品质分级为果蔬产业创造更大价值

文/ 李功燕 中国科学院微电子研究所

李 鲜 浙江大学

张 慜 江南大学

朱 壹 江西绿萌科技控股有限公司

许绍云 中国科学院微电子研究所

在果蔬店和各大超市里，整整齐齐、分门别类地摆放着的大小一致、品质相同、颜色接近的新鲜果蔬，牵动着人们的味蕾。但在享用美味水果和蔬菜时，你是否想过这个问题：枝头上的水果和田间的蔬菜很难做到大小和品质相同，那么该如何快速地给这些果蔬分级，让它们整齐地“排排坐”？有些水果外表没什么问题，可是内部的果肉很可能已经出现了损伤，这种问题又该如何避免呢？以上问题看似很小，影响却是巨大的。中国是世界上最大的果蔬生产国，年产果蔬达到 10 亿吨左右，辐射带动相关产业产值超过 3 万亿元。然而长期以来，我国一直重采前生产、轻采后处理，采后处理率约为 30%，远低于发达国家 70% 的水平，而这导致的直接后果就是果蔬产地采后腐烂损耗高达30% 以上，造成了巨大的经济损失。

因此，果蔬采摘后，首先要按照色泽、大小、损伤度等内外部品质进行分级处理，这样可以从源头上剔除残次品，延长储存保鲜时间，进而提高果蔬产品的附加值。但是如此大规模的产业显然不能依靠效率低下的人工分级，智能化技术的发展提供了一个更具优势的解决方案。

在这方面，由中国科学院微电子研究所的科研人员领衔的项目团队长期立足于果蔬采后处理领域，主导或参与了国内大多数的果蔬智能化品质分级处理相关工程建设。2018 年，针对我国保鲜技术落后、采后生产技术指标体系和规范标准缺乏、相关国产装备研发严重滞后等问题，中国科学院微电子研究所牵头承担了国家重点研发计划“优质果蔬智能化品质分级技术装备研发”项目， 计划研发具有国际一流水准、适合国内产业需求的优质果蔬智能化品质分级处理技术与成套装备，以期达到提升果蔬品质和附加值、降低腐烂率、延长保鲜时间的目的；并由此建立具有大规模推广意义的优质果蔬采后品质分级处理工艺流程的行业规范、技术标准，研制完成相关的自动化成套装备。 项目团队选择产业影响较大、产量较高的柑橘、苹果和番茄作为主要研究对象，以内外部品质高效分级为核心，重点在果蔬内外品质在线无损检测技术、果蔬自动化分级和包装关键装置及成套装备、果蔬节能高效预冷和工业化智能储藏成套装备、鲜切果蔬品质与营养保持工艺及设备、智能化果蔬分级成套技术装备集成及示范等方面开展攻关。目前，项目团队已解决 3 项果蔬内外品质在线检测关键技术，研制完成工业化智能控温控湿设备、绿色高效保鲜设备、多通道精确自动分级装置、自动分级机械系统、果蔬热激保鲜装备样机和三维规格切制装置样机等装备，并在云南玉溪开展了褚橙自动分选应用示范工程建设工作，建成了99亩示范选果厂。

无损检测果蔬的内外部品质

颜色鲜红、没有伤疤和虫蛀的大苹果可以卖得贵一点；个头小、表面坑洼、 颜色不够鲜红的苹果，价格自然就更低一些。要想将这两种价格不同的苹果进行分级，就需要对其内外部品质进行无损检测，并实现在线快速分选，进而有效地提高附加值。

为此，项目团队以不同果蔬的内外部品质特征为研究对象，进行了多项研究工作：研发称重传感器及其外围电路的非线性温度漂移补偿方法和重量传感信号振动干扰的抑制方法， 可以实现高精度在线称重；研究双彩色（RGB）相机分频段立体视觉系统，可以获得不同果蔬表面的最佳多光谱图像，并通过对两台相机获取的图像进行匹配，获得果蔬表面多光谱信息以及视差估计，从而检测色泽、 大小、形状、体积和平滑度等外部品质， 进而结合重量实现密度检测；基于深度卷积神经网络建立表面瑕疵感官鉴评模型，可以智能分辨果蔬的品相。 此外，项目团队还选择合适的谱段，检测红外透射、反射光谱特征，建立不同果蔬含糖量、含酸量、浮皮、褐变、果肉损伤、空心等内部品质的红外光谱模型。通过这一系列研究工作，项目团队最终将建立一套高性能在线果蔬内部、 外部品质检测技术体系，掌握相关关键共性技术。

