薯類農產品保質減損精準控制關鍵技術

關鍵詞：薯類農產品；保質減損；精準控制技術

0引言

薯類農產品宜糧宜菜、營養全面，浙江省的迷你甘薯和特色馬鈴薯，更是廣受全國人民喜愛。因為薯類農產品的采收特點（一次性全部采收），致使薯類農產品大小和成熟度不一致，嚴重影響了后期的加工品質。薯類農產品由于儲藏不當和表面損傷易侵染病蟲害，致使發生腐敗和變質，嚴重地損害了農戶的經濟利益。因此對薯類農產品保質減損進行精準控制，并對其關鍵技術進行裝備研發有重要現實意義。

1研究背景與意義

薯類農產品主要包括甘薯、馬鈴薯、山藥和芋類等。其中甘薯和馬鈴薯是我國主要糧食作物之一，是宜糧、宜菜、宜飼和宜作工業原料的糧食作物，薯類作物需水量比水稻少30%，并且單位面積產量更高，因此薯類作物在保障糧食安全、緩解資源環境壓力上具有戰略意義[1]。根據國家統計局數據，浙江省宜糧宜菜的薯類農產品（馬鈴薯和甘薯）的產量基本穩定，但近年有下降趨勢，究其原因是冬季連續陰雨天氣，加上期間出現的極端低溫，造成部分地區種植大戶播種困難，產量受到較大影響[2]。

隨著主食化戰略啟動，薯類農產品的加工會越來越受重視。薯類農產品采收有其特殊性，和水果采收可以分時段不同，薯類農產品需要一次性全部采收，存在大小和成熟度不一致的現象，并且采收過程中薯類農產品從泥土中刨出易導致表面受損，有些薯類農產品還需要貯存一段時間。為了得到質優的薯類農產品以滿足消費者的需要，須采取以下5種措施。①從源頭上選擇好的品種，對薯類的品種品質篩選及儲藏品質評價。②對采收后的薯類農產品進行分選（包括外部和內部），研發農產品品質快速檢測分級技術與裝備。③研發薯類農產品在儲藏過程中的品質在線監測預警系統，以防儲存條件不足使薯類農產品變質和發芽等。④研發薯類農產品定量預包裝及儲藏技術，方便后續快速滿足消費市場的需要。⑤引人工業互聯技術，在短期或者長期貯存期間實現薯類農產品的庫與庫之間的聯網，對薯類農產品的各種信息進行互聯互通。

2研究現狀與發展趨勢

薯類農產品是浙江省特色糧菜兼用作物，尤其以迷你甘薯和特色馬鈴薯享譽全國，同時浙江省的薯類農產品生產技術研究相對較多，有生產技術規程地方標準，但缺乏健康性品質評價標準，各個地方評價方式也不一致，亟待一種薯類農產品的品質綜合評價體系，為市場保駕護航。

薯類農產品采后貯前要把壞薯去除，壞薯主要包括蟲蛀、損傷和受病害影響的薯類農產品。OPPENHEIM D等[3]對馬鈴薯的4種病害進行了分類識別，研究中使用的馬鈴薯圖像數據庫包含不同品種和大小的病害薯類農產品，病害區域由專家手動獲取、分類和標記，最后用深度學習方法進行壞薯檢測。對薯類農產品的品質分級在于檢測大小形狀和營養元素等。對于大小檢測則相對較普遍，只要得出薯類農產品的面積或者周長等形態特征就可以，如鄧立苗等[4]提出通過機器視覺方法對馬鈴薯的品質分級，該系統涵蓋了馬鈴薯檢測所需要的視覺系統、光學系統、算法和整個機械系統，是一個全面的馬鈴薯品質檢測分級方案。丁繼剛等[5]發現馬鈴薯黑心病導致在663nm附近葉綠素的光譜吸收峰和760nm附近水的光譜吸收峰與正常馬鈴薯存在顯著差異。GARNETT JMR等[6]通過光纖光譜儀測量馬鈴薯的500～1100nm范圍光譜，測量馬鈴薯中葉綠素的濃度，進而對馬鈴薯的青皮進行早期診斷。SUWH等[7]采用甘薯964～1645nm范圍內的光譜實現對甘薯品種的鑒別，準確率高達100%。

