無損檢測技術在農產品品質評價中的應用

作者：劉靜 章程

摘要：無損檢測技術是近年在農業和工業中廣泛應用的新興的高科技檢測技術。介紹各種無損檢測技術的研究原理，綜述無損檢測技術在不同農產品品質檢測中的應用現狀，并對農產品品質無損檢測技術提出了發展與展望。
關鍵詞：無損檢測農產品品質檢測分級

    隨著我國加入世貿組織后和人民消費物質的不斷豐富，人類對可食農產品的要求不再滿足于農產品的數量，也不再滿足于農產品的安全、衛生，而是對農產品的外觀、風味和營養等品質問題越來越關注，要求越來越高。在同等安全、衛生的情況下，選擇食用優質農產品漸漸成為一種消費觀念和消費文化，這使得對農產品按質量要素進行等級劃分，實行以質論價、優質優價就變得切實可行。本文綜述了不同的無損檢測技術在農產品中的應用現狀和最新研究進展，并對其未來的發展方向進行了展望。
   1農產品的無損檢測
   無損檢測技術（Nondestructive DeterminationTechonologies，簡稱NDT）是一門新興的綜合性應用學科，它是在不破壞或損壞被檢測對象的前提下，利用農產品內部結構異常或缺陷存在所引起的對熱、聲、光、電、磁等反應的變化，來探測各種農產品等內部和表面缺陷，并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價[1]。根據無損檢測原理的不同，檢測方法大致可分為光學特性分析法、聲學特性分析法、機器視覺技術檢測方法、電學特性分析法、核磁共振檢測技術與X射線檢測技術等；農產品的品質檢測主要包括水果、蔬菜的檢測與分級；畜禽、水產品類的檢測與分級；經濟作物的檢測與分級(煙葉、茶葉、咖啡、蜂產品)；谷物籽粒的檢測與分級(如大豆、花生、玉米、芝麻、大米)等；根據農產品品種及其物理特性的多樣性，不同的農產品有時需要用不同的無損檢測方法和檢測裝置來實現。
    2無損檢測主要方法與基本原理
    2.1光學特性分析法由于農產品的內部成分和外部特性不同，在不同波長光線照射下會有不同的吸收或反射特性，即水果的分光反射率或吸收率在某一特定波長內會比其它部分大，根據這一特性結合光學檢測裝置能實現農產品品質的無損檢測。目前用于水果內部品質的光學檢測主要有3種方法：規則反射光法、漫反射光法和透射光法[2]。
    2.2聲學特性分析法農產品的聲學特性是指農產品在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性和吸收特性、衰減系數和傳播速度及其本身的聲阻抗與固有頻率等，它們反映聲波與農產品相互作用的基本規律，故根據農產品的聲學特性即可判斷農產品品質[3]。
    2.3機器視覺技術檢測方法計算機視覺是以計算機和圖像獲取部分為工具，以圖像處理技術、圖像分析技術、模式識別技術、人工智能技術為依托，處理所獲取的圖像信號，并從圖像中獲取某些特定信息。計算機視覺技術無需接觸特定對象便可從獲取的圖像中得到大量的信息，通過對這些信息的分析得到物體尺寸、表面缺陷、外觀形狀、表面色度等具體信息，進而實現外觀質量的綜合評價。
    2.4電學特性分析法介電特性是指生物分子中的數負電荷(只能在分子線度范圍內運動的電荷)對外加電場的響應特性。農產品的生理變化伴隨著電介質特征參數變化，而這一變化可通過對宏觀介電特性參數的檢測感知。因此，利用農產品的介電特性，可實現對農產品含水率、損傷、品質等的快速檢測。
