品質(zhì)分級為果蔬產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造更大價值

文/ 李功燕 中國科學(xué)院微電子研究所

李 鮮 浙江大學(xué)

張 慜 江南大學(xué)

朱 壹 江西綠萌科技控股有限公司

許紹云 中國科學(xué)院微電子研究所

在果蔬店和各大超市里，整整齊齊、分門別類地擺放著的大小一致、品質(zhì)相同、顏色接近的新鮮果蔬，牽動著人們的味蕾。但在享用美味水果和蔬菜時，你是否想過這個問題：枝頭上的水果和田間的蔬菜很難做到大小和品質(zhì)相同，那么該如何快速地給這些果蔬分級，讓它們整齊地“排排坐”？有些水果外表沒什么問題，可是內(nèi)部的果肉很可能已經(jīng)出現(xiàn)了損傷，這種問題又該如何避免呢？以上問題看似很小，影響卻是巨大的。中國是世界上最大的果蔬生產(chǎn)國，年產(chǎn)果蔬達(dá)到 10 億噸左右，輻射帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過 3 萬億元。然而長期以來，我國一直重采前生產(chǎn)、輕采后處理，采后處理率約為 30%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家 70% 的水平，而這導(dǎo)致的直接后果就是果蔬產(chǎn)地采后腐爛損耗高達(dá)30% 以上，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

因此，果蔬采摘后，首先要按照色澤、大小、損傷度等內(nèi)外部品質(zhì)進行分級處理，這樣可以從源頭上剔除殘次品，延長儲存保鮮時間，進而提高果蔬產(chǎn)品的附加值。但是如此大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)顯然不能依靠效率低下的人工分級，智能化技術(shù)的發(fā)展提供了一個更具優(yōu)勢的解決方案。

在這方面，由中國科學(xué)院微電子研究所的科研人員領(lǐng)銜的項目團隊長期立足于果蔬采后處理領(lǐng)域，主導(dǎo)或參與了國內(nèi)大多數(shù)的果蔬智能化品質(zhì)分級處理相關(guān)工程建設(shè)。2018 年，針對我國保鮮技術(shù)落后、采后生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)體系和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺乏、相關(guān)國產(chǎn)裝備研發(fā)嚴(yán)重滯后等問題，中國科學(xué)院微電子研究所牽頭承擔(dān)了國家重點研發(fā)計劃“優(yōu)質(zhì)果蔬智能化品質(zhì)分級技術(shù)裝備研發(fā)”項目， 計劃研發(fā)具有國際一流水準(zhǔn)、適合國內(nèi)產(chǎn)業(yè)需求的優(yōu)質(zhì)果蔬智能化品質(zhì)分級處理技術(shù)與成套裝備，以期達(dá)到提升果蔬品質(zhì)和附加值、降低腐爛率、延長保鮮時間的目的；并由此建立具有大規(guī)模推廣意義的優(yōu)質(zhì)果蔬采后品質(zhì)分級處理工藝流程的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制完成相關(guān)的自動化成套裝備。 項目團隊選擇產(chǎn)業(yè)影響較大、產(chǎn)量較高的柑橘、蘋果和番茄作為主要研究對象，以內(nèi)外部品質(zhì)高效分級為核心，重點在果蔬內(nèi)外品質(zhì)在線無損檢測技術(shù)、果蔬自動化分級和包裝關(guān)鍵裝置及成套裝備、果蔬節(jié)能高效預(yù)冷和工業(yè)化智能儲藏成套裝備、鮮切果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持工藝及設(shè)備、智能化果蔬分級成套技術(shù)裝備集成及示范等方面開展攻關(guān)。目前，項目團隊已解決 3 項果蔬內(nèi)外品質(zhì)在線檢測關(guān)鍵技術(shù)，研制完成工業(yè)化智能控溫控濕設(shè)備、綠色高效保鮮設(shè)備、多通道精確自動分級裝置、自動分級機械系統(tǒng)、果蔬熱激保鮮裝備樣機和三維規(guī)格切制裝置樣機等裝備，并在云南玉溪開展了褚橙自動分選應(yīng)用示范工程建設(shè)工作，建成了99畝示范選果廠。

無損檢測果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)

