徐虎博，吳 杰，王曌鵬，高永茂，王志鵬，趙正強(qiáng)

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，教育部綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化工程研究中心，新疆石河子832003）

庫爾勒香梨粗皮果振動(dòng)頻譜特性的研究

徐虎博，吳 杰*，王曌鵬，高永茂，王志鵬，趙正強(qiáng)

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，教育部綠洲特色經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)機(jī)械化工程研究中心，新疆石河子832003）

為了實(shí)現(xiàn)庫爾勒香梨粗皮果的無損判別與檢測，采用脈沖激勵(lì)法測試了香梨正常果和粗皮果的振動(dòng)頻譜特性，分析了兩種品質(zhì)香梨響應(yīng)主頻率的差異顯著性，并通過對兩品質(zhì)香梨石細(xì)胞含量的統(tǒng)計(jì)測量以及對果皮和果肉顯微結(jié)構(gòu)觀察，探討了粗皮果與正常果的響應(yīng)主頻率產(chǎn)生差異的本質(zhì)原因。結(jié)果表明，正常果和粗皮果的響應(yīng)主頻率分別為（687.5±13.1）Hz和（775±19.4）Hz，存在顯著差異（p＜0.05）。粗皮果具有較高的響應(yīng)主頻率，其本質(zhì)原因是其果表皮層致密、木質(zhì)化細(xì)胞數(shù)量較多、含水率較低且其果肉中有大量分布的石細(xì)胞（團(tuán)）和較多的木質(zhì)纖維。

庫爾勒香梨，粗皮果，堅(jiān)實(shí)度，振動(dòng)頻譜，響應(yīng)主頻率

庫爾勒香梨（以下簡稱香梨）是國家地理標(biāo)志產(chǎn)品[1]和新疆特色果品，皮薄肉酥、渣少汁多、營養(yǎng)豐富、香氣濃郁，被譽(yù)為“梨中珍品”、“果中之王”，深受海內(nèi)外眾多消費(fèi)者的喜愛，是當(dāng)?shù)乩孓r(nóng)增收致富的重要來源，并成為當(dāng)?shù)刂еa(chǎn)業(yè)[2-3]。然而，隨著香梨栽培面積擴(kuò)大，產(chǎn)量大幅提高，果實(shí)品質(zhì)卻因粗皮果增多而有所下降。香梨粗皮果比正常果的質(zhì)地堅(jiān)硬，果核大且汁少渣多，口感很差。因此，在香梨實(shí)際分選過程中必須剔除粗皮果，以保證香梨的整體品級。目前，粗皮果主要依靠對表皮觸覺差異來剔除，效率低，而且會因?yàn)槿说闹饔^性及疲勞程度而導(dǎo)致較多誤判。因此，如何實(shí)現(xiàn)香梨粗皮果快速、準(zhǔn)確地檢測與判別，對提高香梨的等級和商品價(jià)值具有重要意義。

堅(jiān)實(shí)度是區(qū)別香梨粗皮果與正常果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通?？刹捎盟捕扔?jì)進(jìn)行測定，但屬于破壞性檢測，不適宜香梨批量在線實(shí)時(shí)檢測。在眾多果蔬堅(jiān)實(shí)度無損檢測技術(shù)中，可見/近紅外光譜法是研究的熱點(diǎn)之一，盡管該技術(shù)可檢測梨果堅(jiān)實(shí)度[4-6]，但從檢測精度來看，更適宜檢測糖度和酸度[7]。高光譜圖像法結(jié)合光譜和圖像信息，可檢測果蔬的堅(jiān)實(shí)度[8-9]，但需要處理大量圖像數(shù)據(jù)[10]，從而阻礙了其在果蔬堅(jiān)實(shí)度無損檢測中的推廣應(yīng)用。此外，也有研究嘗試用介電特性檢測技術(shù)檢測柿子的堅(jiān)實(shí)度[11]，但該技術(shù)分選精度低，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用階段[12]。與上述檢測方法相比，大量研究表明振動(dòng)頻譜響應(yīng)技術(shù)在多種水果堅(jiān)實(shí)度檢測方面都取得了良好的檢測效果[13-20]，而且基于此原理的檢測設(shè)備由于價(jià)格較為低廉且受環(huán)境影響小，已有成功的商業(yè)化應(yīng)用[21-22]。因此，本研究采用振動(dòng)頻譜響應(yīng)技術(shù)對香梨正常果和粗皮果進(jìn)行激振實(shí)驗(yàn)，明確了兩種品質(zhì)香梨振動(dòng)頻譜特性，并結(jié)合香梨果皮和果肉組織的顯微觀察，探討了兩種品質(zhì)香梨振動(dòng)頻譜特性產(chǎn)生差異的主要原因，實(shí)現(xiàn)了粗皮果的識別，為香梨內(nèi)部品質(zhì)在線檢測與分級提供了科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