當薯類農產品儲藏環境達不到要求時，會受到病蟲害的侵染產生腐敗變質。在以往的研究中主要是通過監測環境參數（溫度、濕度、二氧化碳濃度）的變化間接判斷薯類農產品的儲藏品質。賈倩民等[8]基于GPRS無線通信系統監控馬鈴薯儲藏期溫度、濕度和C02濃度的變化，用以控制制冷、加熱、除濕、加濕和抽風等環境調控設備。劉瑞瑞等[9]基于Java技術設計出一套馬鈴薯窖藏環境遠程智能監測系統，在充分研究影響因素的前提下，利用傳感器對空氣中的溫濕度及二氧化碳進行實時監測。鞏師洋等[10]基于物聯網Android平臺開發的馬鈴薯儲藏環境遠程調控系統，可以實時監測和控制馬鈴薯窖內的溫度、濕度和C02濃度。

薯類農產品主要以農貿市場與超市散裝銷售為主，部分超市有尼龍網兜預包裝產品售賣，這方面的研究較少。大包裝的薯類農產品以編織袋、尼龍網袋或者麻袋為主。目前國內外有許多種類的自動計量包裝機械，并且大部分用于食品或者農產品的計量包裝領域，但普遍存在定量精度不高的問題，以2.5kg的定量包裝為例，定量誤差一般在土250g。

薯類農產品有較長的產業鏈，薯類品種篩選、采后預處理、品質分級、包裝貯藏和品質預警都對保質減損有較大的影響，目前有相應的研究人員和企業從事薯類農產品的研究和產品開發，但主要都側重于產業鏈中的某一方面，并沒有形成一個較綜合的保質減損體系。另外，隨著大數據、人工智能和5G等現代技術的大規模應用，農產品的保質減損技術也須跟上時代發展的步伐，借助工業互聯技術，融合與品質相關的各影響因素，推動農業與制造業、服務業融通發展，并且適應在線新經濟和非接觸式經濟的發展，滿足人們對高品質、快速打包和智能監控等的需求。

3主要研究內容

本文主要研究薯類農產品的品種品質篩選及食用、儲藏品質評價，開發適宜不同產量規模的薯類農產品采后預處理、品質快速檢測分級技術與裝備，以及在線監測、庫內區域品質預警系統；研發快速供給市場的定量預包裝產品及其儲藏技術，形成薯類農產品的品質評價、分級包裝與精準儲藏技術和設施裝備，建立產品健康性品質評價標準體系。

3.1品種篩選及健康性品質評價標準體系

3.1.1品種篩選與儲藏品質評價

通過保鮮預處理、收獲時間、收獲環境、儲藏方式及儲藏時間等對比試驗，研究各品種在不同儲藏條件下損失率表現，從產后角度篩選適宜儲藏保鮮的品種，研究儲藏保鮮的關鍵技術。通過不同品種儲藏保鮮對比試驗，開展馬鈴薯、甘薯主要成分測定和食用品質分析；從淀粉、蛋白質、糖類等營養成分角度篩選適合儲藏保鮮的優質品種，并研究適宜浙江省產銷環境的馬鈴薯、甘薯儲藏保鮮的關鍵技術。

通過對不同品種馬鈴薯、甘薯在不同儲藏保鮮條件下，儲藏前、后的外觀要素（大小、形狀、顏色、光澤、透明度）、農產品質構（相關質構儀器）、營養質量成分（蛋白質、脂肪、碳水化合物、礦物質和維生素）等的對比變化分析，研究其在不同環境因素變化下儲藏保鮮前后的品質影響，構建薯類農產品食用、儲藏品質評價標準。

