无损检测技术在农产品品质评价中的应用

1、无损检测技术在农产品品质评价中的应用随着我国加入世贸组织后和人民消费物质的不断丰富，人类对可食农产品的要求不再满足于农产品的数量，也不再满足于农产品的安全、卫生，而是对农产品的外观、风味和营养等品质问题越来越关注，要求越来越高。在同等安全、卫生的情况下，选择食用优质农产品渐渐成为一种消费观念和消费文化，这使得对农产品按质量要素进行等级划分，实行以质论价、优质优价就变得切实可行。本文综述了不同的无损检测技术在农产品中的应用现状和最新研究进展，并对其未来的发展方向进行了展望。1农产品的无损检测无损检测技术（NondestructiveDeterminationTechonologies，简称NDT

2、是一门新兴的综合性应用学科，它是在不破坏或损坏被检测对象的前提下，利用农产品内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种农产品等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。根据无损检测原理的不同，检测方法大致可分为光学特性分析法、声学特性分析法、机器视觉技术检测方法、电学特性分析法、核磁共振检测技术与射线检测技术等；农产品的品质检测主要包括水果、蔬菜的检测与分级；畜禽、水产品类的检测与分级；经济作物的检测与分级（烟叶、茶叶、咖啡、蜂产品）；谷物籽粒的检测与分级（如大豆、花生、玉米、芝麻、大米）等：根据农产品品种及其物理

3、特性的多样性，不同的农产品有时需要用不同的无损检测方法和检测装置来实现。2无损检测主要方法与基本原理2.光1学特性分析法由于农产品的内部成分和外部特性不同，在不同波长光线照射下会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长内会比其它部分大，根据这一特性结合光学检测装置能实现农产品品质的无损检测。目前用于水果内部品质的光学检测主要有3种方法：规则反射光法、漫反射光法和透射光法。2.声2学特性分析法农产品的声学特性是指农产品在声波作用下的反射特性、散射特性、透射特性和吸收特性、衰减系数和传播速度及其本身的声阻抗与固有频率等，它们反映声波与农产品相互作用的基本规律，故根据农产品的

4、声学特性即可判断农产品品质。2.机3器视觉技术检测方法计算机视觉是以计算机和图像获取部分为工具，以图像处理技术、图像分析技术、模式识别技术、人工智能技术为依托，处理所获取的图像信号，并从图像中获取某些特定信息。计算机视觉技术无需接触特定对象便可从获取的图像中得到大量的信息，通过对这些信息的分析得到物体尺寸、表面缺陷、外观形状、表面色度等具体信息，进而实现外观质量的综合评价。2.电4学特性分析法介电特性是指生物分子中的数负电荷（只能在分子线度范围内运动的电荷）对外加电场的响应特性。农产品的生理变化伴随着电介质特征参数变化，而这一变化可通过对宏观介电特性参数的检测感知。因此，利用农产品的介电特性，

5、可实现对农产品含水率、损伤、品质等的快速检测。2.核5磁共振检测技术核磁共振技术是一种探测浓缩氢质子的技术，它对农产品中的水、脂的混合团料状态下的响应变化比较敏感。如果以适当频率的电磁波照射在外加磁场中的自旋核，这时处于低能态的自旋核就会吸收电磁波的能量，从低能态跃迁到高能态。这种现象称为核磁共振。这时的核产生一种核磁共振信号，从而给出核磁共振谱，即谱。根据此核磁共振谱可反映分子中原子所处的状态，进而可以对农产品的内部品质进行综合评价。射线检测技术射线具有较好的穿透能力，对于农产品来讲其密度大小影响射线的穿透量的多少，通过对穿透量的分析，可探明物质内部的情况。射线适合于那些与密度变化有密切联系

6、的品质因素检测。由于农产品的密度与金属等物质相比要小得多，所以所需射线强度很弱，通常称其为软射线。3无损检测技术在农产品品质检验中的应用3.在1果蔬产品检测中的应用袁雷、刘辉军等选择不同谱区范围的近红外光谱，利用偏最小二乘法对柑橘中总酸、总糖和维生素三种组分建立数学预测模型并进行优化，三种组分的化学值与近红外预测值的相关决定系数分别为：总酸，总糖和维生素，所建模型具有实际应用价值。BartDeKetelaere和JosseDeBaerdemaeker两人研究出了一种基于频谱分析来估测西红柿的硬度的方法，研究表明西红柿椭圆模型的共鸣频率与其硬度相关，他们把一种基于统计的无参数滤波方法应用于频谱以