    2.5核磁共振檢測技術核磁共振技術（NMR）是一種探測濃縮氫質子的技術，它對農產品中的水、脂的混合團料狀態下的響應變化比較敏感。如果以適當頻率的電磁波照射在外加磁場中的自旋核，這時處于低能態的自旋核就會吸收電磁波的能量，從低能態躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振。這時的核產生一種核磁共振信號，從而給出核磁共振譜，即NMR譜。根據此核磁共振譜可反映分子中原子所處的狀態，進而可以對農產品的內部品質進行綜合評價[4]。
    2.6 X射線檢測技術X射線具有較好的穿透能力，對于農產品來講其密度大小影響X射線的穿透量的多少，通過對穿透量的分析，可探明物質內部的情況。X射線適合于那些與密度變化有密切聯系的品質因素檢測。由于農產品的密度與金屬等物質相比要小得多，所以所需X射線強度很弱，通常稱其為軟X射線。
    3無損檢測技術在農產品品質檢驗中的應用
    3.1在果蔬產品檢測中的應用袁雷、劉輝軍等[5]選擇不同譜區范圍的近紅外光譜，利用偏最小二乘法對柑橘中總酸、總糖和維生素三種組分建立數學預測模型并進行優化，三種組分的化學值與近紅外預測值的相關決定系數分別為：總酸r2=0.959，總糖r2=0.970和維生素Cr2=0.973，所建模型具有實際應用價值。
    Bart De Ketelaere和Josse De Baerdemaeker兩人[6]研究出了一種基于頻譜分析來估測西紅柿的硬度的方法，研究表明西紅柿橢圓模型的共鳴頻率與其硬度相關，他們把一種基于統計的無參數濾波方法應用于頻譜以獲得共鳴頻率的有力估計，并施加以合適的算法，從而可以以最少的測量次數獲得單個西紅柿的硬度。
    應義斌、徐惠榮和徐正岡[7]建立了用于柑桔成熟度檢測的計算機視覺系統，研究了柑桔圖像顏色的描述方法，通過分析比較，認為在利用水果可見光彩色圖像檢測水果成熟度時，宜采用HIS顏色模型空間，利用人工神經網絡方法建立了根據柑桔圖像的色度頻度序列判斷柑桔成熟度的映射器，這一映射器檢驗252只成熟度不同的尾張系柑桔的結果表明柑桔果實的表皮顏色與成熟度之間具有相關性，可以通過利用計算機視覺技術測定柑桔的表皮顏色信息來判斷柑桔的成熟度。
    秦文、陳宗道、羽倉羲雄等[8]選用新鮮胡蘿卜、蔥、蘑菇和生菜為原料，研究干燥過程中原料電特性參數電容和水分含量的變化規律以及它們之間的相關性。結果表明：60℃溫度下熱風干燥幾種新鮮蔬菜，其水分含量隨著干燥時間的延長而下降，到一定的水分含量后質量不再發生變化，電容的變化趨勢與水分的變化相同，質量不變時電容也趨于恒定，兩者之間存在極顯著的線性正相關性，說明干燥過程中水分含量的測定可以用檢測相對應點的電容值來計算，從而實現在線、無損監控食品干燥過程。
    Chaughule等[9]使用自由感應衰減（FID）譜的方法對人心果中的可溶性碳水化合物進行了測定，研究發現，通過觀察人心果的13C-NMR譜和1H-NMR譜，可從其峰的特點推測其中水和碳水化合物的組成和狀態，因此，在果實的收獲時間的確定和商業分級上，采用13C-NMR技術檢測果實中糖分的組成與含量，具有一定的實際意義。章程輝、劉純青等[10]進行了利用X射線CT圖像技術方法檢測紅毛丹內在品質-可食率、可溶性固形物含量的試驗研究。采用閾值法去除X射線CT圖像背景，然后用面積閾值法來提取果肉區域。紅毛丹可食率以分割果肉區域像素值與整個果實區域像素值之比來表示，實驗結果表明誤判率為8.3%，基于X射線CT值的紅毛丹可溶性固形物含量預測模型的相關系數達92%。
    3.2在谷物籽粒檢測中的應用
    林敏、呂進[11]基于離散余弦變換和BP神經網絡，建立了玉米的近紅外光譜與其成分含量之間關系的數學模型，提出了應用近紅外光譜快速檢測玉米樣品中的淀粉、水分、蛋白質和油等四種主要成分含量的方法。研究結果表明，玉米樣品集的化學檢測值與近紅外預測值的相關系數分別為:淀粉R=0.967，蛋白質R=0.957，油R=0.967和水R=0.971，其所建模型具有實際應用價值。