3.1.2建立薯類農產品健康性品質評價標準體系

利用現代數據分析手段研究適宜的分析方法，綜合評價甘薯重要品質特征，把多個指標化為少數幾個綜合指標的統計分析方法，建立不同薯類品種綜合指標數據庫，研發構建薯類農產品健康性品質評價標準體系。

3.2采后預處理技術與裝備

3.2.1壞薯剔除算法與軟件開發

先用傳統方法中通過圖像預處理、特征提取、特征描述和模式識別對缺陷明顯的壞薯檢出，保證大多數壞薯（包括蟲蛀、損傷和受病害影響的壞薯）去除。但有一些缺陷與正常區域相差不大，用常規方法難以檢測，因此要用常規的檢測方法結合深度學習等大數據分析方法進行壞薯的檢測與識別。軟件主要實現功能包括相機控制模塊、光源控制模塊、控制下位機模塊、圖像處理模塊、通訊模塊和界面顯示模塊。軟件可適用于不同對象，通過圖像處理模塊可檢測任意薯類農產品。軟件系統是整個系統的大腦，對整個系統進行控制，并且能靈活對新增硬件和功能進行快速適應。

3.2.2壞薯檢測硬件系統開發

設計合適光學和視覺系統，使得缺陷部分與正常區域有高對比度，同時也須保證薯塊與背景清晰。視覺系統中的相機感應光譜與光學系統相匹配，均能把缺陷區域、正常區域和背景區域呈現出高對比度。光學系統要保證主動光源穩定，能根據不同的要求對光源的亮度、角度和時間進行調整，調整可以是手動調整，也能用軟件進行調整。視覺系統要保證采集到足夠清晰的圖像，要求能用軟件實時控制相機的幀率、視場范圍和光圈大小、曝光時間及增益等。硬件部分主要有工業相機、鏡頭、光電傳感器、電源、工控機和下位機等。

3.3在線快速無損分級技術與裝備

3.3.1基于機器視覺的外部品質分級

薯塊圖像中的大小形狀與實際中的大小形狀建立對應關系，視覺系統坐標和世界坐標有一致性。同時要消除鏡頭畸變在實際檢測中對大小和形狀的影響。在保證視覺系統合理設計的同時，也須用算法對圖像進行畸變校正，從而得到精準的大小和形狀描述。與薯塊的采后貯前預處理相似，外部品質分級裝備也在同一個光學和視覺系統中完成，但在分級部分要根據所需等級數進行邏輯判定，在分選機構上要根據需求設計出料口，讓電氣設備根據算法得到的級別標準控制下料機構，把各等級的薯塊收集在同一個收料箱中。在流水線作業的高速運行過程中，鑒于薯類品種、大小和高度的差別較大，還由于機械振動導致的視覺系統跳動，須在視場范圍和景深上預留空間。

3.3.2基于可見／近紅外光譜的內部快速無損缺陷檢測與品質分級

基于組織光學特性積分球測量系統和輻射傳輸模型，測量特征波長下薯類組織的吸收和散射系數。研究薯類組織光學特性與內部品質指標的響應規律，構建品質指標特征光譜指數；研究不同數據處理方式，降低組織微粒尺寸大小、密度不同造成的多層散射效應對組織中化學物質吸收光譜的干擾，構造薯類多品質指標光譜檢測模型。搭建面向薯類作物的多通道可見／近紅外光譜檢測系統，實現薯類多品質指標光譜快速采集；確定薯類品質檢測系統光路分布方式，研究高速在線傳送入庫方式下光譜采集點的一致性和光譜信息有效獲取技術。

