甜瓜成熟度檢測技術研究進展

呂琛　李鋒霞　馬本學　劉浩　朱榮光

摘要：甜瓜的成熟度是評價其品質的重要依據，也是影響消費者購買的主要因素。因此，甜瓜的成熟度檢測對其生產及流通具有重要意義。本文主要介紹人為主觀判斷法、力-變形檢測技術、聲振動檢測技術及電子鼻檢測技術4種甜瓜成熟度檢測方法的原理、國內外研究進展及優缺點，并對今后的研究方向提出展望。

關鍵詞：甜瓜；成熟度；檢測技術

中圖分類號：S-33；S652.01文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）01-0244-03

收稿日期：2013-05-24

基金項目：國家自然科學基金（編號：61263041）；國家大學生創新創業訓練計劃項目（編號：201310759034）。

作者簡介：呂琛（1986—），女，河南人，碩士研究生，助教，主要從事農產品品質智能化檢測技術與分級裝備研究。E-mail：lvchen520@sina.com。

通信作者：馬本學，博士，教授，主要從事農產品品質智能化檢測技術與分級裝備研究。E-mail：mbx_shz@163.com。甜瓜是我國重要的瓜果之一，果實甘甜，風味獨特，營養豐富，并且具有治療和保健等藥用價值，備受廣大消費者青睞。由于其經濟價值高，多年來為我國經濟發展和農民增收發揮了巨大作用[1]。甜瓜的成熟度是評價其品質的重要依據，也是影響消費者購買的主要因素[2]。對甜瓜的成熟度進行檢測，既能保護消費者的利益，又可提高甜瓜的加工質量和出品等級，加大市場競爭力。為此，國內外許多科研工作者對甜瓜成熟度檢測進行了研究。目前，甜瓜成熟度檢測方法大致包括：人為主觀判斷法、力-變形檢測技術、聲振動檢測技術及電子鼻檢測技術等。

1人為主觀判斷法

人為主觀判斷法是由人們通過購買或種植甜瓜所積累的多年經驗，憑借自身觀察品嘗及甜瓜品種的生長方式等進行主觀判斷甜瓜成熟度的方法。具體有以下8種：（1）根據果實發育時間判斷。把每個授粉的雌花都掛上牌子，標明授粉日期，由當地生長季節的氣候條件和該品種特性及生育期判斷其成熟度。（2）根據果實外觀特征判斷。通常認為能充分表現該品種固有皮色、花紋、條紋和網紋特征的則標志其成熟。（3）根據果實硬度判斷。有的品種在成熟的過程中會變軟，用手指輕按近果臍的一端果面，開始發軟者即為熟瓜。（4）根據果實香味判斷。凡有香味的甜瓜品種，用鼻嗅聞其臍部，越香成熟度越高。（5）根據果柄離層判斷。有的甜瓜品種成熟時，果柄處會產生離層，容易自然脫落，即所謂的“瓜熟蒂落”。（6）根據植株特征判斷。有的甜瓜品種在成熟后，坐果節的卷須會干枯，坐果節葉片葉肉會失綠，葉片會變黃等。（7）水浮判斷法。甜瓜成熟時，其密度變小，能浮于水面，由此可判斷其成熟度。（8）抽樣解剖法。切開甜瓜，觀察果實的肉色、瓤色，品嘗鑒別口感與風味，還可以觀察種子的飽滿程度，當達到該品種相應的甜度、風味、口感等固有特征時，可判斷其成熟[3-4]。

長期以來，我國甜瓜成熟度的劃分都是憑借人為主觀判斷，檢測效率低、速度慢并且很難精確評價其品質，從而造成產品良莠混雜，降低了甜瓜的市場競爭力和銷售價格[5]。但此方法為今后甜瓜實現成熟度無損檢測研究提供了現實依據。

2力-變形檢測技術

力-變形檢測技術是應用于甜瓜成熟度檢測的一種機械方法，它的檢測原理是通過對不同成熟度的甜瓜進行壓縮試驗，得到壓縮力與甜瓜的變形曲線、楊氏模量、破壞力、變形量、破壞能等指標，分析并尋找出這些指標與甜瓜成熟度之間的關系，從而進行檢測[5-7]。

1976年，Peleg（美國馬薩諸塞州立大學）等將厚皮甜瓜截取成能代表完整形態甜瓜大小的不同直徑的圓柱體，然后采用萬能試驗機對其以速率50 mm/min進行壓縮試驗。通過力-變形曲線分析比較不同大小甜瓜的可溶性固形物含量、糖度含量、因汁液擠出而造成的質量損失、變形屈服點等指標，結果表明，甜瓜的質量損失依賴于甜瓜的成熟度，隨著甜瓜成熟度的變化，力與變形關系曲線也相應發生變化，甜瓜的成熟度可以根據壓縮力與變形的關系來確定[8]。