香梨 香梨試樣采自新疆庫爾勒同一果園，時(shí)間為2013年9月20日，剔除試樣中的蟲害、畸形和損傷果。根據(jù)香梨表皮光滑、鮮亮和堅(jiān)硬的程度[23]，選取香梨正常果和粗皮果試樣質(zhì)量均為（110±2.0）g，果形的縱橫比（最大高度和最大直徑之比）為1.2±0.03，以消除質(zhì)量和果形對香梨振動(dòng)頻譜特性的影響。將香梨試樣貯藏于溫度為-2～0℃，濕度為85%～95%的環(huán)境中，待用；無水乙醇 天津永大化學(xué)試劑開發(fā)中心，分析純；甲醛溶液 深圳科天化玻儀器有限公司，分析純；冰醋酸 青島永安化學(xué)品有限公司，分析純；番紅-固綠雙重染色劑 上海經(jīng)科化學(xué)科技有限公司；鹽酸 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純；間苯三酚 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純。

LC1305型微型壓電加速度傳感器 朗斯有限責(zé)任公司；LC0505型微型壓電石英力傳感器 朗斯測試技術(shù)有限公司；LC0408T型激勵(lì)錘 朗斯測試技術(shù)有限公司；DLF-8型電荷電壓四合一放大器 北京東方振動(dòng)和噪聲研究所；INV306U-5160型智能信號采集處理分析儀 北京東方振動(dòng)和噪聲研究所；Coinv DASP V10版信號采集與實(shí)施分析軟件 北京東方振動(dòng)和噪聲研究所；SPS402F型電子天平 上海奧豪斯儀器有限公司；BS423S型電子天平 北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；FT-327型硬度計(jì) 意大利BRUZZI公司；PR-101型手持折光儀 日本ATAGO公司；GZX-9140 MBE電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠；0.25 mm、0.50 mm孔徑分樣篩 上虞市華豐五金儀器有限公司；DS-1型組織搗碎機(jī) 上海標(biāo)本模型廠；BCD-186KB型冰箱青島海爾集團(tuán)；BX51TR-32FIBGU型熒光顯微鏡（帶有數(shù)字?jǐn)z像頭和圖像分析軟件DPController） 日本OLYMPUS公司；RM2235型石蠟切片機(jī) 德國LEICA儀器有限公司。

1.2 香梨振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及測試條件 如圖1所示，橡皮筋懸掛香梨以確保其自由振動(dòng)。參考文獻(xiàn)[24]的研究，在本測試中帶微型壓電石英力傳感器的力錘采用橡膠錘頭，以12 N激勵(lì)力進(jìn)行信號激勵(lì)，并用垂直貼于香梨表面的加速度傳感器感測振動(dòng)響應(yīng)信號。由于香梨的赤道區(qū)域易于振動(dòng)信號的激勵(lì)和感測，因此本研究在香梨赤道區(qū)域（果頰部和赤道線）上均布多個(gè)激勵(lì)點(diǎn)（圖2），測試兩品質(zhì)香梨振動(dòng)響應(yīng)信號穩(wěn)定性及振動(dòng)信號是否具有各向異性。香梨正常果、粗皮果各150枚，每個(gè)試樣重復(fù)激勵(lì)感測3次，取平均值。