项目实施两年多以来，项目团队结合果蔬称重过程的动态、持续特征，设计了基于高速DSP处理器的果蔬重量传感硬件系统；构建了称重系统环境温度的实时采集方案，制定了温度漂移曲线，设计了传感器非线性温度漂移补偿方法。为了提升瑕疵检测效果，还基于神经网络技术，设计出脐橙果梗、脐部检测方法，为脐橙瑕疵检测提供了关键数据依据。

通过对果蔬图像采集过程进行研究，项目团队设计了双哑铃型滚子实现果蔬定向旋转，改进并完善了苹果图像采集方案；设计了加工喂料、输送、 旋转、采集、筛选机构，建立了多源信息融合分级架构；采用立体视觉成像结合三维重建技术，以获取苹果的外观品质。此外，项目团队还针对不同果蔬构建了不同部位内部品质的无损检测模型；面向水果外表糖度、 内心糖度、整体糖度，以及水果阳面糖度、阴面糖度和整体糖度，分别构建了光谱检测模型，分析影响内部品质的检测手段和检测因素。

果蔬的自动化分级和包装

研发果蔬自动化分级和包装装备需要考虑果蔬本身是否易受机械损伤、果杯的大小，以及果蔬的清洗、打蜡和杀菌保鲜等问题，同时还要研究规格切制装备，以解决鲜切果蔬的市场需求。项目团队以不同果蔬的分级、清洗、热激保鲜、打蜡、规格切制、包装及配套自动化装备为研究对象，研制单动力双速高压高效果蔬清洗装备、可显著降低果蔬采后腐烂率的智能热激保鲜设备和水循环设备、高通量无接触静电打蜡装置、 基于三维规格切制模式的多功能规格切制装置、适应不同果蔬特点的多通道品质分选系统、柔性果蔬输送单元及卸果装置、全自动入料卸垛装备、全自动果蔬装箱机等装备。最终的目标是研制出性能优良、自动化程度高的分级和包装关键装置及成套装备，掌握相关关键共性技术，突破制约果蔬分级包装产业发展关键环节自动化装备的瓶颈问题，推动优质果蔬分级包装产业优化升级。

目前，项目团队已研制完成果蔬前置输送装置，实现了果蔬在线高速、稳定输送，有效提升了果蔬前处理和多通道分级衔接精准度；对卸果装置（包括设计果杯本体、活动链接件、果杯底座以及三者之间的连接关系）进行了研制， 可实现果蔬 360 °自旋转、无损伤下线等功能；研制了自动分级机械系统，采用电机作为主驱动链传动，设计多通道高性能分选系统组成机械单元，同时研究了各机械单元集成方案。

与此同时，项目团队还完成了水杀菌和热激保鲜样机制作，以不同品种的柑橘为研究对象，在不同温度、pH值、杀菌液浓度的试验条件下，进行水杀菌和热保鲜处理，贮藏于常温开放环境， 记录其在贮藏过程中的生理变化和腐烂情况，结合试验条件及记录数据，确定了水循环杀菌和热处理防腐保鲜最优条件和参数，建立了数据模型。 针对果蔬不同形状多功能规格切制要求，项目团队还提出了三维规格切制模式，研究了切片刀、圆盘刀和横切刀空间分布技术与滚筒、圆盘刀和横切刀转速耦合控制技术，创制了果蔬规格切制机，实现了果蔬切片、丝和块的规格切制。

果蔬的预冷和贮藏

果蔬采后需要及时进行预冷和贮藏，部分果蔬在运输途中必须选择冷链运输才能保证其品质。为此，项目团队根据不同果蔬的特性，研制移动式高效预贮 / 预冷系统，并通过高精度实时传感检测技术，动态监控并调节果蔬所处环境，使果蔬能在品质最佳条件下被贮藏。目前，项目团队已开发完成具有高相变潜热、相变温度可调、无毒无害、成本低廉的复合相变蓄冷材料，研制了参数可调工业化智能控温控湿设备，采用热平衡法对各过程进行分析，构建了果蔬采后预冷品质安全的基础数据库。