1996年，Chen（美國阿肯色州立大學）測定了以色列蜜瓜品種Galia的形狀和硬度等物理特性與瓜肉的靜態和動態楊氏模量之間的關系，并建立了有限元模型（FE）。他取蜜瓜的圓柱形果肉進行準靜態和動態壓縮試驗，從力-變形曲線的小變形區域獲取準靜態和動態條件下的楊氏模量，并以楊氏模量來評價蜜瓜的成熟度[9]。

1998 年，Sugiyama 等同樣對不同成熟度的甜瓜以壓縮速率為 30 mm/min進行壓縮試驗，從壓縮的力-變形曲線中求得楊氏模量，以此為最主要的參考指標設計制作了槍形手持式硬度檢測儀，用于甜瓜成熟度檢測[10]。

2007年，楊曉清（內蒙古農業大學）等在以上研究的基礎上，對不同硬度的完整形態的河套蜜瓜機械特性進行了測定和分析。他們在通風良好的室溫環境下，利用WSM-10K計算機控制智能試驗機并采用平頂壓頭（果梗均以水平放置）的方式，以40 mm/min的加載速率對蜜瓜進行準靜態機械特性試驗。結果表明，隨著蜜瓜的成熟，果實硬度降低，其屈服極限和變形能明顯減小。該研究為河套蜜瓜的成熟度無損檢測提供了理論依據[11]。

從以上采用力-變形檢測技術對甜瓜進行成熟度檢測的研究來看，他們都要求以持續的力作用在甜瓜上，有的甚至需要將甜瓜以規則的加工件作為試樣代替完整果實進行壓縮，不可避免地會對甜瓜造成損傷并且影響其品質，所以屬于有損檢測，并不適用于實際要求中的甜瓜無損檢測。因此，該方法基本停留于實驗室研究，但其結果可作為其他方法檢測甜瓜成熟度的重要參考指標。

3聲振動檢測技術

利用聲振動檢測技術對甜瓜的成熟度進行檢測是一種有效的檢測方法[12]。其原理是瓜果在聲波作用下，其反射波可以提供該瓜果的聲學特性，如聲音的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、傳播速度、衰減系數、對稱性、聲學阻抗、功率譜峰值頻率、固有頻率、通帶能量以及BMV等，它們反映了聲波與瓜果相互作用的基本規律，會隨著瓜果內部組織的變化而變化，不同成熟度的同種瓜果其聲學特性存在差異，因此可以通過這些聲學特性尋找出與瓜果成熟度之間的關系，從而進行檢測[13-15]。endprint

1994年，Mizrach 等利用超聲波連續觸發系統測量了秋季和冬季生長的甜瓜內部生化參數，發現超聲波信號強弱與甜瓜的成熟度有關，當甜瓜成熟時，超聲波信號增強，甜瓜成熟度和信號衰減之間存在相關性，相關系數為0.842[16]。

同年，Sugiyama 等對網紋甜瓜的聲學特性研究發現，隨著甜瓜的成熟，聲波在甜瓜中的傳播速度和共振頻率均降低，兩者的變化趨勢完全一致，而且利用傳播速度來確定甜瓜的成熟度，既不需要測定質量，也不需要進行快速傅里葉變換。與共振頻率相比，聲波傳播速度是更易測定的指標。因此，可以利用測定聲波傳播速度確定甜瓜的成熟度。結果表明，適宜食用的成熟甜瓜的聲波傳播速度為37～50 m/s[17]。

1998年，Sugiyama 等為了在生長過程中隨時監測甜瓜的成熟度，研制了一種便攜式的甜瓜手提硬度測定儀。這個儀器包括輕撞擊系統和2個麥克風傳感器。測試得到的聲音信號會通過A/D轉換發送給計算機并計算出傳輸速度與這兩個聲音信號的相關性。結果表明，該測定儀的測試結果和破壞性檢測結果的相關性高達0.94，因此該儀器可以被用來監測甜瓜的成熟過度[10]。

2006年，Kuroki 等利用聲振動檢測技術開發了實用型便攜式溫室甜瓜成熟度評估儀器[18]。該儀器能夠在現場測量甜瓜的彈性指數，測量準確且重復性較好。利用該儀器測量甜瓜在成熟過程中的彈性指數變化可以判斷甜瓜的成熟度。彈性指數基本上在果實發育初期下降，但在中后期的發展階段呈現波動水平。

