CN1198140C - 瓜果的成熟度和质地的测定方法及测定装置 - Google Patents

Abstract

给要测定的瓜果加上频率依次变化的振动，测定施加的振动及上述瓜果的振动，对频率进行解析求出瓜果的传递函数特性，并测定瓜果的重量。根据2次谐振频率f₀以及从其峰值下降3dB的频率f₁、f₂，求出用(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η、用m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E、和用2π·f₀·m·η确定的粘性值c。由粘性值c和弹性值E的关系测定瓜果的成熟度和质地。

Description

瓜果的成熟度和质地的测定方法及测定装置

技术领域

本发明涉及非破坏性地测定猴桃、苹果、甜瓜等的瓜果和西红柿等的蔬菜的瓜果成熟度和硬度、嚼劲或黏度等的力学特性(以下叫做质地)的测定方法和测定装置。

特别是涉及从瓜果的弹性值和衰减比、黏度值和弹性值的关系求成熟度和质地的技术。

技术背景

由于瓜果的成熟度与果肉有着很强的关系，故通过测定果肉的硬度来判定成熟度。作为测定该果肉的装置，人们广为使用Magness-Taylor式瓜果硬度计。但是，由于上述瓜果硬度计用在规定的条件下向瓜果内贯入插棒(plunger)、测量其应力的办法来测定瓜果的硬度，故存在着样品被破坏的缺点。为了非破坏性地测定成熟度，人们一直在尝试测定瓜果的颜色的变化的方法或测定瓜果的表面的硬度的方法，但是如果用测定瓜果的颜色的变化的方法，则对于象猕猴桃和洋梨那样的随着成熟颜色并不变化的瓜果不能应用。此外，由于表面的硬度并不代表内部的硬度，故存在着这样的问题：测定值与实际的成熟度之间存在着大的差距。

此外，用近红外线分光等的技术测定瓜果内部的糖度的技术已经实用化，开始用于甜瓜和桃等的瓜果的成熟度选果，但是，虽然从未成熟的瓜果到最佳成熟的瓜果糖度会增加，由于最佳成熟的瓜果或哪怕是腐烂的瓜果糖度也高，故存在着仅仅进行糖度的判断还不能区别最佳成熟瓜果和腐烂瓜果的问题。

质地与味道一起是瓜果品质的重要的要素。在美国，进行由熟练的判定员实施的感官组评定(panel test)，以进行苹果的质地的判定。但是，存在着因判定员的经验或嗜好而难于得到客观性的结果的问题。

人们知道，在植物生理学中，瓜果的硬度、嚼劲或黏度等的力学特性，即质地与瓜果的粘性值和弹性值有关系。

瓜果的软化被认为是细胞壁的黏弹性特性的变化。在细胞壁中，被称之为基质凝胶的高分子多糖类被包围在结晶性的纤维素束内，采用边相互卷绕边结合纤维素束的办法保持力学性构造。瓜果的软化，是由于该基质凝胶低分子化，纤维素束彼此间的结合分离而引起的。构成该基质凝胶的多糖类由许多的物质构成，但低分子化的物质则因瓜果的种类而异。结果是，已成熟时的基质凝胶的状态因瓜果的种类而异，象苹果等所表现出的果肉的刷啦刷啦的口感和猕猴桃等的浆果所表现出的粘糊糊的口感是由于两者的基质凝胶的状态不同的缘故。因为基质凝胶的状态表示瓜果的黏度，故粘性值被认为表示果肉的粘性和果汁等的口感。此外，弹性值表示细胞壁的弹性力，被认为表示果肉的硬度。

利用质地可以用力学性的黏弹性特性表示的特点，作为客观地测定质地的装置，B.Drake(J.Food.Sci.p182-188，1962)设计了包括瓜果在内的食品的粘性测定装置。

这是一种从要测定的瓜果或食品上切下长方形的切片，用给该切片加上振动得到的固有谐振的谐振频率f₀和谐振的半值宽度Δf计算衰减比η(η＝Δf/f₀)并把该衰减比η当作粘性值的测定装置。

但是，该测定装置存在着为了进行测定必须用样品制作矩形切片，因而不能进行非破坏测定的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术中存在的问题的测定瓜果的成熟度和质地的方法和装置。

