徐虎博，吴 杰，王曌鹏，高永茂，王志鹏，赵正强

（石河子大学机械电气工程学院，教育部绿洲特色经济作物生产机械化工程研究中心，新疆石河子832003）

库尔勒香梨粗皮果振动频谱特性的研究

徐虎博，吴 杰*，王曌鹏，高永茂，王志鹏，赵正强

（石河子大学机械电气工程学院，教育部绿洲特色经济作物生产机械化工程研究中心，新疆石河子832003）

为了实现库尔勒香梨粗皮果的无损判别与检测，采用脉冲激励法测试了香梨正常果和粗皮果的振动频谱特性，分析了两种品质香梨响应主频率的差异显著性，并通过对两品质香梨石细胞含量的统计测量以及对果皮和果肉显微结构观察，探讨了粗皮果与正常果的响应主频率产生差异的本质原因。结果表明，正常果和粗皮果的响应主频率分别为（687.5±13.1）Hz和（775±19.4）Hz，存在显著差异（p＜0.05）。粗皮果具有较高的响应主频率，其本质原因是其果表皮层致密、木质化细胞数量较多、含水率较低且其果肉中有大量分布的石细胞（团）和较多的木质纤维。

库尔勒香梨，粗皮果，坚实度，振动频谱，响应主频率

库尔勒香梨（以下简称香梨）是国家地理标志产品[1]和新疆特色果品，皮薄肉酥、渣少汁多、营养丰富、香气浓郁，被誉为“梨中珍品”、“果中之王”，深受海内外众多消费者的喜爱，是当地梨农增收致富的重要来源，并成为当地支柱产业[2-3]。然而，随着香梨栽培面积扩大，产量大幅提高，果实品质却因粗皮果增多而有所下降。香梨粗皮果比正常果的质地坚硬，果核大且汁少渣多，口感很差。因此，在香梨实际分选过程中必须剔除粗皮果，以保证香梨的整体品级。目前，粗皮果主要依靠对表皮触觉差异来剔除，效率低，而且会因为人的主观性及疲劳程度而导致较多误判。因此，如何实现香梨粗皮果快速、准确地检测与判别，对提高香梨的等级和商品价值具有重要意义。

坚实度是区别香梨粗皮果与正常果的一项重要指标，通常可采用水果硬度计进行测定，但属于破坏性检测，不适宜香梨批量在线实时检测。在众多果蔬坚实度无损检测技术中，可见/近红外光谱法是研究的热点之一，尽管该技术可检测梨果坚实度[4-6]，但从检测精度来看，更适宜检测糖度和酸度[7]。高光谱图像法结合光谱和图像信息，可检测果蔬的坚实度[8-9]，但需要处理大量图像数据[10]，从而阻碍了其在果蔬坚实度无损检测中的推广应用。此外，也有研究尝试用介电特性检测技术检测柿子的坚实度[11]，但该技术分选精度低，远未达到实用阶段[12]。与上述检测方法相比，大量研究表明振动频谱响应技术在多种水果坚实度检测方面都取得了良好的检测效果[13-20]，而且基于此原理的检测设备由于价格较为低廉且受环境影响小，已有成功的商业化应用[21-22]。因此，本研究采用振动频谱响应技术对香梨正常果和粗皮果进行激振实验，明确了两种品质香梨振动频谱特性，并结合香梨果皮和果肉组织的显微观察，探讨了两种品质香梨振动频谱特性产生差异的主要原因，实现了粗皮果的识别，为香梨内部品质在线检测与分级提供了科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

香梨 香梨试样采自新疆库尔勒同一果园，时间为2013年9月20日，剔除试样中的虫害、畸形和损伤果。根据香梨表皮光滑、鲜亮和坚硬的程度[23]，选取香梨正常果和粗皮果试样质量均为（110±2.0）g，果形的纵横比（最大高度和最大直径之比）为1.2±0.03，以消除质量和果形对香梨振动频谱特性的影响。将香梨试样贮藏于温度为-2～0℃，湿度为85%～95%的环境中，待用；无水乙醇 天津永大化学试剂开发中心，分析纯；甲醛溶液 深圳科天化玻仪器有限公司，分析纯；冰醋酸 青岛永安化学品有限公司，分析纯；番红-固绿双重染色剂 上海经科化学科技有限公司；盐酸 国药集团化学试剂有限公司，分析纯；间苯三酚 国药集团化学试剂有限公司，分析纯。