圖1 香梨激振測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 General view of the experimental setup

圖2 香梨各向異性測點(diǎn)布置Fig.2 Measuring points on pear for anisotropic testing

1.2.2 信號檢測過程 激勵(lì)的模擬信號經(jīng)過電荷放大器對其進(jìn)行放大，然后對放大過的信號進(jìn)行抗混濾波、采樣保持以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等一系列處理過程轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。參考文獻(xiàn)[24]的研究，為了兼顧香梨信號的處理精度和采集范圍，在采集數(shù)字信號的過程中設(shè)置6.4 kHz的采樣頻率（SF），1024個(gè)分析點(diǎn)數(shù)（N），2塊采樣塊（M），因此，根據(jù)公式T=M×1024/SF，得到采樣時(shí)間T為0.32 s，同時(shí)根據(jù)公式，ΔF=SF/N得到本研究的頻率分辨率ΔF為6.25 Hz。

1.2.3 信號分析方法 香梨振動(dòng)信號全程分析時(shí)，需進(jìn)行加窗函數(shù)處理，由于指數(shù)窗更適宜瞬態(tài)信號的加權(quán)處理，且其具有較高的信噪比[25-26]，故本研究采用指數(shù)窗截?cái)鄷r(shí)域信號，通過對截?cái)嘈盘柌捎谩捌骄夹g(shù)”處理進(jìn)一步降低噪聲影響[27]，與此同時(shí)將各幅波形的重疊程度，即重疊系數(shù)，設(shè)為127/128，以獲得良好的計(jì)算結(jié)果，然后對處理過的信號進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換。

1.3 香梨物性參數(shù)測定

1.3.1 帶皮堅(jiān)實(shí)度的測定 采用果實(shí)硬度計(jì)在香梨向陽面和背陰面進(jìn)行堅(jiān)實(shí)度的M-T法（Magness-Taylor）測定[28]，其中，香梨紅暈部位為向陽面，其對面為背陰面。測量時(shí)，以赤道線上點(diǎn)作為測定點(diǎn)，壓頭直徑取8.00 mm，壓縮速度25.40 mm/min，壓入深度7.49 mm，以穿刺過程中的最大力作為香梨帶皮堅(jiān)實(shí)度。對向陽面與背陰面堅(jiān)實(shí)度實(shí)測值取均值作為香梨的堅(jiān)實(shí)度。

1.3.2 含水率測定 采用直接干燥法[29]，取香梨可食部分果肉切成1.5～2 mm薄片后，在101.3 kPa（一個(gè)大氣壓），溫度105℃干燥箱內(nèi)干燥24 h，干燥后稱重計(jì)算香梨的濕基含水率。

1.3.3 可溶性固形物測定 在去皮香梨的赤道區(qū)域每隔120°的位置取適量果肉，采用手持折光儀測定香梨的可溶性固形物含量。

1.3.4 石細(xì)胞含量測定 參考文獻(xiàn)[30-31]的方法，對香梨果肉提取石細(xì)胞后，分別用孔徑為0.50 mm和0.25 mm的分樣篩篩分干燥后的石細(xì)胞，并用電子天平稱重，精度為0.001 g。用于測定的粗皮果和正常果果肉組織樣本數(shù)各30份。

1.4 香梨組織顯微觀察

1.4.1 果皮組織 參考文獻(xiàn)[32-33]的方法，采用FAA固定液（70%乙醇溶液、甲醛溶液、冰醋酸體積比為90∶5∶5）對果皮試樣進(jìn)行固定，番紅-固綠雙重染色劑對切片進(jìn)行染色，最后在熒光顯微鏡下觀察照相。

