%，這一研究成果可以輔助果農(nóng)判定梨的成熟期，并確定合適的采摘時(shí)間。危艷君等人[24]在自主搭建的聲學(xué)檢測臺上采集西瓜聲學(xué)信號，提取聲振動從敲擊點(diǎn)傳到接收點(diǎn)過程中聲透過率參數(shù)，所獲得信號聲透過率參數(shù)與糖度值相關(guān)性最高能達(dá)到0.8842。

3.4 化學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)

基于化學(xué)特性的水果成熟度檢測技術(shù)主要依托于電子鼻檢測技術(shù)，即氣味掃描儀。檢測原理為用模擬電子儀器感知水果成熟時(shí)發(fā)出的酚類、乙烯、脂類等特定物質(zhì)，進(jìn)而進(jìn)行成熟度判別[7，28-32]。

郭莉[31]對電子鼻在柑桔檢測方面的感官分析、成熟度檢測、種類識別和質(zhì)量評定等做了詳盡的綜述。徐賽等[32]人利用電子鼻對果園荔枝成熟階段進(jìn)行識別，識別的正確率為89.17%，試驗(yàn)證明了采用電子鼻進(jìn)行果園荔枝成熟度判別是切實(shí)可行的，也可為果農(nóng)提供水果品質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)控參考。

目前，針對電子鼻采集水果化學(xué)特性的成熟度檢測技術(shù)仍然存在一些問題：絕大多數(shù)電子鼻是針對特定水果，通用性不強(qiáng);傳感器的可重復(fù)性與穩(wěn)定性有待改進(jìn);針對電子鼻系統(tǒng)的仿生設(shè)計(jì)研究較少，氣體的采集受周圍環(huán)境因素的影響較大，難以克服。

3.5 機(jī)器視覺的成熟度檢測技術(shù)

機(jī)器視覺的成熟度檢測技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)和圖像獲取裝置來模擬人類的視覺功能，從水果的圖像中提取特定信息，如水果成熟時(shí)的生理生化特性，并對這些特性進(jìn)行處理和分析，判定其與成熟度之間的相關(guān)性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)的發(fā)展，基于機(jī)器視覺的水果成熟度檢測技術(shù)也成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[33-36]。

早在20世紀(jì)80年代，Thro op J A 等人[33]就通過機(jī)器視覺檢測蘋果的平均灰度來判定果實(shí)中是否有水芯的存在，研究結(jié)果顯示雖可以以100%的準(zhǔn)確率測量蘋果中水芯存在與否，但其嚴(yán)重程度卻難以分辨。20世紀(jì)90年代，Zwigg elaar Reyer等人[34]以桃和杏的撞傷問題為研究焦點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)檢測果品損傷，檢測的成功率約為65%。近幾年，基于機(jī)器視覺的成熟度判別技術(shù)有了較大的進(jìn)展，檢測成功率有顯著提高。應(yīng)義斌等人[35]選取柑橘為對象研究機(jī)器視覺系統(tǒng)在柑橘成熟度檢測中的可行性，研究樣本為72顆柑橘，并將固酸比和柑橘表面色澤作為判定成熟度的指標(biāo)。研究結(jié)果表明，基于計(jì)算機(jī)視覺的柑橘成熟度判別準(zhǔn)確率達(dá)到91.67%。葉晉濤等人[36]以“金皇后”哈密瓜為研究對象，通過主成分分析提取的8個顏色特征值預(yù)測識別率達(dá)到了97.22%。這表明基于機(jī)器視覺技術(shù)對不同成熟度哈密瓜分級方法是可行的，可為實(shí)現(xiàn)哈密瓜自動分級提供理論依據(jù)。

基于機(jī)器視覺的成熟度無損檢測技術(shù)具有將人工智能與圖像處理技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，功能多，信息量大，是今后水果成熟度檢測和內(nèi)在品質(zhì)檢測的重要檢測手段。但也存在亟待解決的問題：機(jī)器視覺系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以做到性能與成本的平衡;識別準(zhǔn)確率的問題，在查閱的文獻(xiàn)當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，目前的研究文獻(xiàn)中均未給出明確的目標(biāo)識別準(zhǔn)確率的定義，且不同文獻(xiàn)中準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)也不盡相同，所以試驗(yàn)的可重復(fù)性有待商榷;我國果農(nóng)多為個體經(jīng)營戶，針對復(fù)雜的計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)接受程度不高，普遍適用性問題也不可忽視。

4 結(jié)語

本文綜述了有損檢測技術(shù)與無損檢測技術(shù)在水果成熟度檢測中的研究、應(yīng)用、存在的不足及未來的發(fā)展展望。有損檢測技術(shù)操作均比較繁瑣，檢測效率不高，更為主要的是對果品造成了不同程度的損傷，所以無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批量檢驗(yàn)。但其相對于無損檢測技術(shù)而言發(fā)展更為成熟，檢測準(zhǔn)確率高，適用于單個或少量樣品的抽樣檢測。無損檢測技術(shù)操作簡單便捷，檢測效率高，適用于要求大規(guī)模、高效率的場合。但目前大多數(shù)無損檢測技術(shù)都處于研究與探索階段，距離在實(shí)際生產(chǎn)生活中的全面應(yīng)用還有不小的距離;目前的無損檢測技術(shù)各有各的不足之處，并且為了提高準(zhǔn)確率，多與有損檢測技術(shù)相結(jié)合使用;無損檢測系統(tǒng)造價(jià)相對較高，目前難以實(shí)現(xiàn)造價(jià)與性能的平衡以達(dá)到果農(nóng)能接受之程度。因此，更適用于實(shí)際應(yīng)用的無損檢測技術(shù)將是今后的研究重點(diǎn)，市場亟需結(jié)構(gòu)簡單、操作快捷、準(zhǔn)確率高、物美價(jià)廉的綜合檢測系統(tǒng)，并且只有盡快把這些無損檢測的新技術(shù)應(yīng)用于果品的成熟度判別與加工處理中，才能提高我國果品在國際市場上的競爭能力，拉動我國水果業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定、持續(xù)、繁榮發(fā)展。

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（責(zé)任編輯 周康）