3.3.3檢測分級整機創新集成

整機系統包括上料機構、清理機構、單列化機構、電氣模塊和下料機構。上料機構保證大批量的薯類農產品自動通過傳送裝置且不會卡料；清理機構把薯類農產品上的泥和收獲時的秸稈去除；單列化機構使得待測的薯類農產品能按次序規則地通過視覺系統的正下方，保證采集到高質量的圖像；電氣模塊是上位機和機械部分的銜接件，能把上位機發出的指令通過電機或者相應的傳感器控制機械部分的運轉，并能把可能出現的情況反饋給上位機；下料機構要把分級好的薯類農產品分門別類地收集好。

3.4定量快速包裝技術與裝備

3.4.1精準定量技術

研究快速低損供料技術與裝置，實現快速精準地將薯塊裝入到稱量料斗。建立精準定量模型，根據預設的定量值，計算得到最優料斗組合，卸出組合料斗中的物料，實現精確計量。

對現有包裝機進行優化改造，設計柔性輸送裝置，避免薯類產品在輸送過程中的損傷；改善下料通道的高度與坡道斜度，防止薯類產品的跌落損傷；改造包裝機構，實現用無紡布材料、網袋對精確稱量后的薯塊進行包裝。

3.4.2實時標識與二維碼追溯

可以實時打印每個包裝內的薯塊大小等級、實際質量、產地、采收日期和包裝日期等信息，并生成二維碼，形成庫聯網，消費者和相應的廠商可以通過掃碼查詢該包裝內薯塊相關信息。

3.5薯類農產品儲藏技術與裝備

3.5.1儲藏技術

研究馬鈴薯不同采后預處理方式，以及在不同生理階段中溫濕度、空氣組成對馬鈴薯儲藏周期的影響；分析環境溫濕度對呼吸強度調節作用，以及對薯類主要成分含量的影響；分析通風與光照對馬鈴薯儲藏時間與主要成分的影響；提出定量包裝馬鈴薯保持鮮食品質的技術要求。研究甘薯儲藏期間生理生化活動變化規律與環境條件的關系；分析主要成分的變化與自然損耗之間的關系；愈傷組織形成與外界條件的關系；總結出甘薯保鮮儲藏技術要求；實現薯類農產品儲藏過程保質減損。

3.5.2專用儲藏庫與環境參數采集系統

以薯類儲藏工藝需求研究為基礎，在確保庫內溫度處于平衡狀態下，規避冷空氣的流失，合理規劃設計過渡區域；增設保溫板和保護層，優化風幕機的位置，保持儲藏庫內溫度穩定；基于環境參數的梯度變化，合理布置溫度、濕度、二氧化碳和氧氣傳感器，搭建儲藏空間環境參數采集系統，實時獲取儲藏內環境參數；借助CAN總線、信號接收器、PLC、空調機組及控制中心搭建儲藏庫溫濕度管理系統。

3.5.3云端數據庫與環境監測客戶端

基于SG通訊技術，結合最佳的網絡通訊協議，將多維傳感器數據傳輸至云數據庫；確認數據庫空間分層結構和分層中的數據類型，將不同環境參數分開存儲；確定保持薯類鮮食品質的最佳環境參數，同時構建薯類儲藏大數據。分析溫濕度的空間梯度變化，構建倉儲空間環境的溫濕度云圖；基于web開發可視化客戶端，可設置環境參數示警閾值和顯示環境參數的動態云圖；基于儲藏環境需求和環境參數云圖的變化，自動控制風機運轉，調節薯類儲藏環境，達到減損的目的。

3.6薯類農產品示范基地建設與標準化技術規范

研究薯類農產品的品種篩選及健康性品質評價標準技術。研究薯類農產品采后貯前預處理的技術要求；能根據基地采收的薯類農產品作為樣本開發出相應的品質分級生產線。根據馬鈴薯和甘薯的特性，有區別地建立以品質影響因素為指標的庫存儲藏的標準化需求，研發庫內區域品質預警系統技術要求。研發快速供給市場的定量預包裝產品及其儲藏技術，形成薯類農產品的品質評價、分級包裝與精準儲藏技術和設施裝備。