1.4.2 果肉組織 分別取香梨赤道區(qū)域近果皮和近果心3 mm處的果肉，采用徒手切片法[34]制作香梨果肉切片，用1 mol/L鹽酸對果肉細(xì)胞離析，然后用0.1%間苯三酚染色，最后在熒光顯微鏡下觀察照相。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 20.0軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Duncan’s multiple range test進(jìn)行方差分析（α=0.05），以檢驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)間差異的顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 香梨物性參數(shù)

由表1可知，正常果與粗皮果的帶皮堅(jiān)實(shí)度、含水率差異顯著（p＜0.05），可溶性固形物含量差異不顯著（p＞0.05）。

表1 香梨正常果和粗皮果試樣的理化指標(biāo)（n=150）Table 1 Material properties of normal pear and rough peel pear samples（n=150）

2.2 香梨正常果振動(dòng)頻譜響應(yīng)各向異性測試

如圖3所示，對正常果易測的赤道區(qū)域進(jìn)行不同激勵(lì)點(diǎn)激勵(lì)的頻譜特性分析，振動(dòng)頻譜響應(yīng)曲線都很相近，其對應(yīng)的響應(yīng)主頻率也基本相同，即使略有差異，響應(yīng)主頻率的差值也在6.25 Hz的頻率分辨率范圍之內(nèi)。這表明，本測試系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定可靠的香梨振動(dòng)頻譜響應(yīng)信號，且赤道區(qū)域的不同激勵(lì)點(diǎn)對正常果振動(dòng)頻譜響應(yīng)影響不明顯，這一結(jié)論與已有研究報(bào)道一致[16，24]。

圖3 香梨正常果各向異性不同激勵(lì)點(diǎn)頻譜特性Fig.3 Effect of normal pear position on the vibration spectrum response signal

圖4 香梨正常果與粗皮果的振動(dòng)頻譜曲線Fig.4 Vibration spectrum curves of Korla pear with normal and rough peel

圖5 香梨正常果和粗皮果的響應(yīng)主頻率Fig.5 Dominant response frequencies of Korla pear with normal and rough peel

2.3 香梨正常果和粗皮果的振動(dòng)頻譜特性

如圖4所示，香梨正常果與粗皮果在相同脈沖激勵(lì)下產(chǎn)生的振動(dòng)頻譜存在差異，正常果更容易被激勵(lì)出多階響應(yīng)頻率，而粗皮果響應(yīng)主頻率之后的響應(yīng)頻率不易激勵(lì)出來。正常果的響應(yīng)主頻率為（687.5±13.1）Hz，而粗皮果的響應(yīng)主頻率為（775±19.4）Hz，比正常果的要高，它們之間的差值已超出6.25 Hz的頻率分辨率，兩種品質(zhì)果實(shí)響應(yīng)主頻率的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果也進(jìn)一步表明（見圖5），二者的響應(yīng)主頻率存在顯著差異（p＜0.05）。這意味，采用振動(dòng)頻譜的響應(yīng)主頻率這一重要特征參數(shù)是完全可以實(shí)現(xiàn)粗皮果判別的。

2.4 香梨正常果和粗皮果振動(dòng)頻譜差異的探討

圖6所示為香梨果皮的顯微圖，果皮自外向內(nèi)依次為角質(zhì)膜、表皮層、亞表皮層。通過對比觀察可以發(fā)現(xiàn)，粗皮果表皮層較為致密，木質(zhì)化的細(xì)胞數(shù)量較多，這正是粗皮果果皮粗硬的主要原因。此外，粗皮果的角質(zhì)膜有一定缺失，亞層表皮細(xì)胞較正常果少1～2層，這使得粗皮果不易保持水分，因此盡管正常果和粗皮果的可溶固形物無顯著差異，但粗皮果的含水率卻明顯低于正常果（見表1），這使粗皮果粘性趨弱而彈性趨強(qiáng)，使其果肉的堅(jiān)實(shí)度得到增強(qiáng)。