本发明的瓜果的成熟度和质地测定方法的特征是具有下述步骤：给应进行测定的瓜果加上频率依次变化的振动；测定上述振动及所述瓜果的振动的大小；测定所述瓜果的重量m；根据上述施加的振动及上述瓜果的振动的大小，对频率进行解析，求出瓜果的传递函数特性，并根据上述传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从2次谐振峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂；分别运算用(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η和用m^2/3.f₀ ²确定的弹性值E，其中，m是上述瓜果的重量；在上述弹性值E比预定的值大的情况下，用上述弹性值E的值，在上述弹性值E在上述预定值小的情况下，用上述衰减比η的值，分别决定上述瓜果的成熟度；用衰减比η的值运算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c；由上述粘性值c和上述弹性值E两者来表示瓜果的质地。

本发明提供了一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：给瓜果施加振动的加振单元；检测并输出上述加振单元的加振力信息的加振信息检测单元；检测被上述加振单元加振的上述瓜果的被加振信息的被加振信息检测单元；测定瓜果的重量并输出重量信息m的重量计；2次谐振点计算单元，它根据被加振信息检测单元的输出信号和加振信息检测单元的输出信号进行频率解析、求出上述瓜果的传递函数特性，并由该传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f₀计算由m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E，用f₁、f₂计算由(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η，和用所述衰减比η的值计算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c，并输出和显示所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果。

本发明还提供了一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：重量计，用于测定要进行检测的瓜果的重量，并输出重量信息；载物台，用于载置所述瓜果；与上述载物台机械性地连接的振动发生器，用于构成给上述瓜果提供规定的振动的振动源；信号发生器，用来产生提供给上述瓜果的振动信号；功率放大器，用来向上述振动发生器输出振动信号；安装在上述载物台上的加速传感器，具有可以检测提供给上述瓜果的振动的性能；激光多普勒振动计，用于非接触地检测上述瓜果的表面的振动，输出与速度成比例的差拍信号；解调器，用于把上述激光多普勒振动计的差拍信号输出变换成振动信号；高速傅立叶变换器，用来分别将来自上述解调器的信号和来自振动检测器的信号进行高速傅立叶变换并向微处理器输出；微处理器，根据上述高速傅立叶变换器的输出计算所述瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f₀计算由m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E，用f₁、f₂计算由(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η，和用所述衰减比η的值计算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c，并输出所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果和产生用来提供给上述瓜果的电信号；显示装置，用来显示从上述微处理器输出的测定结果数据。

本发明是一种根据瓜果的重量和提供了振动的瓜果的2次谐振峰计算弹性值E、衰减比η、粘性值c，并用该3个特性值求瓜果的成熟度、质地，可以非破坏且高速而正确地判定食用时间的装置，是一种得以不失时机地把西红柿、猕猴桃、苹果、甜瓜等的瓜果发往市场的装置。