2009年，Taniwaki 等利用多普勒激光振動儀對處于成熟期的兩個厚皮甜瓜品種Andes 和 Quincy進行檢測。通過振動頻率和質量定量計算彈性指標值（EI），發現這2個品種的EI變化呈現類似指數冪衰減，結合感官評判結果，可以確定 Andes 和 Quincy 的最佳可食時間的EI分別為（4.2～6.3）×104 kg2/3·Hz2和（4.5～5.6）×104 kg2/3·Hz2，用該指標的大小可以讓消費者確定甜瓜的成熟度[19]。

2011年，張帥等利用聲學特性檢測香瓜成熟度，通過敲擊適熟、熟、過熟3組不同成熟度的香瓜發出的聲頻，分析并建立了聲學峰值和香瓜硬度的相關性，從而構建了聲學特性檢測香瓜成熟度的指標。他們采用PROE4.0建模并仿真，制作了自動化電腦控制擊打裝置，以方便進行批量檢測；利用麥克風接收信號，運用Labview軟件對聲波信號進行采集接收，用Origin8.1軟件進行信號的處理（包括數據平滑、FFT法分析數據、數據擬合、基線峰值分析等），并對分析的數據基線式建模。結果表明，適熟香瓜基頻為 315～324 Hz，熟香瓜為 288～315 Hz，過熟香瓜為260～288 Hz[20]。

采用聲振動檢測技術對甜瓜進行成熟度檢測時，環境噪聲和振動會對測試信號產生影響，測試時間也較長（秒級）。如果用撞擊方法來檢測甜瓜，不可避免會對甜瓜造成一定程度的損傷，影響甜瓜品質，也不能在生產過程中進行同步檢測，所以不能滿足甜瓜快速無損檢測的要求。因而考慮采用Labview采集技術和數字信號處理器（DSP）處理技術，結合聲振動法研制實用便攜式檢測儀或檢測裝置具有較好的應用前景。

4電子鼻檢測技術

電子鼻在分析氣味方面有其他儀器無法比擬的優勢。電子鼻的檢測原理與人的嗅覺形成相似，即模擬人的嗅覺器官，首先通過氣體采樣系統形成呼氣吸氣的過程，使氣味分子被電子鼻的傳感器陣列吸附，產生相應的電信號；同時通過主控系統控制何時采樣、采多少樣、何時清潔傳感器、何時進行下一個分析循環等；然后通過軟件分析系統測試已知樣品并對有效數據進行系統化、科學化的提取并建立分析模型；最后對未知測試樣品進行快速有效地鑒別、判斷和分析[21-23]。

1995年，Benady等發明了一種水果成熟度嗅探器，該嗅探器能夠根據水果散發出的氣味排放量的電子感應確定水果的成熟度。嗅探器中有一個像小杯子的氣體探測半導體，把它放置在水果的表面，當成熟的水果氣味散發出來就會在小杯子中積累，從而改變傳感器的傳導率，最后通過計算機數據系統進行計算即可判斷水果成熟度。在實驗室測試不同成熟度的3個甜瓜品種時，該嗅探器判斷成熟或未成熟的準確率為90.2%[24]。

2010年，唐曉偉等對電子鼻評價甜瓜成熟度及風味進行了研究，建立了一個科學的快速準確判別甜瓜的成熟度的方法。他采用德國Airsense公司的PEN3電子鼻系統對3種不同成熟度的甜瓜進行分析測定，通過主成分分析（PCA）和線性判別式分析（LDA）表明，采用電子鼻可以很好區分半熟和完熟甜瓜。當采用PCA方法分析時，電子鼻可以100%地區分和判定不同成熟度的甜瓜[25]。

由于甜瓜品種多樣，其芳香成分不一，所以在采用電子鼻對甜瓜進行成熟度檢測時，應采用多種模式識別與比較，以提高檢測精度。雖然至今電子鼻還有諸如降低成本、氣敏傳感器的靈敏度、檢測的時間和速度、合適的數據分析方法等問題需要解決。但隨著現代科學技術的不斷發展，必將使電子鼻走出實驗室。

5展望

縱觀國內外甜瓜成熟度檢測研究中采用的方法和在生產實踐中的應用，主要表現為檢測項目由外部檢測向內部檢測，由有損檢測向無損檢測，由單項目檢測向綜合全方位檢測發展，檢測裝置主要由實驗室分析儀器向便攜式檢測儀器和在線檢測裝置方向邁進。

另外，隨著甜瓜光學特性與其品質相關性理論研究的發展，國內外學者在利用甜瓜光學特性品質檢測方面也積累了一些研究經驗和研究成果，涉及的指標也非常廣泛（如糖度、堅實度、可溶性固形物含量和組織缺陷等）[26]。利用甜瓜的光學特性進行品質檢測綜合了光學傳感和數據處理技術，能夠更加方便地使果實得到高精度、高速度、低成本、無損傷的檢測。因此，利用甜瓜的光學特性進行成熟度快速無損檢測是今后發展趨勢。endprint

參考文獻：

[1]中國農業科學院鄭州果樹研究所. 中國西瓜甜瓜[M]. 北京：中國農業出版社，2000：359-368.

