一種快速無損確定蘋果收獲期的光譜檢測(cè)方法

背景介紹

為了使蘋果早上市賣高價(jià)，將未成熟的蘋果過早提前采摘，會(huì)嚴(yán)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)。

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(shí)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(jì)算果實(shí)從盛花后到果實(shí)成熟的生長(zhǎng)天數(shù)，果實(shí)的呼吸躍變期發(fā)生時(shí)間，果實(shí)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(xué)和無損測(cè)量來確定收獲日期的方法。以前的光學(xué)方法可以測(cè)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(qiáng)度指數(shù)無法在果園中使用光學(xué)方法進(jìn)行非破壞性測(cè)定。因此，應(yīng)通過光的散射特性找到確定成熟度的進(jìn)一步措施?；谶@些特性，可以獲得有關(guān)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的知識(shí)，這反過來又是保質(zhì)期的影響因素。德國(guó)博登湖水果生產(chǎn)發(fā)展中心（KOB，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）將使用光譜儀測(cè)量 Elstar（伊思達(dá)）、Gala（嘎啦）和 Jonagold （喬納金）品種的蘋果。

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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(píng)分標(biāo)準(zhǔn)來確定。根據(jù)計(jì)算出的指數(shù)（硬度/（糖度 x 強(qiáng)度）），指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(yàn)收集的。

自 2016 年以來，KOB 一直致力于各種項(xiàng)目（Big Apple 和 Melon 項(xiàng)目），尋找新的收獲確定方法，使果實(shí)保持完整。用于水果的光學(xué)手持式測(cè)量設(shè)備已經(jīng)上市，可以提供蘋果皮最初幾毫米的數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)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(shè)備可以計(jì)算陽光的影響。光譜儀數(shù)據(jù)用于計(jì)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(jì)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(xiàng)目中，可以從已經(jīng)商用的光譜儀設(shè)備收集的數(shù)據(jù)與影響儲(chǔ)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(duì)最佳收獲日期的預(yù)測(cè)。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(qiáng)大的預(yù)測(cè)工具。此外，光學(xué)數(shù)據(jù)也存在較大的年度波動(dòng)。例如：葉綠素值與基本顏色相關(guān)，可以作為最佳收獲日期的指標(biāo)。然而，我們每年在最佳收獲日期用光譜儀測(cè)量不同的值。因此，葉綠素值目前不能作為確定收獲的唯一參數(shù)

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新型的光譜檢測(cè)儀器

Melon 項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一種光譜儀，為確定最佳收獲日期提供新的見解。與德國(guó)insion公司以及其他研究機(jī)構(gòu)合作，從頭開始開發(fā)了光譜儀并進(jìn)行了測(cè)試。為此，制造了不同類型的外殼，并在智能手機(jī)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(xué)特性的半球），并用其進(jìn)行了參考測(cè)量。光源是光譜儀的心臟。為此，新開發(fā)的 LED 被安裝在一個(gè)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(cè)方法獲取蘋果最佳采摘時(shí)間

光譜儀在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中進(jìn)行了測(cè)試，水果也在另外兩個(gè)光學(xué)傳感器實(shí)驗(yàn)室裝置上進(jìn)行了測(cè)試。該項(xiàng)目的目的是開發(fā)一種實(shí)用且廉價(jià)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備還可以檢測(cè)蘋果的散射特性。

圖5. 光線（黑色箭頭）照射到蘋果時(shí)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(yīng)地減弱，偏移到照射點(diǎn)。根據(jù)光的波長(zhǎng)（顏色），部分光被蘋果吸收。發(fā)射光的光學(xué)測(cè)量可以識(shí)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(diǎn)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(yàn)于2018年至2020年在Gala、Elstar、Jonagold和Braeburn品種上進(jìn)行，以便在一個(gè)時(shí)間內(nèi)覆蓋從早到晚的整個(gè)收獲期。生長(zhǎng)季節(jié)覆蓋晚熟品種。同時(shí)，KOB 使用常規(guī)實(shí)驗(yàn)室方法確定了收獲的Streif指數(shù)，并與我們自己的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，以確定長(zhǎng)期儲(chǔ)存的最佳收獲時(shí)間。

在對(duì)新型光譜儀原型機(jī)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(xiàng)目的進(jìn)一步結(jié)果必須在后續(xù)測(cè)試中進(jìn)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(yù)測(cè)最佳收獲日期。然而，KOB 已大大擴(kuò)展了該應(yīng)用的專業(yè)知識(shí)，并且通過正在進(jìn)行的工作，有可能小規(guī)模且非破壞性地預(yù)測(cè)收獲日期。

核心光譜模塊

該光譜儀器采用了德國(guó)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(tái)間差小等特點(diǎn)，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(guó)INSION公司）