LC1305型微型压电加速度传感器 朗斯有限责任公司；LC0505型微型压电石英力传感器 朗斯测试技术有限公司；LC0408T型激励锤 朗斯测试技术有限公司；DLF-8型电荷电压四合一放大器 北京东方振动和噪声研究所；INV306U-5160型智能信号采集处理分析仪 北京东方振动和噪声研究所；Coinv DASP V10版信号采集与实施分析软件 北京东方振动和噪声研究所；SPS402F型电子天平 上海奥豪斯仪器有限公司；BS423S型电子天平 北京赛多利斯仪器系统有限公司；FT-327型硬度计 意大利BRUZZI公司；PR-101型手持折光仪 日本ATAGO公司；GZX-9140 MBE电热恒温鼓风干燥箱 上海博讯实业有限公司医疗设备厂；0.25 mm、0.50 mm孔径分样筛 上虞市华丰五金仪器有限公司；DS-1型组织捣碎机 上海标本模型厂；BCD-186KB型冰箱青岛海尔集团；BX51TR-32FIBGU型荧光显微镜（带有数字摄像头和图像分析软件DPController） 日本OLYMPUS公司；RM2235型石蜡切片机 德国LEICA仪器有限公司。

1.2 香梨振动实验

1.2.1 实验装置及测试条件 如图1所示，橡皮筋悬挂香梨以确保其自由振动。参考文献[24]的研究，在本测试中带微型压电石英力传感器的力锤采用橡胶锤头，以12 N激励力进行信号激励，并用垂直贴于香梨表面的加速度传感器感测振动响应信号。由于香梨的赤道区域易于振动信号的激励和感测，因此本研究在香梨赤道区域（果颊部和赤道线）上均布多个激励点（图2），测试两品质香梨振动响应信号稳定性及振动信号是否具有各向异性。香梨正常果、粗皮果各150枚，每个试样重复激励感测3次，取平均值。

图1 香梨激振测试系统示意图Fig.1 General view of the experimental setup

图2 香梨各向异性测点布置Fig.2 Measuring points on pear for anisotropic testing

1.2.2 信号检测过程 激励的模拟信号经过电荷放大器对其进行放大，然后对放大过的信号进行抗混滤波、采样保持以及模数转换等一系列处理过程转换成数字信号。参考文献[24]的研究，为了兼顾香梨信号的处理精度和采集范围，在采集数字信号的过程中设置6.4 kHz的采样频率（SF），1024个分析点数（N），2块采样块（M），因此，根据公式T=M×1024/SF，得到采样时间T为0.32 s，同时根据公式，ΔF=SF/N得到本研究的频率分辨率ΔF为6.25 Hz。

1.2.3 信号分析方法 香梨振动信号全程分析时，需进行加窗函数处理，由于指数窗更适宜瞬态信号的加权处理，且其具有较高的信噪比[25-26]，故本研究采用指数窗截断时域信号，通过对截断信号采用“平均技术”处理进一步降低噪声影响[27]，与此同时将各幅波形的重叠程度，即重叠系数，设为127/128，以获得良好的计算结果，然后对处理过的信号进行频域转换。

1.3 香梨物性参数测定

1.3.1 带皮坚实度的测定 采用果实硬度计在香梨向阳面和背阴面进行坚实度的M-T法（Magness-Taylor）测定[28]，其中，香梨红晕部位为向阳面，其对面为背阴面。测量时，以赤道线上点作为测定点，压头直径取8.00 mm，压缩速度25.40 mm/min，压入深度7.49 mm，以穿刺过程中的最大力作为香梨带皮坚实度。对向阳面与背阴面坚实度实测值取均值作为香梨的坚实度。

1.3.2 含水率测定 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（一个大气压），温度105℃干燥箱内干燥24 h，干燥后称重计算香梨的湿基含水率。

1.3.3 可溶性固形物测定 在去皮香梨的赤道区域每隔120°的位置取适量果肉，采用手持折光仪测定香梨的可溶性固形物含量。

1.3.4 石细胞含量测定 参考文献[30-31]的方法，对香梨果肉提取石细胞后，分别用孔径为0.50 mm和0.25 mm的分样筛筛分干燥后的石细胞，并用电子天平称重，精度为0.001 g。用于测定的粗皮果和正常果果肉组织样本数各30份。

1.4 香梨组织显微观察

1.4.1 果皮组织 参考文献[32-33]的方法，采用FAA固定液（70%乙醇溶液、甲醛溶液、冰醋酸体积比为90∶5∶5）对果皮试样进行固定，番红-固绿双重染色剂对切片进行染色，最后在荧光显微镜下观察照相。

1.4.2 果肉组织 分别取香梨赤道区域近果皮和近果心3 mm处的果肉，采用徒手切片法[34]制作香梨果肉切片，用1 mol/L盐酸对果肉细胞离析，然后用0.1%间苯三酚染色，最后在荧光显微镜下观察照相。

