苹果内部褐变的光学无损伤检测研究

２．５ ２．Ｏ
１．５ １．Ｏ
０．Ｓ ０
一Ｏ．５ ６５０
７００
７５０
８００
葛，Ｕ
波长／ｎｍ
９００
，，Ｕ
图２不同程度褐变苹果光谱图（果柄向上位置）
Ｆｉｇ．２ Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ａｐｐｌｅｓ
进一步分析表明，褐变程度不同光谱也不同，褐 变严重的果实在红色光谱区域（６５０～７５０ ｎｍ）有较 强烈的吸收，尤其是７１５ ｎｍ附近，光密度值增加很 快。在８４０ ｎｍ以上吸收相对较弱。在红光区吸光度 ＋增加的原因被认为是千细胞组织（例如低ＯＨ）和粉 状结构的皮层组织影响所至。
对于此类检测，样品尺寸大小是关键的影响因
万方数据
３结束语
苹果褐变时，在光谱上主要呈现出透射光量减 少。褐变严重的果实在红色光谱区域（６５０～７５０ ｎｍ） 有较强烈的吸收，尤其是７１５ ｎｍ附近，光密度值增 加很快。在８４０ ｎｍ以上吸收相对较弱。实验结果证 明７１５ ｎｍ、７５０ ｎｍ、８１０ ｎｍ ３个单波长可作为判别 褐变果的特征波长。而且得到了褐变果和正常果的 判别函数为：Ｙ＝Ｋ。＋Ｋ。Ｘ，＋Ｋ：Ｘ。＋Ｋ。Ｘ。。并得到 果径对检测的影响会随果径增大，ＯＤ值也增大。
损检测［３］，该方法只能检测到果皮以下２ ｅｍ范围 内，对于果心周围的轻微褐变检测比较困难。
国内对水果内部品质（褐变）检测研究比较少。 胥芳等研究了介电式水果分级系统［４３；张立彬对苹 果介电特性的无损检测进行了全面研究，能实现对 苹果摔伤和腐烂的检测［５］。韩东海等先后对受损苹 果颜色和组织的近红外光谱特性［６］以及苹果水心病 的光学无损检测［７１进行了研究。本文主要探讨利用 可见近红外光谱技术检测苹果内部褐变的可能性。
２ ２
趔１
嚣，
米Ｏ
一０
波长／ｎｍ
图４同褐变程度而不同果径光谱图
Ｆｉｇ．４
Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｌｅ ｓｉｚｅ ｂｕｔ ｓａｍｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ
Ｔａｂ．３
表３ ３个样品参数指标
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｌｅｓ
判别函数用于苹果分类时，将要判断的观测值 带入到以表２中数值为系数的判别函数中，哪一个 判别函数值最大，就属于哪一类。用判别函数回代结 果，作为回顾性检验，结果见表２。所有样品被误判 的总误判率是４．３５％，其中褐变果被误判为好果的 误判率是２．３８％，好果被误判的误判率是８．６２％。 这样的检测结果对于本身较为复杂的农产品来说可 以接受。 ２．３褐变检测影响因素
测量所有苹果的质量和横、纵径。横、纵径为最 大和最小横径和纵径的平均值。
光谱测量时每个苹果测量两种位置，一种是光 源检测器与果轴平行（图ｌａ），另一种是将苹果果轴 与光源检测器垂直（图ｌｂ），光线从苹果赤道处穿 过。按图１ａ位置，每个苹果测量３次，每次水平旋转 １２０。，３次测量平均光谱用作分析。果柄向右（图ｌｂ） 时，每个苹果测量两点，两点方向相互垂直。由于褐 变苹果的透射光能量较弱，每张光谱的积分时间是 ４ ０００ ｍｓ，平均次数１０次。积分时间过长会对苹果 表面造成烧伤，为了得到充足的透光量，而且保证苹 果不被光源所灼伤，苹果距离光源５ ｃｍ左右。
９５．６５％。另外，还讨论了苹果尺寸大小对检测结果的影响。
关键词：苹果褐变可见近红外光谱无损检测
中图分类号：￥４３６．６１１．１＋９；０６５７．３３
文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ—ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉＶｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ａｐｐｌｅｓ
Ｈａｎ Ｄｏｎｇｈａｉ
２ ０ ０ ６年６月
农业机械学报
第３７卷第６期
苹果内部褐变的光学无损伤检测研究＊
韩东海 刘新鑫 鲁 超 王加华 孙旭东
【摘要】利用可见近红外连续透射光谱技术（６５０～９００ ｒｉｍ）对苹果内部褐变进行了研究。分析了其光谱特性，
选择７１５ ｎｍ，７５０ ｒｉｍ，８１０ ｎｍ ３个特征波长进行了褐变果判别分析，实验结果表明，样品的正确判别率达到
Ｙ—Ｋｏ＋Ｋ１Ｘｌ＋Ｋ２Ｘｚ＋Ｋ３Ｘ３ 式中Ｋ。——常数项
