一种快速无损确定苹果收获期的光谱检测方法

背景介绍

为了使苹果早上市卖高价，将未成熟的苹果过早提前采摘，会严重影响苹果的产量和质量，降低苹果的贮藏性能。要增加果农的生产效益，必须提前采收苹果。适期采摘是保证苹果优质高产，提高果品贮藏力的重要环节。

苹果适期采收，分期采收，是提高苹果内在品质，外观品质和贮藏性的有效措施。判断果实成熟与否和确定采收期的方法很多，传统的办法主要是根据果品重量，果皮底色，果肉硬度，计算果实从盛花后到果实成熟的生长天数，果实的呼吸跃变期发生时间，果实淀粉含量，气候条件，品种等因素来判断采收期。

论述

我们讲述的是一种能够在果园中使用光学和无损测量来确定收获日期的方法。以前的光学方法可以测定果皮色素的变化以及糖含量和干物质含量。Streif指数所依据的强度指数无法在果园中使用光学方法进行非破坏性测定。因此，应通过光的散射特性找到确定成熟度的进一步措施。基于这些特性，可以获得有关细胞结构的知识，这反过来又是保质期的影响因素。德国博登湖水果生产发展中心（KOB，Kompetenzzentrum Obstbau-Bodensee）将使用光谱仪测量 Elstar（伊思达）、Gala（嘎啦）和 Jonagold （乔纳金）品种的苹果。

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在 Streif 指数中，可溶性干物质（糖）（以 °Brix 为单位）、果肉的硬度（以 kg/cm² 为单位）以及淀粉降解程度均采用 1 至 10 的评分标准来确定。根据计算出的指数（硬度/（糖度 x 强度）），指定了特定品种的收获窗口。该数据是在多年的研究工作中凭经验收集的。

自 2016 年以来，KOB 一直致力于各种项目（Big Apple 和 Melon 项目），寻找新的收获确定方法，使果实保持完整。用于水果的光学手持式测量设备已经上市，可以提供苹果皮最初几毫米的数据。根据设备类型的不同，收集的数据量存在很大差异，例如在处理干扰性环境光方面。有些设备可以计算阳光的影响。光谱仪数据用于计算果皮颜色（绿色、黄色和红色色素）的信息，并使用特殊模型计算水果的糖含量或干物质含量的信息。然而，仅凭这些数据无法确定收获日期。因此，在“Big Apple”项目中，可以从已经商用的光谱仪设备收集的数据与影响储存寿命的其他已知因素的数据相结合，并结合起来形成对最佳收获日期的预测。这些包括，例如，水果挂，叶果比、钙施肥和上一收获日期。

由于每年的种植条件差异很大（主要是由于天气），因此模型需要不断收集更多的数据，以便能够开发强大的预测工具。此外，光学数据也存在较大的年度波动。例如：叶绿素值与基本颜色相关，可以作为最佳收获日期的指标。然而，我们每年在最佳收获日期用光谱仪测量不同的值。因此，叶绿素值目前不能作为确定收获的唯一参数

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新型的光谱检测仪器

Melon 项目的目标是开发一种光谱仪，为确定最佳收获日期提供新的见解。与德国insion公司以及其他研究机构合作，从头开始开发了光谱仪并进行了测试。为此，制造了不同类型的外壳，并在智能手机上编写了数据分析软件。为了能够检查所收集数据的质量，铸造了模型（具有确定光学特性的半球），并用其进行了参考测量。光源是光谱仪的心脏。为此，新开发的 LED 被安装在一个环中。所开发的光谱仪（参见图3）不仅能够确定光的反射，还能够在第二光源的帮助下确定散射（参见图4）。

图3.手持式光谱仪

图4.快速无损检测方法获取苹果最佳采摘时间

光谱仪在现场测试中进行了测试，水果也在另外两个光学传感器实验室装置上进行了测试。该项目的目的是开发一种实用且廉价的现场测量设备，该设备还可以检测苹果的散射特性。

图5. 光线（黑色箭头）照射到苹果时产生的效果示意图。虽然小部分已经在表面反射，但大部分光线可以深入到牙髓中。在那里它被分散几次（即改变其方向）并重新出现，相应地减弱，偏移到照射点。根据光的波长（颜色），部分光被苹果吸收。发射光的光学测量可以识别颜料，或者通过附加模型确定可溶性固体。这些照片显示了光线如何通过苹果中的点光源传播（左侧没有外部光源，右侧有额外的外部光源）

该试验于2018年至2020年在Gala、Elstar、Jonagold和Braeburn品种上进行，以便在一个时间内覆盖从早到晚的整个收获期。生长季节覆盖晚熟品种。同时，KOB 使用常规实验室方法确定了收获的Streif指数，并与我们自己的经验值进行比较，以确定长期储存的最佳收获时间。

在对新型光谱仪原型机的研究中发现，从苹果到收获期间，散射系数逐渐减小，并且存在品种差异。该项目的进一步结果必须在后续测试中进行检查。目前，现有的数据和分析技术不足以借助新开发的光谱仪来预测最佳收获日期。然而，KOB 已大大扩展了该应用的专业知识，并且通过正在进行的工作，有可能小规模且非破坏性地预测收获日期。

核心光谱模块

该光谱仪器采用了德国Insion公司的UV VIS SENS系列光谱仪，具有灵敏度高，成本低，稳定性高和台间差小等特点，适合大批量手持式光谱仪采用。

图6. UV VIS SENS S 光谱仪模块（德国INSION公司）