顏色鮮紅、沒有傷疤和蟲蛀的大蘋果可以賣得貴一點；個頭小、表面坑洼、 顏色不夠鮮紅的蘋果，價格自然就更低一些。要想將這兩種價格不同的蘋果進行分級，就需要對其內(nèi)外部品質(zhì)進行無損檢測，并實現(xiàn)在線快速分選，進而有效地提高附加值。

為此，項目團隊以不同果蔬的內(nèi)外部品質(zhì)特征為研究對象，進行了多項研究工作：研發(fā)稱重傳感器及其外圍電路的非線性溫度漂移補償方法和重量傳感信號振動干擾的抑制方法， 可以實現(xiàn)高精度在線稱重；研究雙彩色（RGB）相機分頻段立體視覺系統(tǒng)，可以獲得不同果蔬表面的最佳多光譜圖像，并通過對兩臺相機獲取的圖像進行匹配，獲得果蔬表面多光譜信息以及視差估計，從而檢測色澤、 大小、形狀、體積和平滑度等外部品質(zhì)， 進而結(jié)合重量實現(xiàn)密度檢測；基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立表面瑕疵感官鑒評模型，可以智能分辨果蔬的品相。 此外，項目團隊還選擇合適的譜段，檢測紅外透射、反射光譜特征，建立不同果蔬含糖量、含酸量、浮皮、褐變、果肉損傷、空心等內(nèi)部品質(zhì)的紅外光譜模型。通過這一系列研究工作，項目團隊最終將建立一套高性能在線果蔬內(nèi)部、 外部品質(zhì)檢測技術(shù)體系，掌握相關(guān)關(guān)鍵共性技術(shù)。

項目實施兩年多以來，項目團隊結(jié)合果蔬稱重過程的動態(tài)、持續(xù)特征，設(shè)計了基于高速DSP處理器的果蔬重量傳感硬件系統(tǒng)；構(gòu)建了稱重系統(tǒng)環(huán)境溫度的實時采集方案，制定了溫度漂移曲線，設(shè)計了傳感器非線性溫度漂移補償方法。為了提升瑕疵檢測效果，還基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計出臍橙果梗、臍部檢測方法，為臍橙瑕疵檢測提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)依據(jù)。

通過對果蔬圖像采集過程進行研究，項目團隊設(shè)計了雙啞鈴型滾子實現(xiàn)果蔬定向旋轉(zhuǎn)，改進并完善了蘋果圖像采集方案；設(shè)計了加工喂料、輸送、 旋轉(zhuǎn)、采集、篩選機構(gòu)，建立了多源信息融合分級架構(gòu)；采用立體視覺成像結(jié)合三維重建技術(shù)，以獲取蘋果的外觀品質(zhì)。此外，項目團隊還針對不同果蔬構(gòu)建了不同部位內(nèi)部品質(zhì)的無損檢測模型；面向水果外表糖度、 內(nèi)心糖度、整體糖度，以及水果陽面糖度、陰面糖度和整體糖度，分別構(gòu)建了光譜檢測模型，分析影響內(nèi)部品質(zhì)的檢測手段和檢測因素。

果蔬的自動化分級和包裝

研發(fā)果蔬自動化分級和包裝裝備需要考慮果蔬本身是否易受機械損傷、果杯的大小，以及果蔬的清洗、打蠟和殺菌保鮮等問題，同時還要研究規(guī)格切制裝備，以解決鮮切果蔬的市場需求。項目團隊以不同果蔬的分級、清洗、熱激保鮮、打蠟、規(guī)格切制、包裝及配套自動化裝備為研究對象，研制單動力雙速高壓高效果蔬清洗裝備、可顯著降低果蔬采后腐爛率的智能熱激保鮮設(shè)備和水循環(huán)設(shè)備、高通量無接觸靜電打蠟裝置、 基于三維規(guī)格切制模式的多功能規(guī)格切制裝置、適應(yīng)不同果蔬特點的多通道品質(zhì)分選系統(tǒng)、柔性果蔬輸送單元及卸果裝置、全自動入料卸垛裝備、全自動果蔬裝箱機等裝備。最終的目標(biāo)是研制出性能優(yōu)良、自動化程度高的分級和包裝關(guān)鍵裝置及成套裝備，掌握相關(guān)關(guān)鍵共性技術(shù)，突破制約果蔬分級包裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動化裝備的瓶頸問題，推動優(yōu)質(zhì)果蔬分級包裝產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級。