附图说明

图1的特性图示出了基于成熟跟踪的猕猴桃的成熟度和2次谐振峰的关系。

图2示出了用来由2次谐振峰求衰减比的传递函数特性。

图3示出了各种成熟度的猕猴桃的衰减比与弹性值的关系。

图4的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例1的成熟度·质地测定装置。

图5的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例2的成熟度·质地测定装置。

图7的流程图示出了使用本发明的测定方法的成熟度·质地测定装置中的微处理器所进行的成熟度判定步骤的一个例子。

图7是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的猕猴桃的粘性值和弹性值的日变化的说明图。

图8是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的苹果的粘性值和弹性值的日变化的说明图。

图9是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的各种瓜果的粘性值和弹性值之间的关系的说明图。

具体实施方式

以下，用图1到图4对本发明的实施例1进行说明。

图1，作为例子示出了猕猴桃逐渐成熟起来时的2次谐振峰的变化情况。

在图1中，2次谐振峰的频率(以下，叫做2次谐振频率)随着瓜果从未熟到过熟的逐渐成熟而向低频一侧移动过去。

图2是用来由2次谐振峰计算衰减比的说明图。

在图2中，假定从2次谐振频率f₀的增益下降3dB的频率为f₁、f₂(f₂＞f₁)，假定瓜果的重量为m，则衰减比η可以用下式求解：

η＝(f₂-f₁)/f₀

根据Cooke提出的理论，弹性值E可用下式求解：

E＝m^2/3·f₀ ²

粘性值c可以用下式求解：

c＝2π·f₀·m·η

图3示出了各种成熟度的猕猴桃的衰减比η与弹性值E的关系。

若弹性值E在A(例如10×10⁶dyne/cm²)的值以上，则随着弹性系数的增加，猕猴桃的成熟度将象最佳成熟、刚有一点熟、未熟这样连续地变化。另一方面若弹性值E在A的点上，则存在有最佳成熟、过熟、腐烂的猕猴桃，用弹性值不能区别。可是，若用衰减比η进行区分，则可知将会随着η的增加，变成为最佳成熟、过熟、腐烂。因此，以弹性值E变成为A这一点为界，如果在成熟度的判定中使用弹性值或衰减比，则可以区别从未熟到腐烂为止范围宽广的成熟度的瓜果。A的值，虽然例如在猕猴桃的情况下，是10×10⁶dyne/cm²，但是，由于因各个瓜果的种类和品种而异，故需要预先测定多种并决定好。此外，用于区分成熟度的衰减比η和弹性值E的值也因瓜果的种类和品种而异，故也需要预先决定好。

图4的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例1的成熟度·质地测定装置。

在图4中，1是用来非接触地检测瓜果的表面的振动即被加振信息，把被加振信息变换成电信号输出的被加振信息检测单元。2是成为测定对象的瓜果。3是用来测定要进行测定的瓜果2的重量，并把该值变成为电信号输出的重量计。4是用来给瓜果2加上规定的振动的加振单元。5是用来检测给瓜果2提供振动的加振力信息的加振信息检测单元。6是具有根据被加振单元的输出信号和加振单元的输出信号进行频率解析，求上述瓜果的传递函数特性，并由该传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从2次谐振峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂的功能，和由重量信息和f₀、f₁、f₂运算衰减比η、弹性值E、粘性值c，并输出显示运算结果的功能的2次谐振点计算单元。

说明以上那样地构成的成熟度·质地测定装置的测定步骤。

把瓜果装到重量计上，把瓜果2的重量m输入2次谐振点计算单元6。然后，用加振单元4以适当的频率间隔依次加上从第1频率(例如20Hz)到第2频率(例如3KHz)。加振单元4被2次谐振点计算单元6驱动。用加振信息检测单元5检测加到瓜果2上的加振信息，输入2次谐振点计算单元6。

另一方面，用被加振信息检测单元1检测被加振的瓜果2的振动，把被加振信息输入2次谐振点计算单元6。2次谐振点计算单元6根据从第1频率到第2频率以适当的频率间隔依次加振得到的加振信息和被加振信息计算频率响应函数。用该一连串的步骤，2次谐振点计算单元6完成图2那样的传递函数特性。此外，2次谐振点计算单元6计算根据由该传递函数特性求得的f₀、f₁、f₂和重量计2的输出信号计算衰减比η、弹性值E、粘性值c，并输出显示运算结果。

图5的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例2的成熟度·质地测定装置。

对于与实施例1共通的部分仅赋予同一标号，为避免重复而省略其说明。

实施例2，为了实现2次谐振点计算单元的运算功能采用微处理器来构成测定装置。

在图5中，11是激光多普勒振动计，用于非接触地检测瓜果的表面的振动，输出与速度成比例的差拍信号。12是解调器，用于把激光多普勒振动计的差拍信号输出变换成振动信号。2是成为测定对象的瓜果。3是重量计。41是振动发生器，用来与载置瓜果2的载物台44机械性地接触，并成为用来给瓜果2提供规定的振动的振动源。42是功率放大器，用来向振动发生器41输出振动信号。43是信号发生器，用来产生提供给瓜果2的振动信号。44是载物台，用来载置要进行测定的瓜果2。51是加速传感器，安装在载物台44上，具有可以检测提供给瓜果2的振动的性能。61是高速傅立叶变换装置(以下缩写为FFT)，用来分别使来自解调器12的信号和来自振动检测器51的信号进行FFT变换并向微处理器输出。62微处理器，具有根据重量计3的输出和FFT的输出计算衰减比η、弹性值E、粘性值c，并输出计算结果的功能，和产生用来提供给予瓜果2的电信号的功能。63是显示装置，用来显示从微处理器62输出的测定结果数据。

说明上述那样地构成的成熟度·质地测定装置的测定步骤。

将瓜果2载置到重量计3并将瓜果2的重量m输入微处理器62。此后，将瓜果2载置到载物台44上，微处理器62对信号发生器进行指示，使其在第1频率(例如20Hz)产生正弦波。信号发生器43的振荡输出经过功率放大器42被送到振动发生器41，使载物台44上的瓜果发生振动。此时，由振动检测器5检测出载物台的振动，经过FFT 61输入微处理器62。同时，由激光多谱勒振动计11检测出瓜果2的表面振动，经过解调器12输入FFT61。