圖6 香梨正常果（a）與粗皮果（b）的果皮組織顯微圖Fig.6 Microscope images of the normal and rough peel Korla pear

值得注意的是，在圖7所示的香梨果肉切片觀察中可以發(fā)現(xiàn)，粗皮果果肉中分布的石細(xì)胞（團(tuán)）密度、粒徑都明顯較正常果大，木質(zhì)纖維也較多。圖8進(jìn)一步表明，粗皮果中不同粒徑的石細(xì)胞（團(tuán)）的含量都顯著（p＜0.05）高于正常果。正是由于粗皮果果肉中石細(xì)胞（團(tuán)）及木質(zhì)纖維的大量存在，導(dǎo)致粗皮果不僅汁少渣多，而且果肉質(zhì)地堅(jiān)硬，并與粗硬的果皮聯(lián)合作用增強(qiáng)了香梨粗皮果的堅(jiān)實(shí)度，這也正是粗皮果具有較高的響應(yīng)主頻率的本質(zhì)原因[16]。

圖7 香梨正常果（a）和粗皮果（b）的果肉組織顯微圖Fig.7 Microscope images of flesh of the normal and rough peel Korla pear

圖8 香梨正常果和粗皮果的石細(xì)胞含量Fig.8 Content of stone cells of Korla pear with normal and rough peel

3 結(jié)論

在香梨易測的赤道區(qū)域（果頰部和赤道線）上對兩品質(zhì)香梨進(jìn)行振動(dòng)頻譜響應(yīng)特性分析，正常果和粗皮果的響應(yīng)主頻率分別為（687.5±13.1）Hz和（775± 19.4）Hz，兩者存在顯著差異，因此完全可以采用振動(dòng)頻譜的響應(yīng)主頻率這一特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)粗皮果的無損識別。粗皮果之所以具有較高的響應(yīng)主頻率，是由粗皮果致密的表皮層、數(shù)量較多的木質(zhì)化細(xì)胞、較低的含水率以及果肉中大量分布的石細(xì)胞（團(tuán)）和較多的木質(zhì)纖維共同造成的。

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Characteristics of the vibration spectral response of rough peel pear among Korla pear

XU Hu-bo，WU Jie*，WANG Zhao-peng，GAO Yong-mao，WANG Zhi-peng，ZHAO Zheng-qiang
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Research Center of Oasis Agricultural Mechanization of Ministry of Education，Shihezi 832003，China）

The vibration spectrum characteristics of normal pear and rough peel pear were tested by pulse excitation，which were to realize the identification of rough peel pear among the normal pears.The difference significance of response dominant frequency between the normal and the rough peel ones was analyzed.The statistics of content of stone cells were analyzed.The microstructures of peel and flesh tissue of two kinds of pear were observed.The results showed that the dynamic signals were stable and reliable at the same detection point.Also，the responses of dynamic spectrum were consistent at different excitation points on the cheek and the line of equator with single excitation and detection.Response dominant frequency of the rough peel and the normal pear were（687.5±13.1）Hz and（775±19.4）Hz，respectively and there was significant（p＜0.05）difference of dominant response frequency.Main reasons of the rough peel pear with the bigger response dominant frequency were that there were compact epidermis，lots of bonny cell，lower water content（wet base），a number of stone cell（mass）and lignocellulose widely distributed in flesh of the rough peel pear.

Korla pear；rough peel pear；firmness；vibration spectrum；response dominant frequency

TS201.1

A

1002-0306（2015）22-0057-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.22.003

2015－04－02

徐虎博（1990-），男，碩士研究生，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全與檢測，E-mail：hubo_xu@126.com。

*通訊作者：吳杰（1972-），男，博士，教授，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全與檢測，E-mail：wjshz@126.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31160335）；新疆兵團(tuán)博士基金項(xiàng)目（2013BB011）；石河子大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)資金項(xiàng)目（RCZX201124）。