目前，項目團隊已研制完成果蔬前置輸送裝置，實現(xiàn)了果蔬在線高速、穩(wěn)定輸送，有效提升了果蔬前處理和多通道分級銜接精準(zhǔn)度；對卸果裝置（包括設(shè)計果杯本體、活動鏈接件、果杯底座以及三者之間的連接關(guān)系）進行了研制， 可實現(xiàn)果蔬 360 °自旋轉(zhuǎn)、無損傷下線等功能；研制了自動分級機械系統(tǒng)，采用電機作為主驅(qū)動鏈傳動，設(shè)計多通道高性能分選系統(tǒng)組成機械單元，同時研究了各機械單元集成方案。

與此同時，項目團隊還完成了水殺菌和熱激保鮮樣機制作，以不同品種的柑橘為研究對象，在不同溫度、pH值、殺菌液濃度的試驗條件下，進行水殺菌和熱保鮮處理，貯藏于常溫開放環(huán)境， 記錄其在貯藏過程中的生理變化和腐爛情況，結(jié)合試驗條件及記錄數(shù)據(jù)，確定了水循環(huán)殺菌和熱處理防腐保鮮最優(yōu)條件和參數(shù)，建立了數(shù)據(jù)模型。 針對果蔬不同形狀多功能規(guī)格切制要求，項目團隊還提出了三維規(guī)格切制模式，研究了切片刀、圓盤刀和橫切刀空間分布技術(shù)與滾筒、圓盤刀和橫切刀轉(zhuǎn)速耦合控制技術(shù)，創(chuàng)制了果蔬規(guī)格切制機，實現(xiàn)了果蔬切片、絲和塊的規(guī)格切制。

果蔬的預(yù)冷和貯藏

果蔬采后需要及時進行預(yù)冷和貯藏，部分果蔬在運輸途中必須選擇冷鏈運輸才能保證其品質(zhì)。為此，項目團隊根據(jù)不同果蔬的特性，研制移動式高效預(yù)貯 / 預(yù)冷系統(tǒng)，并通過高精度實時傳感檢測技術(shù)，動態(tài)監(jiān)控并調(diào)節(jié)果蔬所處環(huán)境，使果蔬能在品質(zhì)最佳條件下被貯藏。目前，項目團隊已開發(fā)完成具有高相變潛熱、相變溫度可調(diào)、無毒無害、成本低廉的復(fù)合相變蓄冷材料，研制了參數(shù)可調(diào)工業(yè)化智能控溫控濕設(shè)備，采用熱平衡法對各過程進行分析，構(gòu)建了果蔬采后預(yù)冷品質(zhì)安全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

未來，項目團隊將通過研究不同品種果蔬在不同預(yù)冷參數(shù)條件下預(yù)冷速率、預(yù)冷均勻性、預(yù)冷品質(zhì)的差異，建立基于預(yù)冷速率、預(yù)冷均勻性、預(yù)冷品質(zhì)的多尺度預(yù)冷效果評價體系，開展產(chǎn)地低碳節(jié)能快速預(yù)冷裝備和儲運一體化設(shè)備研制，探索建立產(chǎn)地預(yù)冷智能化保鮮新模式，促進現(xiàn)代化冷鏈物流的發(fā)展。

鮮切果蔬的品質(zhì)與營養(yǎng)保持

果蔬按品質(zhì)分級后，一般會根據(jù)市場需求選擇合適等級的果蔬鮮切后進入商品化流通。為了達(dá)到控制鮮切果蔬品質(zhì)和延長保鮮期的目的，需要掌握鮮切果蔬的品質(zhì)變化規(guī)律和營養(yǎng)保持技術(shù)。 這方面的重點研究工作包括：分析優(yōu)質(zhì)特色果蔬采后代謝及切后品質(zhì)變化規(guī)律；開展加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理等新型綠色高效保鮮設(shè)備研制及其保鮮關(guān)鍵技術(shù)研究；研發(fā)天然納米保鮮劑 / 保鮮膜協(xié)同加壓惰性氣體處理、低壓靜電場處理協(xié)同微真空貯藏等新型協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)，并揭示不同協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)調(diào)控鮮切果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持及其貨架期延長的保鮮機理；創(chuàng)制適用于不同優(yōu)質(zhì)特色果蔬切后保鮮的協(xié)同保鮮關(guān)鍵技術(shù)。

