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(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)。

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(xué)和無損測量來確定收獲日期的方法。以前的光學(xué)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(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。基于這些特性，可以獲得有關(guān)細(xì)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(dá)）、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(jī))

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(biāo)準(zhǔn)來確定。根據(jù)計算出的指數(shù)（硬度/（糖度 x 強(qiáng)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(xué)手持式測量設(shè)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(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(shè)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(yù)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(qiáng)大的預(yù)測工具。 此外，光學(xué)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(biāo)。 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(biāo)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(jī)構(gòu)合作，從頭開始開發(fā)了光譜儀并進(jìn)行了測試。 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(jìn)行了測試，水果也在另外兩個光學(xué)傳感器實驗室裝置上進(jìn)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(shè)備，該設(shè)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(yīng)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(xué)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(jìn)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(jìn)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(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。 該項目的進(jìn)一步結(jié)果必須在后續(xù)測試中進(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zui 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，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(shè)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(wù)。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(jī)，各種光譜測量系統(tǒng)等。

關(guān)于昊量光電：

上海昊量光電設(shè)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(xué)測量設(shè)備、光學(xué)元件等，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊、生物醫(yī)療、科學(xué)研究、國防、量子光學(xué)、生物顯微、物聯(lián)傳感、激光制造等；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)，硬件開發(fā)，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)。