7、获得共鸣频率的有力估计，并施加以合适的算法，从而可以以最少的测量次数获得单个西红柿的硬度。应义斌、徐惠荣和徐正冈建立了用于柑桔成熟度检测的计算机视觉系统，研究了柑桔图像颜色的描述方法，通过分析比较，认为在利用水果可见光彩色图像检测水果成熟度时，宜采用颜色模型空间，利用人工神经网络方法建立了根据柑桔图像的色度频度序列判断柑桔成熟度的映射器，这一映射器检验25只2成熟度不同的尾张系柑桔的结果表明柑桔果实的表皮颜色与成熟度之间具有相关性，可以通过利用计算机视觉技术测定柑桔的表皮颜色信息来判断柑桔的成熟度。秦文、陈宗道、羽仓羲雄等选用新鲜胡萝卜、葱、蘑菇和生菜为原料，研究干燥过程中原料电特性参数电容和

8、水分含量的变化规律以及它们之间的相关性。结果表明：C温度下热风干燥几种新鲜蔬菜，其水分含量随着干燥时间的延长而下降，到一定的水分含量后质量不再发生变化，电容的变化趋势与水分的变化相同，质量不变时电容也趋于恒定，两者之间存在极显著的线性正相关性，说明干燥过程中水分含量的测定可以用检测相对应点的电容值来计算，从而实现在线、无损监控食品干燥过程。Chaughule等使用自由感应衰减谱的方法对人心果中的可溶性碳水化合物进行了测定，研究发现，通过观察人心果的13C-NMR谱和1H-NMR谱，可从其峰的特点推测其中水和碳水化合物的组成和状态，因此，在果实的收获时间的确定和商业分级上，采用13C-NMR技术

9、检测果实中糖分的组成与含量，具有一定的实际意义。章程辉、刘纯青等进行了利用射线图像技术方法检测红毛丹内在品质可食率、可溶性固形物含量的试验研究。采用阈值法去除射线图像背景，然后用面积闽值法来提取果肉区域。红毛丹可食率以分割果肉区域像素值与整个果实区域像素值之比来表示，实验结果表明误判率为，基于射线值的红毛丹可溶性固形物含量预测模型的相关系数达2。，.在2谷物籽粒检测中的应用林敏、吕进基于离散余弦变换和神经网络，建立了玉米的近红外光谱与其成分含量之间关系的数学模型，提出了应用近红外光谱快速检测玉米样品中的淀粉、水分、蛋白质和油等四种主要成分含量的方法。研究结果表明，玉米样品集的化学检测值与近红外

10、预测值的相关系数分别为：淀粉，蛋白质，油和水，其所建模型具有实际应用价值。李建平、魏宝刚针对开口与未开口松子结构差异，利用声学测试系统，对开口松子与未开口松子声学特性进行测试，以区分开口与未开口松子。试验中，松子在一定高度下落，碰撞到陶瓷板，微音计接收到声音，输入计算机，利用计算机进行分析计算，得到波形图和频谱图。通过试验和分析计算，发现开口松子的频谱图分形维大于未开口松子，开口松子频谱分形维平均值为1.3，4未9开7口松子频谱分形维平均值为1.1，8松46子波形和频谱的分形维可以作为用于判别松子是否开口的一个指标。郑华东、刘木华等在分析大米裂纹光学特征的基础上，在VisualC+6.0环境下

11、开发了一套大米裂纹计算机识别系统，通过图像二值化、区域标记等方法从原始图像中提取单体米粒图像，并对提取出的单体米粒图像进行灰度拉伸变换处理以突出米粒裂纹特征，然后提取单体米粒的行灰度均值变化曲线，并对曲线进行加权滤波处理，提出了一种基于单体裂纹米粒图像行灰度均值变化特征的大米裂纹检测算法。试验结果表明，该系统对特殊类大米样品和随机大米样品裂纹率的判断准确率分别为98.3和797.8，8为进一步完善大米品质的计算机视觉检测提供了理论和实践基础。米双山等人将谷物置于由特殊装置产生的不均匀电磁场中，使处于不均匀电场中的介质极化，靠近电的两端会产生符号相反、量值相等的极化电荷，其中一个极化电荷的电极化

12、力作用于电介质上，而电质在均匀电场中所受到的电极化力的大小与其介电常数密切相关，介电常数愈大，所受到的电极化力愈大。结果表明，活力高的谷物的介电常数小，活力低的介电常数高，依据该原理，即可对谷物按介常数等相关物理特性的差异进行分选。张钟华、贺青和李正坤副已研制成的一种基于核磁共振原理的大豆含油量快速测定仪。只要把数克待测定的大豆样品放入仪器中几，秒钟后即可得到大豆含油量读数该。仪器的测量范围为10到25，读数不确定度小于。通过该仪器的测定建立了大豆含油量与核磁共振峰值的对应关系：实际使用大豆含油量在之间，使用核磁共振大豆含油量测量仪次测量平均值与样品标准量值相差小于,标准方差小于。3.在3畜禽