目前，項目團隊已完成低壓靜電場保鮮處理設(shè)施、加壓惰性氣體保鮮處理裝置的安裝與調(diào)試，分別探討了低壓靜電場處理、加壓惰性氣體處理的保鮮關(guān)鍵技術(shù)及其保鮮機理；研制了新型天然納米保鮮劑 / 保鮮膜，并探討了其保鮮工藝及保鮮機理，為提升果蔬的保鮮期提供了保證。

智能化果蔬分級成套技術(shù)裝備集成及示范

要全面建立高性能的果蔬采后智能化品質(zhì)分級處理裝備體系，重點在于設(shè)計合理的系統(tǒng)體系框架，以實現(xiàn)成套設(shè)備之間的無縫聯(lián)動功能。為了提高系統(tǒng)的可靠性、可擴展性和可維護性，項目團隊摒棄了集中式的設(shè)計方式，轉(zhuǎn)而采用模塊化、分布式的設(shè)計理念，將整個測控系統(tǒng)分成多個相對獨立的子模塊，采用分布式嵌入式控制系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)總線和控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信技術(shù)、集中式軟件管理系統(tǒng)等相結(jié)合的體系框架，以實現(xiàn)各個功能模塊的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，制定即插即用的高層協(xié)議，以實現(xiàn)成套設(shè)備之間的無縫聯(lián)動，為行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立奠定了扎實基礎(chǔ)。

項目團隊針對果蔬分級成套裝備系統(tǒng)硬件進行了設(shè)計開發(fā)。基于高速 CCD 相機、多核DSP 處理板卡設(shè)計了圖像采集與智能處理硬件模塊，實現(xiàn)了圖像的實時采集和處理；設(shè)計了重量傳感采集電路、DSP+FPGA 處理板卡以及重量采集處理與分選硬件模塊，實現(xiàn)了對重量傳感信號進行采集處理，進而確定果蔬分選等級；構(gòu)建了由電磁閥控制器、電磁閥驅(qū)動板組成的卸果控制與貼標(biāo)硬件模塊，用于在果蔬到達(dá)指定登記通道出口時控制電磁閥擊打果杯，使果蔬有序滾入包裝臺。

基于以上研究成果，項目團隊在云南實建果業(yè)有限公司開展了褚橙自動分選應(yīng)用示范工程建設(shè)工作，完成了示范基地和廠區(qū)的前期準(zhǔn)備工作，建成99畝示范選果廠，采后處理中心面積達(dá)1.6萬平方米，儲藏冷庫可容納褚橙2萬噸。 示范選果廠對原料、輔料、包裝材料和成品等進行嚴(yán)格質(zhì)量把控，以確保分選系統(tǒng)的實施有效性，前景一片光明。

項目團隊立足農(nóng)業(yè)應(yīng)用，廣泛吸收其他學(xué)科的成熟技術(shù)成果，采用理論研究和實驗分析相結(jié)合、從典型到通用逐漸推進的研究策略，可以顯著提升我國在果蔬多源信息融合分級、果蔬預(yù)冷 / 儲藏、果蔬品質(zhì)與營養(yǎng)保持等方面的技術(shù)研究水平，所取得的諸多研究成果相當(dāng)于為果蔬產(chǎn)業(yè)配備了“火眼金睛”， 可以讓各類水果按照不同的級別進行自動分選。

未來，研究團隊將繼續(xù)前行，進一步完善各項成果，最終將建設(shè)一條性能優(yōu)良、自動化程度高、業(yè)務(wù)流程規(guī)范的優(yōu)質(zhì)果蔬采后智能化品質(zhì)分級處理流水線，并通過示范應(yīng)用基地的建設(shè)，形成具有大規(guī)模推廣意義的優(yōu)質(zhì)果蔬采后品質(zhì)分級處理工藝流程的行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) , 使這一決定果蔬“命運”的關(guān)鍵一步更為精準(zhǔn)高效。屆時，無論是櫻桃和葡萄，還是西瓜和榴蓮，都可以輕松地通過分選、輸送和保存等一整套流程進入我們的生活，并更持久地保留美好滋味。 放眼到整個果蔬產(chǎn)業(yè)，我國果蔬產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造更大的價值，國際市場競爭力將大大增強，我們期待這一天早日到來。