未来，项目团队将通过研究不同品种果蔬在不同预冷参数条件下预冷速率、预冷均匀性、预冷品质的差异，建立基于预冷速率、预冷均匀性、预冷品质的多尺度预冷效果评价体系，开展产地低碳节能快速预冷装备和储运一体化设备研制，探索建立产地预冷智能化保鲜新模式，促进现代化冷链物流的发展。

鲜切果蔬的品质与营养保持

果蔬按品质分级后，一般会根据市场需求选择合适等级的果蔬鲜切后进入商品化流通。为了达到控制鲜切果蔬品质和延长保鲜期的目的，需要掌握鲜切果蔬的品质变化规律和营养保持技术。 这方面的重点研究工作包括：分析优质特色果蔬采后代谢及切后品质变化规律；开展加压惰性气体处理、低压静电场处理等新型绿色高效保鲜设备研制及其保鲜关键技术研究；研发天然纳米保鲜剂 / 保鲜膜协同加压惰性气体处理、低压静电场处理协同微真空贮藏等新型协同保鲜关键技术，并揭示不同协同保鲜关键技术调控鲜切果蔬品质与营养保持及其货架期延长的保鲜机理；创制适用于不同优质特色果蔬切后保鲜的协同保鲜关键技术。

目前，项目团队已完成低压静电场保鲜处理设施、加压惰性气体保鲜处理装置的安装与调试，分别探讨了低压静电场处理、加压惰性气体处理的保鲜关键技术及其保鲜机理；研制了新型天然纳米保鲜剂 / 保鲜膜，并探讨了其保鲜工艺及保鲜机理，为提升果蔬的保鲜期提供了保证。

智能化果蔬分级成套技术装备集成及示范

要全面建立高性能的果蔬采后智能化品质分级处理装备体系，重点在于设计合理的系统体系框架，以实现成套设备之间的无缝联动功能。为了提高系统的可靠性、可扩展性和可维护性，项目团队摒弃了集中式的设计方式，转而采用模块化、分布式的设计理念，将整个测控系统分成多个相对独立的子模块，采用分布式嵌入式控制系统、工业以太网总线和控制器局域网（CAN）总线通信技术、集中式软件管理系统等相结合的体系框架，以实现各个功能模块的硬件设计、软件设计，制定即插即用的高层协议，以实现成套设备之间的无缝联动，为行业规范、技术标准的建立奠定了扎实基础。

项目团队针对果蔬分级成套装备系统硬件进行了设计开发。基于高速 CCD 相机、多核DSP 处理板卡设计了图像采集与智能处理硬件模块，实现了图像的实时采集和处理；设计了重量传感采集电路、DSP+FPGA 处理板卡以及重量采集处理与分选硬件模块，实现了对重量传感信号进行采集处理，进而确定果蔬分选等级；构建了由电磁阀控制器、电磁阀驱动板组成的卸果控制与贴标硬件模块，用于在果蔬到达指定登记通道出口时控制电磁阀击打果杯，使果蔬有序滚入包装台。

基于以上研究成果，项目团队在云南实建果业有限公司开展了褚橙自动分选应用示范工程建设工作，完成了示范基地和厂区的前期准备工作，建成99亩示范选果厂，采后处理中心面积达1.6万平方米，储藏冷库可容纳褚橙2万吨。 示范选果厂对原料、辅料、包装材料和成品等进行严格质量把控，以确保分选系统的实施有效性，前景一片光明。

项目团队立足农业应用，广泛吸收其他学科的成熟技术成果，采用理论研究和实验分析相结合、从典型到通用逐渐推进的研究策略，可以显著提升我国在果蔬多源信息融合分级、果蔬预冷 / 储藏、果蔬品质与营养保持等方面的技术研究水平，所取得的诸多研究成果相当于为果蔬产业配备了“火眼金睛”， 可以让各类水果按照不同的级别进行自动分选。

未来，研究团队将继续前行，进一步完善各项成果，最终将建设一条性能优良、自动化程度高、业务流程规范的优质果蔬采后智能化品质分级处理流水线，并通过示范应用基地的建设，形成具有大规模推广意义的优质果蔬采后品质分级处理工艺流程的行业规范、技术标准 , 使这一决定果蔬“命运”的关键一步更为精准高效。届时，无论是樱桃和葡萄，还是西瓜和榴莲，都可以轻松地通过分选、输送和保存等一整套流程进入我们的生活，并更持久地保留美好滋味。 放眼到整个果蔬产业，我国果蔬产业将创造更大的价值，国际市场竞争力将大大增强，我们期待这一天早日到来。