[2]黃為坤. 食品檢驗與分析[M]. 北京：中國輕工業出版社，1989：393-394.

[3]孫豐寶. 厚皮甜瓜成熟的鑒別技巧[J]. 農業知識，2005（8）：5.

[4]Vallone S，Sivertsen H，Anthon G E，et al. An integrated approach for flavour quality evaluation in muskmelon（Cucumis melo L. reticulatus group） during ripening[J]. Food Chemistry，2013，139（1/2/3/4）：171-183.

[5]田海清，王春光，楊曉清. 厚皮甜瓜無損檢測方法的研究現狀及發展趨勢[J]. 農機化研究，2010，32（10）：245-248.

[6]宋曉宇，楊曉清，王麗麗，等. 厚皮蜜瓜各向機械特性差異性的研究[J]. 食品科技，2009，34（9）：30-33.

[7]Zhu H X，Me1rose J R. Time-dependent aspects of the mechanical properties of plant and vegetative tissues[J]. Journal of Materials Science，2003，38：2489-2498.

[8]Peleg M，Brito L G，Malevski Y. Compressive failure patterns of some juicy fruits[J]. Journal of Food Science，1976，41：1320-1324.

[9]Chen H，De B J，Bellon V. Finite element study of the melon for nondestructive sensing of firmness[J]. ASAE，1996，39（3）：1057-1065.

[10]Sugiyama J，Katsural T，Hong J，et al. Melon ripeness monitoring by a portable firmness tester[J]. Transactions of the ASAE，1998，41（1）：121-127.

[11]楊曉清，王春光，李佳寧. 河套蜜瓜機械特性及其與硬度和糖度關系的試驗[J]. 農機化研究，2007（7）：131-135.

[13]Cooke J R. An interpretation of the resonant behavior of intact fruits and vegetables[J]. Transactions of the ASAE，1972，15（2）：1075-1080.

[14]應義斌，蔡東平，何衛國，等. 農產品聲學特性及其在品質無損檢測中的應用[J]. 農業工程學報，1997（3）：213-217.

[15]Mizrach A. Ultrasonic technology for quality evaluation of fresh fruit and vegetables in pre-and postharvest processes[J]. Postharvest Biology and Technology，2008，48（3）：315-330.

[16]Mizrach A，Galili N，Teitel D C，et al. Ultrasonic evaluation of some ripening parameters of autumn and winter-grown‘Galiamelons[J]. Scientia Horticulturae，1994，56（4）：291-297.

[17]Sugiyama J，Otobe K，Hayashi S，et al. Firmness measurement of muskmelons by acoustic impulse transmission[J]. Transactions of the ASAE，1994，37（4）：1235-1241.

[18]Kuroki S，Tohro M，Sakurai N. Monitoring of the elasticity index of melon fruit in a greenhouse[J]. Journal of Japan Social Horticultural Science，2006，75（5）：415-420.

[19]Taniwaki M，Takahashi M，Sakurai N. Determination of optimum ripeness for edibility of postharvest melons using nondestructive vibration[J]. Food Research International，2009，42（1）：137-141.

[20]張帥，史磊，張本華. 基于聲學特性的香瓜成熟度檢測方法[J]. 農機化研究，2011，33（10）：126-129.

[21]耿利華，李揚，伍慧方，等. 電子鼻技術在食品工業領域中的應用[J]. 現代儀器，2011，17（2）：21-24.

[22]Rock F N，Weimar U. Electronic nose：Current status and future trends[J]. Chemical Reviews，2008，108（2）：705-725.

[23]Vallone S，Lloyd N W，Ebeler S E，et al. Fruit volatile analysis using an electronic nose[J]. Journal of Visualized Experiments，2012，61：3821.

[24]Benady M，Simon J E，Charles D J，et al. Fruit ripeness determination by electronic sensing of aromatic volatiles[J]. Transactions of the ASAE，1995，2（38）：251-257.

[25]唐曉偉，張萬清，耿利華，等. 電子鼻評價甜瓜成熟度及風味的研究[J]. 中國農學通報，2010，26（21）：75-80.

[26]陳小央. 甜瓜內在品質無損檢測方法研究進展[J]. 中國蔬菜，2011（10）：10-15.陳文娟，陳麗嬌，曾稍俏. 大黃魚魚卵磷脂的自由基清除及抗氧化活性[J]. 江蘇農業科學，2014，42（1）：247-250.endprint