1.5 数据处理

用SPSS 20.0软件处理实验数据，采用Duncan’s multiple range test进行方差分析（α=0.05），以检验相关数据间差异的显著性。

2 结果与讨论

2.1 香梨物性参数

由表1可知，正常果与粗皮果的带皮坚实度、含水率差异显著（p＜0.05），可溶性固形物含量差异不显著（p＞0.05）。

表1 香梨正常果和粗皮果试样的理化指标（n=150）Table 1 Material properties of normal pear and rough peel pear samples（n=150）

2.2 香梨正常果振动频谱响应各向异性测试

如图3所示，对正常果易测的赤道区域进行不同激励点激励的频谱特性分析，振动频谱响应曲线都很相近，其对应的响应主频率也基本相同，即使略有差异，响应主频率的差值也在6.25 Hz的频率分辨率范围之内。这表明，本测试系统可以获得稳定可靠的香梨振动频谱响应信号，且赤道区域的不同激励点对正常果振动频谱响应影响不明显，这一结论与已有研究报道一致[16，24]。

图3 香梨正常果各向异性不同激励点频谱特性Fig.3 Effect of normal pear position on the vibration spectrum response signal

图4 香梨正常果与粗皮果的振动频谱曲线Fig.4 Vibration spectrum curves of Korla pear with normal and rough peel

图5 香梨正常果和粗皮果的响应主频率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动频谱特性

如图4所示，香梨正常果与粗皮果在相同脉冲激励下产生的振动频谱存在差异，正常果更容易被激励出多阶响应频率，而粗皮果响应主频率之后的响应频率不易激励出来。正常果的响应主频率为（687.5±13.1）Hz，而粗皮果的响应主频率为（775±19.4）Hz，比正常果的要高，它们之间的差值已超出6.25 Hz的频率分辨率，两种品质果实响应主频率的统计分析结果也进一步表明（见图5），二者的响应主频率存在显著差异（p＜0.05）。这意味，采用振动频谱的响应主频率这一重要特征参数是完全可以实现粗皮果判别的。

2.4 香梨正常果和粗皮果振动频谱差异的探讨

图6所示为香梨果皮的显微图，果皮自外向内依次为角质膜、表皮层、亚表皮层。通过对比观察可以发现，粗皮果表皮层较为致密，木质化的细胞数量较多，这正是粗皮果果皮粗硬的主要原因。此外，粗皮果的角质膜有一定缺失，亚层表皮细胞较正常果少1～2层，这使得粗皮果不易保持水分，因此尽管正常果和粗皮果的可溶固形物无显著差异，但粗皮果的含水率却明显低于正常果（见表1），这使粗皮果粘性趋弱而弹性趋强，使其果肉的坚实度得到增强。

图6 香梨正常果（a）与粗皮果（b）的果皮组织显微图Fig.6 Microscope images of the normal and rough peel Korla pear

值得注意的是，在图7所示的香梨果肉切片观察中可以发现，粗皮果果肉中分布的石细胞（团）密度、粒径都明显较正常果大，木质纤维也较多。图8进一步表明，粗皮果中不同粒径的石细胞（团）的含量都显著（p＜0.05）高于正常果。正是由于粗皮果果肉中石细胞（团）及木质纤维的大量存在，导致粗皮果不仅汁少渣多，而且果肉质地坚硬，并与粗硬的果皮联合作用增强了香梨粗皮果的坚实度，这也正是粗皮果具有较高的响应主频率的本质原因[16]。

图7 香梨正常果（a）和粗皮果（b）的果肉组织显微图Fig.7 Microscope images of flesh of the normal and rough peel Korla pear

图8 香梨正常果和粗皮果的石细胞含量Fig.8 Content of stone cells of Korla pear with normal and rough peel

3 结论

在香梨易测的赤道区域（果颊部和赤道线）上对两品质香梨进行振动频谱响应特性分析，正常果和粗皮果的响应主频率分别为（687.5±13.1）Hz和（775± 19.4）Hz，两者存在显著差异，因此完全可以采用振动频谱的响应主频率这一特征参数实现粗皮果的无损识别。粗皮果之所以具有较高的响应主频率，是由粗皮果致密的表皮层、数量较多的木质化细胞、较低的含水率以及果肉中大量分布的石细胞（团）和较多的木质纤维共同造成的。

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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，硕士研究生，研究方向：农产品品质安全与检测，E-mail：hubo_xu@126.com。

*通讯作者：吴杰（1972-），男，博士，教授，研究方向：农产品品质安全与检测，E-mail：wjshz@126.com。

国家自然科学基金项目（31160335）；新疆兵团博士基金项目（2013BB011）；石河子大学高层次人才科研启动资金项目（RCZX201124）。