Ｋ。、Ｋ：、Ｋ。——变量系数 果柄向上时分组的线性判别函数系数见表１。
表１果柄向上时分组的线性判别函数系数
Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ （ａｐｐｌｅ ｓｔｅｍ ｕｐ）
Ｔａｂ．２
衰２判男Ｕ分析结果
ａｎｄ ８ １ ０ ｎｍ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒｓ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｗａｓ ９５．６５％ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ—ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ｔｈｒｅｅ ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒｓ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｅ
１实验材料和方法
１．１实验样品和仪器 实验样品为山东栖霞普通套袋富士苹果
１８４个，质量为１８４～３２０ ｇ，果径为７．３３～９．５ ｃｍ。
收稿日期：２００４—１２—１３ ＊国家自然科学基金资助项目（项目编号：３０５７１０７３）和农业科技成果转化资金资助项目（项目编号：０２ＥＦＮ２１６９００７２０） 韩东海 中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授，１０００８３北京市 刘新鑫 中国农业大学食品科学与营养工程学院硕士生 鲁超中国农业大学食品科学与营养工程学院硕士生 王加华 中国农业大学食品科学与营养工程学院 硕士生 孙旭东 中国农业大学工学院 硕士生
褐变等级规定为：０级为０％，１级为０ ｏ，４～ １０％，２级为１０％～２５％，３级为２５％～４０％，４级 为４０％～６０％，５级为大于６０％。
２结果与分析
２．１光谱特征 苹果在ＮＩＲ光谱６５０～９００ ｎｍ区间内主要有
万方数据
６７０ ｎｍ附近的叶绿素吸收峰，和７６０ ｎｍ、８４０ ｎｍ 处的水或氢氧基团吸收峰（图２）。图２中从０到５ 指示的光谱分别为６个等级的苹果样品平均光谱。 当苹果发生褐变时，在光谱上主要呈现出透射光的 减少。不同褐变程度的光谱清楚地显示了各波长光 密度值（０Ｄ）的变化情况。７１５ ｎｍ附近的ＯＤ值是 变化最明显的区域。随着褐变的加重，该波长光密度 增加很快，而旁边的７５０ ｎｍ的吸收峰增加缓慢。这 样，到褐变严重时，７５０ ｎｍ处的吸收峰已经由于 ７１５ ｎｍ附近值的变大而看不到了。从光谱上看，到 褐变最严重时，光谱从６７０ ｎｍ到８１０ ｎｍ范围几乎 成了一条单调下降的斜线。取ＯＤ７１５与ＯＤ７５０的 差值，／ｘＯＤ（７１５—７５０）由负值变为正值的过程恰好 描述了褐变加重的过程。
干细胞组织的存在导致空气占据空气组织联通 增加，促使光的散射增加，透射强度减小，吸光度增 加。结构组织的改变使湿组织减少，故光密度值变 大。用光密度值的变化反映组织结构状况，已经成功 地用来检测水心病。严重褐变果在８００ ｎｍ以上吸 光度降低，这与Ｕｐｃｈｒｕｃｈ等人的研究结论相同［８］。
褐变苹果两种位置光谱的差异主要是能量高低 不同。本实验讨论两种位置的检测效果是因为苹果 发生褐变不像水心病果那么有规律，而且褐变的出 现无法预计，从外观无法得到内部信息。褐变出现在 苹果内部的位置不同，所产生的光谱就会有所变化。 苹果褐变位置对果柄向上、向下两种位置所产生的 影响是一致的，只是两种位置在整体透光量上有些 差别。但对于果轴与光源检测器平行和垂直时的光 谱图则谱形有较大差异，如图３所示即为一个严重 褐变苹果和一个正常果，分别在果柄向上（ｓ）和果 柄向右（Ｒ）两种位置检测时的光谱图。
ｓｉｚｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ
Ａｐｐｌｅ， Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ， Ｖｉｓｉｂｌｅ—ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ， Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
引言
苹果是全年供应的水果，气调贮藏是苹果保鲜 的重要手段。苹果虽是耐贮藏的水果，但在长时间的 气调下仍难免出现内部褐变，褐变原因除采前生理 因素外，主要是贮藏时的气体成分影响。要想保证贮 藏后出库的苹果质量，对其褐变的检测十分必要。
