甜瓜成熟度檢測技術(shù)研究進(jìn)展

呂琛　李鋒霞　馬本學(xué)　劉浩　朱榮光

摘要：甜瓜的成熟度是評價其品質(zhì)的重要依據(jù)，也是影響消費(fèi)者購買的主要因素。因此，甜瓜的成熟度檢測對其生產(chǎn)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(shù)、聲振動檢測技術(shù)及電子鼻檢測技術(shù)4種甜瓜成熟度檢測方法的原理、國內(nèi)外研究進(jìn)展及優(yōu)缺點(diǎn)，并對今后的研究方向提出展望。

關(guān)鍵詞：甜瓜；成熟度；檢測技術(shù)

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

收稿日期：2013-05-24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號：61263041）；國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)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(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)智能化檢測技術(shù)與分級裝備研究。E-mail：lvchen520@sina.com。

通信作者：馬本學(xué)，博士，教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)智能化檢測技術(shù)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(shí)甘甜，風(fēng)味獨(dú)特，營養(yǎng)豐富，并且具有治療和保健等藥用價值，備受廣大消費(fèi)者青睞。由于其經(jīng)濟(jì)價值高，多年來為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收發(fā)揮了巨大作用[1]。甜瓜的成熟度是評價其品質(zhì)的重要依據(jù)，也是影響消費(fèi)者購買的主要因素[2]。對甜瓜的成熟度進(jìn)行檢測，既能保護(hù)消費(fèi)者的利益，又可提高甜瓜的加工質(zhì)量和出品等級，加大市場競爭力。為此，國內(nèi)外許多科研工作者對甜瓜成熟度檢測進(jìn)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(shù)、聲振動檢測技術(shù)及電子鼻檢測技術(shù)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(jīng)驗(yàn)，憑借自身觀察品嘗及甜瓜品種的生長方式等進(jìn)行主觀判斷甜瓜成熟度的方法。具體有以下8種：（1）根據(jù)果實(shí)發(fā)育時間判斷。把每個授粉的雌花都掛上牌子，標(biāo)明授粉日期，由當(dāng)?shù)厣L季節(jié)的氣候條件和該品種特性及生育期判斷其成熟度。（2）根據(jù)果實(shí)外觀特征判斷。通常認(rèn)為能充分表現(xiàn)該品種固有皮色、花紋、條紋和網(wǎng)紋特征的則標(biāo)志其成熟。（3）根據(jù)果實(shí)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(fā)軟者即為熟瓜。（4）根據(jù)果實(shí)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(jù)果柄離層判斷。有的甜瓜品種成熟時，果柄處會產(chǎn)生離層，容易自然脫落，即所謂的“瓜熟蒂落”。（6）根據(jù)植株特征判斷。有的甜瓜品種在成熟后，坐果節(jié)的卷須會干枯，坐果節(jié)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(shí)的肉色、瓤色，品嘗鑒別口感與風(fēng)味，還可以觀察種子的飽滿程度，當(dāng)達(dá)到該品種相應(yīng)的甜度、風(fēng)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(zhì)，從而造成產(chǎn)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(shí)現(xiàn)成熟度無損檢測研究提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

2力-變形檢測技術(shù)

力-變形檢測技術(shù)是應(yīng)用于甜瓜成熟度檢測的一種機(jī)械方法，它的檢測原理是通過對不同成熟度的甜瓜進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，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(biāo)，分析并尋找出這些指標(biāo)與甜瓜成熟度之間的關(guān)系，從而進(jìn)行檢測[5-7]。

1976年，Peleg（美國馬薩諸塞州立大學(xué)）等將厚皮甜瓜截取成能代表完整形態(tài)甜瓜大小的不同直徑的圓柱體，然后采用萬能試驗(yàn)機(jī)對其以速率50 mm/min進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。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(zhì)量損失、變形屈服點(diǎn)等指標(biāo)，結(jié)果表明，甜瓜的質(zhì)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(guān)系曲線也相應(yīng)發(fā)生變化，甜瓜的成熟度可以根據(jù)壓縮力與變形的關(guān)系來確定[8]。

1996年，Chen（美國阿肯色州立大學(xué)）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(tài)和動態(tài)楊氏模量之間的關(guān)系，并建立了有限元模型（FE）。他取蜜瓜的圓柱形果肉進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮試驗(yàn)，從力-變形曲線的小變形區(qū)域獲取準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)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(jìn)行壓縮試驗(yàn)，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(biāo)設(shè)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(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)）等在以上研究的基礎(chǔ)上，對不同硬度的完整形態(tài)的河套蜜瓜機(jī)械特性進(jìn)行了測定和分析。他們在通風(fēng)良好的室溫環(huán)境下，利用WSM-10K計算機(jī)控制智能試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)機(jī)械特性試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著蜜瓜的成熟，果實(shí)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(jù)[11]。

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

3聲振動檢測技術(shù)

利用聲振動檢測技術(shù)對甜瓜的成熟度進(jìn)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(xué)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(shù)、對稱性、聲學(xué)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(guī)律，會隨著瓜果內(nèi)部組織的變化而變化，不同成熟度的同種瓜果其聲學(xué)特性存在差異，因此可以通過這些聲學(xué)特性尋找出與瓜果成熟度之間的關(guān)系，從而進(jìn)行檢測[13-15]。endprint

