一種快速無損確定蘋果收獲期的光譜檢測方法

背景介紹

為了使蘋果早上市賣高價，將未成熟的蘋果過早提前采摘，會嚴重影響蘋果的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低蘋果的貯藏性能。要增加果農(nóng)的生產(chǎn)效益，必須提前采收蘋果。適期采摘是保證蘋果優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，提高果品貯藏力的重要環(huán)節(jié)。

圖1.不同成熟度，不同品種的蘋果

蘋果適期采收，分期采收，是提高蘋果內(nèi)在品質(zhì)，外觀品質(zhì)和貯藏性的有效措施。判斷果實成熟與否和確定采收期的方法很多，傳統(tǒng)的辦法主要是根據(jù)果品重量，果皮底色，果肉硬度，計算果實從盛花后到果實成熟的生長天數(shù)，果實的呼吸躍變期發(fā)生時間，果實淀粉含量，氣候條件，品種等因素來判斷采收期。

論述

我們講述的是一種能夠在果園中使用光學和無損測量來確定收獲日期的方法。以前的光學方法可以測定果皮色素的變化以及糖含量和干物質(zhì)含量。Streif指數(shù)所依據(jù)的強度指數(shù)無法在果園中使用光學方法進行非破壞性測定。因此，應通過光的散射特性找到確定成熟度的進一步措施?；谶@些特性，可以獲得有關(guān)細胞結(jié)構(gòu)的知識，這反過來又是保質(zhì)期的影響因素。德國博登湖水果生產(chǎn)發(fā)展中心（KOB，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）將使用光譜儀測量 Elstar（伊思達）、Gala（嘎啦） 和 Jonagold （喬納金）品種的蘋果。

圖2.快速無損檢測方法獲取蘋果zui 佳采摘時間(初代原型機)

在 Streif 指數(shù)中，可溶性干物質(zhì)（糖）（以 °Brix 為單位）、果肉的硬度（以 kg/cm2 為單位）以及淀粉降解程度均采用 1 至 10 的評分標準來確定。根據(jù)計算出的指數(shù)（硬度/（糖度 x 強度）），zhi 定了特定品種的收獲窗口。該數(shù)據(jù)是在多年的研究工作中憑經(jīng)驗收集的。

自 2016 年以來，KOB 一直致力于各種項目（Big Apple 和 Melon 項目），尋找新的收獲確定方法，使果實保持完整。用于水果的光學手持式測量設備已經(jīng)上市，可以提供蘋果皮zui初幾毫米的數(shù)據(jù)。 根據(jù)設備類型的不同，收集的數(shù)據(jù)量存在很大差異，例如在處理干擾性環(huán)境光方面。 有些設備可以計算陽光的影響。 光譜儀數(shù)據(jù)用于計算果皮顏色（綠色、黃色和紅色色素）的信息，并使用特殊模型計算水果的糖含量或干物質(zhì)含量的信息。 然而，僅憑這些數(shù)據(jù)無法確定收獲日期。因此，在“Big Apple"項目中，可以從已經(jīng)商用的光譜儀設備收集的數(shù)據(jù)與影響儲存壽命的其他已知因素的數(shù)據(jù)相結(jié)合，并結(jié)合起來形成對zu i佳收獲日期的預測。 這些包括，例如，水果掛，葉果比、鈣施肥和上一收獲日期。

由于每年的種植條件差異很大（主要是由于天氣），因此模型需要不斷收集更多的數(shù)據(jù)，以便能夠開發(fā)強大的預測工具。 此外，光學數(shù)據(jù)也存在較大的年度波動。 例如：葉綠素值與基本顏色相關(guān)，可以作為zui 佳收獲日期的指標。 然而，我們每年在zu i佳收獲日期用光譜儀測量不同的值。 因此，葉綠素值目前不能作為確定收獲的唯yi參數(shù)

新型的光譜檢測儀器

 Melon 項目的目標是開發(fā)一種光譜儀，為確定zui 佳收獲日期提供新的見解。 與德國INSION公司以及其他研究機構(gòu)合作，從頭開始開發(fā)了光譜儀并進行了測試。 為此，制造了不同類型的外殼，并在智能手機上編寫了數(shù)據(jù)分析軟件。 為了能夠檢查所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，鑄造了模型（具有確定光學特性的半球），并用其進行了參考測量。 光源是光譜儀的心臟。 為此，新開發(fā)的 LED 被安裝在一個環(huán)中。 所開發(fā)的光譜儀（參見圖3）不僅能夠確定光的反射，還能夠在第二光源的幫助下確定散射（參見圖4）。

圖3.手持式光譜儀

圖4.快速無損檢測方法獲取蘋果zui 佳采摘時間

光譜儀在現(xiàn)場測試中進行了測試，水果也在另外兩個光學傳感器實驗室裝置上進行了測試。 該項目的目的是開發(fā)一種實用且廉價的現(xiàn)場測量設備，該設備還可以檢測蘋果的散射特性。

圖5. 光線（黑色箭頭）照射到蘋果時產(chǎn)生的效果示意圖。雖然小部分已經(jīng)在表面反射，但大部分光線可以深入到牙髓中。 在那里它被分散幾次（即改變其方向）并重新出現(xiàn)，相應地減弱，偏移到照射點。 根據(jù)光的波長（顏色），部分光被蘋果吸收。 發(fā)射光的光學測量可以識別顏料，或者通過附加模型確定可溶性固體。 這些照片顯示了光線如何通過蘋果中的點光源傳播（左側(cè)沒有外部光源，右側(cè)有額外的外部光源）

該試驗于2018年至2020年在Gala、Elstar、Jonagold和Braeburn品種上進行，以便在一個時間內(nèi)覆蓋從早到晚的整個收獲期。生長季節(jié)覆蓋晚熟品種。 同時，KOB 使用常規(guī)實驗室方法確定了收獲的Streif指數(shù)，并與我們自己的經(jīng)驗值進行比較，以確定長期儲存的zui 佳收獲時間。

在對新型光譜儀原型機的研究中發(fā)現(xiàn)，從蘋果到收獲期間，散射系數(shù)逐漸減小，并且存在品種差異。 該項目的進一步結(jié)果必須在后續(xù)測試中進行檢查。 目前，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和分析技術(shù)不足以借助新開發(fā)的光譜儀來預測zui 佳收獲日期。 然而，KOB 已大大擴展了該應用的專業(yè)知識，并且通過正在進行的工作，有可能小規(guī)模且非破壞性地預測收獲日期。

核心光譜模塊

該光譜儀器采用了德國Insion公司的UV VIS SENS系列光譜儀，具有靈敏度高，成本低，穩(wěn)定性高和臺間差小等特點，適合大批量手持式光譜儀采用。

圖6. UV VIS SENS S 光譜儀模塊（德國INSION公司）

上海昊量光地設備有限公司作為德國INSION在中國地區(qū)唯yi的代理合作商，常年活躍在國內(nèi)分子光譜，近紅外光譜圈，給更多的客戶帶來優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務。針對insion系列光譜儀，公司備有各種型號的樣品供客戶測試評估，還可以幫助搭建實驗原型機，各種光譜測量系統(tǒng)等。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器、光學測量設備、光學元件等，涉及應用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學研究、國防、量子光學、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設備安裝，培訓，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務。