Ｌｉｕ Ｘｉｎｘｉｎ Ｌｕ Ｃｈａｏ Ｗａｎｇ Ｊｉａｈｕａ
（Ｃｈｉｎａ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
Ｓｕｎ Ｘｕｄｏｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎｓ ｏｆ ａｐｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｂｙ ｖｉｓｉｂｌｅ—ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（６５０ ｎｍ ９００ ｎｍ）．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｅｓ，ｔｈｒｅｅ ｗａｖｅ ｎｕｍｂｅｒｓ，７１５ ｒｉｍ，７５０ ｎｍ，
水果褐变检测很早以前已经开始，Ｌｏｒｄ等首先 研究了元帅水心病苹果在贮藏中褐变发生过程［１］， 在冷藏条件下褐变产生在贮藏一个月后，而常温下 褐变仅在采摘７ ｄ后就发生。Ｂｒａｍｌａｇｅ等也研究了 元帅水心病苹果在贮藏时发展为褐变的现象，并探 讨了利用光学方法无损检测苹果的可能性［ｚ］。Ｐａｏｌａ 等使用ｔｉｍｅ—ｒｅｓｏｌｖｅｄ反射光谱对梨褐心进行了无
万方数据
第６期
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韩东海等：苹果内部褐变的光学无损伤检测研究
光谱测量使用ＣＣＤ光栅型可见近红外光谱仪。 仪器波长范围６３８～１ ２９５ ｎｍ，每隔０．３５ ｎｍ取一 个点，每张光谱共２ ０４７个点。光源位于仪器上部， 检测器位于底端。
新鲜苹果用ＣＯ。处理以促使其发生褐变。用厚 ０．８ ｍｍ聚氯乙稀薄膜自制密封袋，所有样品分装 在４个袋子里，分别充入Ｃ０：使其含量达到３０％， Ｏ。为５％。由于袋子密封不一致，漏气程度不同。刚 充入气体时袋子是发胀的，当袋子发扁时即充入空 气使其维持在一定的气压状态。在室内自然状态下 放置一个月后，取出测量光谱。 １．２光谱的获得
（ａ）
【ｂ）
图１苹果测量位置示意图
Ｆｉｇ．１ Ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ （ａ）光源与果轴平行 （ｂ）光源与果轴垂直
１．３褐变果的评估 光谱测量完毕后苹果全部沿赤道线切开以确定
果肉褐变程度。横截面用数码相机（奥林巴斯 Ｃ３００Ｚ，分辨率为６４０×４８０，每个像素０．１４ ｍｍ× ０．１４ ｍｍ）拍照，照片通过通用图像处理软件Ｓｃｉｏｎ ｉｍａｇｅ进行处理，计算褐变面积所占截面比例。
８８
农业机械学报
２·５ ２－０
１．５
嚣１．ｏ
招０．５ 米
Ｏ
一０．５
—１．Ｏ ６５０
７００
７５０ ８００ ８５０ 波长／ｎｍ
９００ ９５０
图３不同位置光谱图比较
Ｆｉｇ．３
Ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｏｕｎｄ ａｎｄ ｂｒｏｗｎ ａｐｐｌｅｓ
２．２褐变果的判别分析 苹果发生褐变对消费者来说是不能接受的，所
Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
素，而且苹果本身的规则程度不一更给检测带来不 便。光密度值与样品大小明显相关。果径越大，ＯＤ 值也越大。本实验样品大小范围较大（果横径为 ７．３３～９．５ ｃｍ），对检测有影响，但影响程度难以说 明。相同褐变程度而大小不同的苹果在理论上应该 有相同的吸收峰和波谷，且形态一致，只是在谱图坐 标上的高低有差异（图４，表３）。但实际情况比较复 杂，因为即使褐变程度、大小相同的苹果也可能因形 状、成熟度等原因而导致光谱出现差异。一般而言， 大部分情况与图４所示基本一致。
以在线检测苹果实际只需两个结果，合格或者不合 格（褐变）。连续光谱的测量时间较长，影响在线检测 工作效率，若能采用单波长光源达到同样的检测效 果最为理想。
选果柄向上时单波长７１５ ｎｍ、７５０ ｉｌｍ、８１０ ｌａ＿ｍ 的ＯＤ值，作为判别指标。果柄水平位置与其方法相 近，结果没有提高，此处不再论述。７１５ ａｍ是褐变变 化最明显的波长，７５０ ｎｍ处是吸收峰，８１０ ｎｍ吸收 最少，同时其受成分变化影响也小，表现为物理结构 的变化。通过ＳＡＳ ８．０ ｄｉｓｃｒｉｍ一般判别程序计算结 果，得到褐变果和正常果的判别函数