FFT61的输出输入到微处理器62。微处理器62以来自FFT61的输入为基础计算频率响应函数。然后微处理器62对于信号发生器63发出从第1频率到比较高的第2频率(例如3KHz)为止输出具有适当的频率间隔的正弦波的指令，且每次都根据来自FFT61的输入信号计算频率响应函数。借助于一连串的步骤，微处理器62完成图2那样的传递函数特性。

另外，在本例中，加振信号虽然使用的是正弦波，但是即便是使用含有第1频率和第2频率的频带的随机波、扫频正弦波也可以得到同样的效果。

其次，微处理器62以该传递函数为基础计算成熟度、质地。首先，边参照图6边对微处理器62判定瓜果的成熟度的处理进行说明。

图6示出了微处理器62判定瓜果的成熟度的处理的概略流程图的一个例子(猕猴桃的情况)。

微处理器62在上述运算出来的频率响应函数中，求2次谐振频率f₀，并用f₀和瓜果的重量m，根据公式E＝m^2/3·f₀ ²计算弹性值E。同时，用2次谐振峰求从2次谐振频率f₀的增益下降了3dB时的频率，定为f₁、f₂(f₂＞f₁)，并根据公式η＝(f₂-f₁)/f₀计算衰减比η。在弹性值E比10×10⁶dyne/cm²还大时，如果弹性值E处于10～20×10⁶dyne/cm²的范围内，则判定为成熟度3(最佳成熟)，如果弹性值E处于20～30×10⁶dyne/cm²的范围内，则判定为成熟度2(刚有点熟)，如果弹性值E超过了30×10⁶dyne/cm²，则判定为成熟度1(未熟)。此外，在弹性值E低于10×10⁶dyne/cm²时，如果衰减比η不足0.25则判定为成熟度3(最佳成熟)，如果衰减比η处于0.25～0.4的范围内则判定为成熟度4(过熟)，如果衰减比η超过了0.4则判定为成熟度5(腐烂)。这样地求得的瓜果的成熟度显示于显示装置上。

此外，关于表示瓜果的质地的粘性值、弹性值的微处理器的运算处理，与上述的弹性值、衰减比的运算处理一样，可以用前边说过的计算公式和图2的传递函数特性求解。

在图7、图8中，示出了用本发明测定的瓜果的粘性值和弹性值。

图7是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的猕猴桃的粘性值和弹性值的日变化的说明图。

横轴表示时间(天数)，纵轴分别表示粘性值和弹性值。用图中的箭头A表示的数据表示粘性值，用箭头B表示的数据是弹性值。根据图7，猕猴桃随着天数的增加，粘性值和弹性值日渐减少。猕猴桃随着时间的流逝果肉变软，果汁增加，在13天以后腐烂，变成为稀溜溜的状态。弹性值的减少表明果肉变软，粘性值的减少表明果汁增加(粘性降低)。

图8是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的苹果的粘性值和弹性值的日变化的说明图。

横轴表示时间(天数)，纵轴分别表示粘性值和弹性值。用图中的箭头A表示的数据表示粘性值，用箭头B表示的数据是弹性值。所测定的粘性值随着天数的流逝而增加，而弹性值则减少。在苹果的情况下，与猕猴桃不同，保存时间越长，果肉虽然会变软，但果汁减少，变成为干燥的状态。弹性值的减少虽然与图7的猕猴桃是一样的，但是，由于果汁减少，已经干燥，故粘性值却不断增加。

图9是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测定装置测定的各种瓜果的粘性值和弹性值之间的关系的说明图。

所测定的瓜果，是未熟的猕猴桃、已熟的猕猴桃、梨、苹果和桃。未熟的猕猴桃与已熟的猕猴桃相比弹性值、粘性值都高。这表明果肉硬果汁少。猕猴桃表现出随着弹性值的降低粘性值也降低的倾向。苹果则表现出随着弹性值的下降粘性值反而上升的倾向，显示出随着果肉软化果汁减少的倾向。梨与猕猴桃一样，随着弹性值的降低粘性值也降低，表明果肉的软化与果汁的增加同时发生。而桃，与弹性值相比粘性值高，与具有同等程度的弹性值的梨差别很大。这表明与梨比桃的果汁有粘性。由以上的结果可知，通过测定粘性值就可以判定瓜果的口感，通过与弹性值进行组合就可以表示更为正确的瓜果的质地。