4技術路線

薯類農產品保質減損精準控制關鍵技術研究實施流程如圖1所示，主要包含品種篩選、無損檢測、精準稱量、品質預警和互聯互通技術融合等環節。

（1）品種篩選是收集浙江省主栽和特色品種，開展品種田間種植對比試驗，篩選適合市場需求和產后利用品質要求的優質糧菜兼用型儲藏保鮮品種。

（2）無損檢測是通過搭建合適的光學系統、視覺系統、軟件系統和硬件系統，實現薯類農產品外部、內部的無損檢測分級。

（3）精準稱量是通過多通道稱量、組合料斗和二維碼追溯庫聯網系統，實現薯塊快速精準定量包裝。

（4）品質預警是通過云端電子鼻、薯類產品儲藏庫、環境傳感器與可視化云監控，實現薯類產品的品質監控。

（5）互聯互通技術是對品種篩選、采后處理、無損檢測與分級、定量包裝與儲藏環境檢測的因數融合分析與控制，實現薯類農產品保質減損的精準控制。

5技術應用和產業化前景

薯類是公認的主食，是在米面糧食不夠吃的時候用來果腹的食物，所謂“薯豆半年糧”。隨著生活的改善，人們漸漸重新想起薯類，卻不再是用它們作為主食不足的補充，而是用它們做成各種美味小點，美味菜肴。薯類作為糧菜兼用型的農產品，可作為3大主糧的重要補充，不但豐富了人們的食譜，而且作為戰略資源，把飯碗牢牢端在自己的手中。經過品種優化、品質預警．分級和定量包裝的薯類農產品可滿足各種消費需要，市場差異化也可使得薯類產生高附加值，從而使得農業增效、農民增收。

我國現在薯類農產品上的全產業鏈技術應用還不多，大多用機械設備進行簡單的分類。目前做得較好的是挪威的公司，雖然在我國建立了分公司，但主要以銷售成熟產品為主，在國內的研發力量很少，這些設備價格較高，并且和我國的生產模式不符。因此發展適合我國的專用薯類農產品的產業鏈很有市場意義。

我國2021年的薯類農產品產量2882萬t，浙江省的產量40萬t左右。因此可以立足浙江省，輻射全國。目前在庫存預警方面沒有發現成熟的相關產品，主要在品質分級方面居多，國內外的價格也不等。經過與國內廠商咨詢，僅分級的設備一臺價格最低在30萬元左右，國外的價格則高達200萬元。我國薯類農產品的產量較大，如果在全國推廣，市場容量巨大，即便每年賣50臺，也有至少1000萬元的市場規模。

6結束語

以糧菜兼用型的馬鈴薯和甘薯為研究對象，開展薯類農產品的保質減損精準控制關鍵技術和裝備研發，在應用示范的基礎上，建立生產、供應、儲藏的企業規范和標準體系。通過薯類農產品的品種篩選及健康性品質評價標準體系研究，優選出適宜浙江省的糧菜兼用型品種并構建健康性品質評價標準體系；通過研究薯類農產品采后貯前預處理技術裝備，分選出帶菌蟲蛀和破損等缺陷薯塊；通過在線快速品質分級裝備的研發，實現薯類農產品快速無損檢測與分級；通過薯類精準定量預包裝技術與裝備的研發，實現市場的快速供應；通過環境監控儲藏技術與設施裝備的研究，在確定最佳儲藏環境參數的基礎上實現環境可視化監控，達到保質減損的目的；通過電子鼻智能品質監測系統的研發，實現儲藏過程中薯類農產品品質的實時監測；通過示范基地建設與標準化技術規范研究，構建薯類農產品采后作業規范和管理體系。在系統集成的基礎上，針對典型薯類農產品的生產場景，結合物聯網、大數據及人工智能技術，實現了多生產環節的互聯互通，從而達到薯類農產品保質減損的精準控制。