13、、水产检测中的应用姬瑞勤、王忠义等选择合适的近红外光波长来检测鲜肉的深层水分，由O公式og1QIQ/I=*c*d*B+G可知，入射光的光强、出射光的光强、差分路径因子都可以通过不同的方法测量；消光系数为常量，光散射引起的衰减因子可以通过空间分辨方法被消掉。因此适当调整光源和检测器之间的距离d依据公式L=bd可以获得鲜肉不同深度的水分信息，并根据修正的朗伯.比尔定律求得鲜肉不同深层的水分含量。徐建瑜、姜雄晖等利用计算机视觉技术近似量化水中鱼体色的明暗程度，将图像转换到空间得到鱼体的明度值，与经校准后的无色玻璃覆盖的灰级各阶的明度值进行比较和线性插值，近似用明度阶值表示鱼体色的亮暗程度，研究罗非鱼

14、对环境背景颜色的适应能力和在应激情况下鱼体色变化。结果显示，该方法能较好地反映出鱼的体色明暗变化，从而实现基于鱼的行为与水产养殖环境的关系。张锦胜等人利用了低场核磁共振及其成像技术中的SE序列对猪肉的质量品评做了初步的探索，发现了在序列成像过程中，图像信号与耳之间有相关性，得到猪肉的最佳值，获得水分分布很满意的加权像，提供了一种研究食品物质性质的方法。为了解决由于鸡肉厚度不均引起鸡骨头误判率高的问题，Tao.Y等人研究出了厚度补偿算法。通过计算鸡块的厚度轮廓函数来获得射线图像灰度的补偿函数，再通过阀值法分割出骨头区域，把肉和骨头对射线吸收率的不同考虑到阀值算法中，提出了基于厚度变化、肉和骨头吸

15、收率差别的局部阀值分割算法。结果表明：该算法有很好的图像检测效果，实现在线仪器检测鸡骨头是否去除干净，以满足了生产消费的需求,.在。经济作物检测中的应用蒋锦锋、李莉等应用近红外光谱技术建立烟草17项主要化学成分的快速无损检测方法。收集70个0具有代表性样品的光谱，建立其相应指标的近红外模型。在所有的校正模型中，原始谱图经过一阶导数和偏最小二乘处理，大约个外部样品用于所建模型的验证。烟草中总挥发酸、总挥发碱、石油醚提取物总量、石油醚提取物中性成分、多酚、淀粉、纤维素、硫酸根、灰分、水溶性灰分碱度、总糖、还原糖、总氮、生物碱、氯、钾等十七项指标的预测标准偏差分别得到准确的测定。该结果表明近红外光谱

16、技术在分析17项烟草化学指标时均可以替代经典化学方法。汪建、杜世平等探讨了茶叶颜色实时检测的计算机系统的硬件组成以及有效的颜色检测模型和识别算法，通过实验对其有效性进行了验证，以茶的图像为模型，提取作为识别指标的遗传神经网络新途径，对茶叶图像进行了有效的识别。用所建立的识别指标和方法对不同烘炒工艺的茶叶进行检测，检测结果与人工判别结果的吻合率为91.7，说明用计算机视觉代替人工感官进行识别是可行的。该方法的检测为茶叶感官品质检测提供了一种新的检测方法，应用前景广阔。4发展与展望对于各种农产品无损检测方法有各自的优缺点：如，近红外主要应用于有机物的定性鉴定和定量分析，可在瞬时同时分析多组成分的含

17、量。但由于农产品形状各异性、内部成分的复杂且含量极少等因素，使近红外分析技术的研究需进一步深入；声学特性则是实现硬度自动检测的有效方法，但多种声学特性对农产品某一内部品质指标或多种内部品质指标的综合影响的研究还未见有报道：计算机视觉技术是实现农产品自动识别和分级的最有效的方法，是解决不规则的农产品形状分析的一种可行的手段；农产品介电特性检测法可以迅速简便地确定农产品的含水率和吸湿性，检测其品质，确定其成熟度等，但目前状况下，基于介电特性的农产品无损检测系统远没有达到实用阶段；核磁共振技术可在不侵入和不破坏样品的前提下，对样品进行快捷、实时、全方位和定量的测定分析，正成为分析弄清农产品中不均匀系列复杂特性的最佳研究手段之一，但是射线图像无损检测系统的制造成本比较高。目前国内农产品内在品质检测技术的研究还处于初级阶段，无损检测技术多是一种产品某一单项项目进行检测的，而对农产品的多种内在品质的综合检测方法研究得不多，故无损检测技术、数据处理技术、自动控制技术以及计算机技术的发展为农产品