    李建平、魏寶剛[12]針對開口與未開口松子結構差異，利用聲學測試系統，對開口松子與未開口松子聲學特性進行測試，以區分開口與未開口松子。試驗中，松子在一定高度下落，碰撞到陶瓷板，微音計接收到聲音，輸入計算機，利用計算機進行分析計算，得到波形圖和頻譜圖。通過試驗和分析計算，發現開口松子的頻譜圖分形維大于未開口松子，開口松子頻譜分形維平均值為1.3497，未開口松子頻譜分形維平均值為1.1846，松子波形和頻譜的分形維可以作為用于判別松子是否開口的一個指標。
   鄭華東、劉木華等[13]在分析大米裂紋光學特征的基礎上，在Visual C++6.0環境下開發了一套大米裂紋計算機識別系統，通過圖像二值化、區域標記等方法從原始圖像中提取單體米粒圖像，并對提取出的單體米粒圖像進行灰度拉伸變換處理以突出米粒裂紋特征，然后提取單體米粒的行灰度均值變化曲線，并對曲線進行加權濾波處理，提出了一種基于單體裂紋米粒圖像行灰度均值變化特征的大米裂紋檢測算法。試驗結果表明，該系統對特殊類大米樣品和隨機大米樣品裂紋率的判斷準確率分別為98.37%和97.88%，為進一步完善大米品質的計算機視覺檢測提供了理論和實踐基礎。
    米雙山等人[14]將谷物置于由特殊裝置產生的不均勻電磁場中，使處于不均勻電場中的介質極化，靠近電極的兩端會產生符號相反、量值相等的極化電荷，其中一個極化電荷的電極化力作用于電介質上，而電介質在均勻電場中所受到的電極化力的大小與其介電常數密切相關，介電常數愈大，所受到的電極化力也愈大。結果表明，活力高的谷物的介電常數小，活力低的介電常數高，依據該原理，即可對谷物按介電常數等相關物理特性的差異進行分選。
    張鐘華、賀青和李正坤[15]已研制成的一種基于核磁共振原理的大豆含油量快速測定儀。只要把數克待測定的大豆樣品放入儀器中，幾秒鐘后即可得到大豆含油量讀數。該儀器的測量范圍為10%到25%，讀數不確定度小于1%。通過該儀器的測定建立了大豆含油量與核磁共振峰值的對應關系:實際使用大豆含油量在15%～21%之間，使用核磁共振大豆含油量測量儀10次測量平均值與樣品標準量值相差小于0.3%，標準方差小于0.4%。
    3.3在畜禽、水產檢測中的應用
    姬瑞勤、王忠義等[16]選擇合適的近紅外光波長來檢測鮮肉的深層水分，由公式OD=㏒10I0/I=ε*c*d*B+G可知，入射光的光強I0、出射光的光強I、差分路徑因子B都可以通過不同的方法測量；消光系數ε為常量，光散射引起的衰減因子G可以通過空間分辨方法被消掉。因此適當調整光源和檢測器之間的距離d，依據公式L=bd可以獲得鮮肉不同深度的水分信息，并根據修正的朗伯-比爾定律求得鮮肉不同深層的水分含量。
     徐建瑜、姜雄暉等[17]利用計算機視覺技術近似量化水中魚體色的明暗程度，將圖像轉換到HSV空間得到魚體的明度值，與經校準后的無色玻璃覆蓋的灰級各階的明度值進行比較和線性插值，近似用明度階值表示魚體色的亮暗程度，研究羅非魚對環境背景顏色的適應能力和在應激情況下魚體色變化。結果顯示，該方法能較好地反映出魚的體色明暗變化，從而實現基于魚的行為與水產養殖環境的關系。
     張錦勝等[18,19]人利用了低場核磁共振及其成像技術中的SE序列對豬肉的質量品評做了初步的探索，發現了在SE序列成像過程中，圖像信號與T1之間有相關性，得到豬肉的最佳TR值，獲得水分分布很滿意的T1加權像，提供了一種研究食品物質性質的方法。