此外，由于随着瓜果的成熟质地将发生变化，故可以利用这一点来判定瓜果的成熟度。由图9可知，未熟的猕猴桃和已熟的猕猴桃可以以弹性值约22×10⁶dyne/cm²、粘性值约140×10³g·sec/cm为界进行区分。采用象这样地预先测定成熟度已知的瓜果的粘性值和弹性值，并与该值进行比较的办法就可以测定瓜果的成熟度。

如上所述，倘采用本发明，根据加上振动的瓜果的传递函数特性、第2次谐振峰和重量计算果肉的弹性系数、粘性系数、粘性值和弹性值，就可以提供能够高速且正确地测定各种瓜果的成熟度、质地而不破坏瓜果的成熟度、质地测定装置。

工业上利用的可能性

使用本发明的测定装置，由于可以使瓜果的成熟度或质地定量化而无须凭借由人进行的官能试验、无须破坏瓜果，故可以快速且正确地判断品种改良后的瓜果的质地，对于缩短品种改良的时间是有用的。

Claims (5)

1.一种测定瓜果的成熟度和质地的方法，其特征是包括下述步骤：

给应进行测定的瓜果加上频率依次变化的振动；

测定上述振动及所述瓜果的振动的大小；

测定所述瓜果的重量m；

根据上述施加的振动及上述瓜果的振动的大小，对频率进行解析，求出瓜果的传递函数特性，并根据上述传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从2次谐振峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂；

分别运算用(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η和用m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E，其中，m是上述瓜果的重量；

在上述弹性值E比预定的值大的情况下，用上述弹性值E的值，在上述弹性值E在上述预定值小的情况下，用上述衰减比η的值，分别决定上述瓜果的成熟度；

用衰减比η的值运算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c；

由上述粘性值c和上述弹性值E两者来表示瓜果的质地。

2.一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：

给瓜果施加振动的加振单元；

检测并输出上述加振单元的加振力信息的加振信息检测单元；

检测被上述加振单元加振的上述瓜果的被加振信息的被加振信息检测单元；

测定瓜果的重量并输出重量信息m的重量计；

2次谐振点计算单元，它根据被加振信息检测单元的输出信号和加振信息检测单元的输出信号进行频率解析、求出上述瓜果的传递函数特性，并由该传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f₀计算由m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E，用f₁、f₂计算由(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η，和用所述衰减比η的值计算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c，并输出和显示所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果。

3.一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：

重量计，用于测定要进行检测的瓜果的重量，并输出重量信息；

载物台，用于载置所述瓜果；

与上述载物台机械性地连接的振动发生器，用于构成给上述瓜果提供规定的振动的振动源；

信号发生器，用来产生提供给上述瓜果的振动信号；

功率放大器，用来向上述振动发生器输出振动信号；

安装在上述载物台上的加速传感器，具有可以检测提供给上述瓜果的振动的性能；

激光多普勒振动计，用于非接触地检测上述瓜果的表面的振动，输出与速度成比例的差拍信号；

解调器，用于把上述激光多普勒振动计的差拍信号输出变换成振动信号；

高速傅立叶变换器，用来分别将来自上述解调器的信号和来自振动检测器的信号进行高速傅立叶变换并向微处理器输出；

微处理器，根据上述高速傅立叶变换器的输出计算所述瓜果的2次谐振频率f₀以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频率f₁、f₂，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f₀计算由m^2/3·f₀ ²确定的弹性值E，用f₁、f₂计算由(f₂-f₁)/f₀确定的衰减比η，和用所述衰减比η的值计算由2π·f₀·m·η确定的粘性值c，并输出所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果和产生用来提供给上述瓜果的电信号；

显示装置，用来显示从上述微处理器输出的测定结果数据。

4.如权利要求3所述的瓜果的成熟度和质地测定装置，其特征在于：

所述微处理器还具有在所述弹性值E大于所述预定值时使用该弹性值E的值、在所述弹性值E小于所述预定值时使用所述衰减值η分别决定所述瓜果的成熟度的功能，以及将关于该成熟度的决定结果输出到所述显示装置的功能。

5.如权利要求3所述的瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征在于：

所述微处理器还具有使用所述粘性值c和所述弹性值E两者表示瓜果的质地的功能。

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