1994年，Mizrach 等利用超聲波連續(xù)觸發(fā)系統(tǒng)測量了秋季和冬季生長的甜瓜內(nèi)部生化參數(shù)，發(fā)現(xiàn)超聲波信號強(qiáng)弱與甜瓜的成熟度有關(guān)，當(dāng)甜瓜成熟時，超聲波信號增強(qiáng)，甜瓜成熟度和信號衰減之間存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.842[16]。

同年，Sugiyama 等對網(wǎng)紋甜瓜的聲學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量，也不需要進(jìn)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(biāo)。因此，可以利用測定聲波傳播速度確定甜瓜的成熟度。結(jié)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(jiān)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(tǒng)和2個麥克風(fēng)傳感器。測試得到的聲音信號會通過A/D轉(zhuǎn)換發(fā)送給計算機(jī)并計算出傳輸速度與這兩個聲音信號的相關(guān)性。結(jié)果表明，該測定儀的測試結(jié)果和破壞性檢測結(jié)果的相關(guān)性高達(dá)0.94，因此該儀器可以被用來監(jiān)測甜瓜的成熟過度[10]。

2006年，Kuroki 等利用聲振動檢測技術(shù)開發(fā)了實(shí)用型便攜式溫室甜瓜成熟度評估儀器[18]。該儀器能夠在現(xiàn)場測量甜瓜的彈性指數(shù)，測量準(zhǔn)確且重復(fù)性較好。利用該儀器測量甜瓜在成熟過程中的彈性指數(shù)變化可以判斷甜瓜的成熟度。彈性指數(shù)基本上在果實(shí)發(fā)育初期下降，但在中后期的發(fā)展階段呈現(xiàn)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(jìn)行檢測。通過振動頻率和質(zhì)量定量計算彈性指標(biāo)值（EI），發(fā)現(xiàn)這2個品種的EI變化呈現(xiàn)類似指數(shù)冪衰減，結(jié)合感官評判結(jié)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(biāo)的大小可以讓消費(fèi)者確定甜瓜的成熟度[19]。

2011年，張帥等利用聲學(xué)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(fā)出的聲頻，分析并建立了聲學(xué)峰值和香瓜硬度的相關(guān)性，從而構(gòu)建了聲學(xué)特性檢測香瓜成熟度的指標(biāo)。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(jìn)行批量檢測；利用麥克風(fēng)接收信號，運(yùn)用Labview軟件對聲波信號進(jìn)行采集接收，用Origin8.1軟件進(jìn)行信號的處理（包括數(shù)據(jù)平滑、FFT法分析數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)擬合、基線峰值分析等），并對分析的數(shù)據(jù)基線式建模。結(jié)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(shù)對甜瓜進(jìn)行成熟度檢測時，環(huán)境噪聲和振動會對測試信號產(chǎn)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(zhì)，也不能在生產(chǎn)過程中進(jìn)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(shù)和數(shù)字信號處理器（DSP）處理技術(shù)，結(jié)合聲振動法研制實(shí)用便攜式檢測儀或檢測裝置具有較好的應(yīng)用前景。

4電子鼻檢測技術(shù)

電子鼻在分析氣味方面有其他儀器無法比擬的優(yōu)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(tǒng)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(chǎn)生相應(yīng)的電信號；同時通過主控系統(tǒng)控制何時采樣、采多少樣、何時清潔傳感器、何時進(jìn)行下一個分析循環(huán)等；然后通過軟件分析系統(tǒng)測試已知樣品并對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化、科學(xué)化的提取并建立分析模型；最后對未知測試樣品進(jìn)行快速有效地鑒別、判斷和分析[21-23]。

1995年，Benady等發(fā)明了一種水果成熟度嗅探器，該嗅探器能夠根據(jù)水果散發(fā)出的氣味排放量的電子感應(yīng)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(dǎo)體，把它放置在水果的表面，當(dāng)成熟的水果氣味散發(fā)出來就會在小杯子中積累，從而改變傳感器的傳導(dǎo)率，最后通過計算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行計算即可判斷水果成熟度。在實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(fēng)味進(jìn)行了研究，建立了一個科學(xué)的快速準(zhǔn)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(tǒng)對3種不同成熟度的甜瓜進(jìn)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(qū)分半熟和完熟甜瓜。當(dāng)采用PCA方法分析時，電子鼻可以100%地區(qū)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(jìn)行成熟度檢測時，應(yīng)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(shù)據(jù)分析方法等問題需要解決。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，必將使電子鼻走出實(shí)驗(yàn)室。

5展望

縱觀國內(nèi)外甜瓜成熟度檢測研究中采用的方法和在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為檢測項(xiàng)目由外部檢測向內(nèi)部檢測，由有損檢測向無損檢測，由單項(xiàng)目檢測向綜合全方位檢測發(fā)展，檢測裝置主要由實(shí)驗(yàn)室分析儀器向便攜式檢測儀器和在線檢測裝置方向邁進(jìn)。

另外，隨著甜瓜光學(xué)特性與其品質(zhì)相關(guān)性理論研究的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在利用甜瓜光學(xué)特性品質(zhì)檢測方面也積累了一些研究經(jīng)驗(yàn)和研究成果，涉及的指標(biāo)也非常廣泛（如糖度、堅實(shí)度、可溶性固形物含量和組織缺陷等）[26]。利用甜瓜的光學(xué)特性進(jìn)行品質(zhì)檢測綜合了光學(xué)傳感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠更加方便地使果實(shí)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(xué)特性進(jìn)行成熟度快速無損檢測是今后發(fā)展趨勢。endprint

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