   為了解決由于雞肉厚度不均引起雞骨頭誤判率高的問題，Tao.Y等人[20,21]研究出了厚度補償算法。通過計算雞塊的厚度輪廓函數來獲得X射線圖像灰度的補償函數，再通過閥值法分割出骨頭區域，把肉和骨頭對X射線吸收率的不同考慮到閥值算法中，提出了基于厚度變化、肉和骨頭吸收率差別的局部閥值分割算法。結果表明：該算法有很好的圖像檢測效果，實現在線儀器檢測雞骨頭是否去除干凈，以滿足了生產消費的需求
    3.4在經濟作物檢測中的應用
    蔣錦鋒、李莉等[22]應用近紅外光譜技術建立煙草17項主要化學成分的快速無損檢測方法。收集700個具有代表性樣品的光譜，建立其相應指標的近紅外模型。在所有的校正模型中，原始譜圖經過一階導數和偏最小二乘(PLS)處理，大約50個外部樣品用于所建模型的驗證。煙草中總揮發酸、總揮發堿、石油醚提取物總量、石油醚提取物中性成分、多酚、淀粉、纖維素、硫酸根、pH、灰分、水溶性灰分堿度、總糖、還原糖、總氮、生物堿、氯、鉀等十七項指標的預測標準偏差(RMSEP)分別得到準確的測定。該結果表明近紅外光譜技術在分析17項煙草化學指標時均可以替代經典化學方法。汪建、杜世平等[23]探討了茶葉顏色實時檢測的計算機系統的硬件組成以及有效的顏色檢測模型和識別算法，通過實驗對其有效性進行了驗證，以茶的HIS圖像為模型，提取H作為識別指標的遺傳神經網絡新途徑，對茶葉圖像進行了有效的識別。用所建立的識別指標和方法對不同烘炒工藝的茶葉進行檢測，檢測結果與人工判別結果的吻合率為91.7%，說明用計算機視覺代替人工感官進行識別是可行的。該方法的檢測為茶葉感官品質檢測提供了一種新的檢測方法，應用前景廣闊。
   4發展與展望
   對于各種農產品無損檢測方法有各自的優缺點：如，近紅外主要應用于有機物的定性鑒定和定量分析，可在瞬時同時分析多組成分的含量。但由于農產品形狀各異性、內部成分的復雜且含量極少等因素，使近紅外分析技術的研究需進一步深入；聲學特性則是實現硬度自動檢測的有效方法，但多種聲學特性對農產品某一內部品質指標或多種內部品質指標的綜合影響的研究還未見有報道；計算機視覺技術是實現農產品自動識別和分級的最有效的方法，是解決不規則的農產品形狀分析的一種可行的手段；農產品介電特性檢測法可以迅速簡便地確定農產品的含水率和吸濕性，檢測其品質，確定其成熟度等，但目前狀況下，基于介電特性的農產品無損檢測系統遠沒有達到實用階段；核磁共振技術可在不侵入和不破壞樣品的前提下，對樣品進行快捷、實時、全方位和定量的測定分析，正成為分析弄清農產品中不均勻系列復雜特性的最佳研究手段之一，但是X射線圖像無損檢測系統的制造成本比較高。目前國內農產品內在品質檢測技術的研究還處于初級階段，無損檢測技術多是一種產品某一單項項目進行檢測的，而對農產品的多種內在品質的綜合檢測方法研究得不多，故無損檢測技術、數據處理技術、自動控制技術以及計算機技術的發展為農產品無損檢測技術發展提供了更為廣闊的空間。許多高新技術在農產品無損檢測領域的應用，使檢測技術由半自動化向自動化轉化、外部品質向內部品質轉化、規格游文字化向數字化轉化、單項目檢測向綜合全方位檢測轉化，設備結構則由復雜化向便攜化、數字化、智能化方向邁進。實現多目標在線無損檢測技術，多種傳感器融合技術，對提高我國農產品的品質，增強參與國際競爭的能力，大大降低工人的勞動強度，具有重要的理論意義和實際意義，并能創造較大的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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