基于微波空间反射法的蔬菜含水率及贮藏时间无损检测_李陈孝.pdf

安全检测 食品科学 2023,Vol.44,No.04 265基于微波空间反射法的蔬菜含水率及贮藏 时间无损检测李陈孝，任 圆，赵晨宇，何 贤，于小庭，徐艳蕾*（吉林农业大学信息技术学院，吉林 长春 130118）摘 要：基于微波空间反射法设计一种雷达行驻波检测装置，实现蔬菜在贮藏过程中含水率变化的快速、无损检测。以室温贮藏的生菜、油麦菜为实验材料，对自由空间微波反射叠加产生的空间行驻波进行讨论，研究驻波比与波腹点坐标随蔬菜含水率及贮藏时间的变化规律。结果表明，模型具有良好的预测精度。生菜、油麦菜含水率预测方程的拟合优度R2分别为0.979和0.959，预测标准误差分别为0.310%和0.641%。生菜、油麦菜贮藏时间预测方程的拟合优度R2分别为0.992和0.951，预测标准误差分别为0.173 d和0.285 d。该研究为蔬菜品质的快速无损检测提供了新方法。关键词：微波技术；蔬菜；新鲜度；含水率；无损检测 Nondestructive Detection of Vegetable Moisture Content and Storage Time Using Microwave Free-Space Reflection MethodLI Chenxiao,REN Yuan,ZHAO Chenyu,HE Xian,YU Xiaoting,XU Yanlei*(College of Information and Technology,Jilin Agricultural University,Changchun 130118,China)Abstract:In this study,a radar traveling-standing wave detection device for the rapid and nondestructive detection of the moisture content and storage time of vegetables was designed based on the microwave free-space reflection method.Spatial traveling-standing waves generated by microwave free-space reflection and superposition were explored and the changes in standing wave ratio and the coordinate of antinode as a function of the moisture content and storage time of vegetables were investigated.The results showed that the proposed models had good prediction accuracy.The goodness of fit(R2)of the moisture content prediction models for lettuce and leaf lettuce were 0.979 and 0.959,and the standard errors of prediction(SEP)were 0.310%and 0.641%,respectively.The R2 values of the storage time prediction models for lettuce and leaf lettuce were 0.992 and 0.951,and the SEP values were 0.173 and 0.285 days,respectively.This study provides a new method for nondestructive testing of vegetable quality.Keywords:microwave technology;vegetable;freshness;moisture content;nondestructive testingDOI:10.7506/spkx1002-6630-20220329-354中图分类号：S24；TS255.7 文献标志码：A 文章编号：1002-6630（2023）04-0265-07引文格式：李陈孝,任圆,赵晨宇,等.基于微波空间反射法的蔬菜含水率及贮藏时间无损检测J.食品科学,2023,44(4):265-271.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220329-354.http:/LI Chenxiao,REN Yuan,ZHAO Chenyu,et al.Nondestructive detection of vegetable moisture content and storage time using microwave free-space reflection methodJ.Food Science,2023,44(4):265-271.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220329-354.http:/收稿日期：2022-03-29基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（31801753）；吉林省教育厅“十三五”科学技术项目（JJKH20200327KJ）第一作者简介：李陈孝（1987）（ORCID:0000-0001-5351-0141），男，讲师，博士，研究方向为农产品微波无损检测。E-mail:*通信作者简介：徐艳蕾（1979）（ORCID:0000-0002-9447-7242），女，教授，博士，研究方向为农业信息化。E-mail:新鲜蔬菜中含有丰富的营养物质，是人们日常饮食中不可或缺的一部分1，以生菜为例，其中富含甘露醇等对人体有益的成分，常食用具有镇痛催眠、促进血液循环等功效2-4。但蔬菜属于易腐农产品，采摘后蔬菜随着266 2023,Vol.44,No.04 食品科学 安全检测贮藏时间延长，受到气体、湿度、温度、微生物以及机械伤害的影响5，内部会发生生理变化。细胞中的叶绿素被分解，叶片逐渐发黄、衰老劣变；叶片进行蒸腾作用失水，致使组织细胞萎蔫，失去新鲜饱满状态和脆嫩的品质6，导致食用价值降低造成经济损失。因此，实现蔬菜新鲜度的准确实时检测，对预防贮运过程蔬菜品质劣变具有重要意义7。目前，蔬菜新鲜度的检测方法可分为2 类。一是通过将某种化学试剂制作成指示标签与蔬菜代谢产物进行化学反应8-9。指示剂法较为适用于对应气体释放量较大的蔬菜种类，对指示剂的灵敏程度要求较高。二是利用不同类型的传感器测定影响蔬菜新鲜度的重要参考指标。包括气体化学传感器10。电子鼻和电子舌已在鱼类、肉类的新鲜度检测中应用，样品处理简单、检测速度快。气体化学传感器测定系统主要包括气敏传感器阵列、信号处理单元、模式识别单元等。由于检测过程中传感器一直处于工作状态，会出现漂移现象。漂移导致数据分析准确性降低，因此影响对蔬菜新鲜度的判断；生物传感器11-12，通过识别和测定糖、氨基酸等含量来检测蔬菜新鲜度，稳定性好、灵敏度高，采用生物活性物质作催化剂，价格昂贵、需专业人员操作；多光谱传感器13-18，通过检测叶片含水率、叶绿素的含量预测蔬菜的新鲜度，检测过程快速、无损。多光谱传感器的系统主要由光学部分和控制显示部分组成。仪器价格昂贵且易受背景噪声影响19，不能满足现场检测。微波是一种高频电磁波，具有传播速度快、穿透性强等特点，可实现与材料介电特性相关参数的实时、无损、在线检测20。水分子具有很强的偶极矩，当对含水物质施加高频外电场时，电能被水强烈吸收，这种相互作用通过复介电常数表示21。在微波频率下，含水物质复介电常数远高于其他干物质22。微波技术已经开始应用于土壤、建筑材料、木材和石油等材料的含水率 检测23-26，在农业领域主要应用于水果、玉米、小麦等颗粒形状粮食材料的含水率检测27-29。目前，基于微波技术的蔬菜含水率检测仍处于起步阶段，基于微波传输衰减的测定方法30需要设置发射和接收2 个微波天线，蔬菜样品需要定量放置于天线之间，限制了具体应用领域。由于蔬菜叶片较薄、表面相对光滑，微波很容易发生反射，空间中发射波与反射波相互叠加后能量会重新分布引起测定误差，采用常规方法难以消除。本实验设计了一种新型的自由空间微波反射测定系统，并非消除空间波的叠加，而是建立一种基于空间行驻波参数的蔬菜含水率及贮藏时间预测方法。以生菜、油麦菜为研究对象，分析蔬菜在室温贮藏过程中，微波自由空间行驻波的驻波比及波腹点坐标的变化，通过多元线性回归分析建立反演方程，实现蔬菜含水率及贮藏时间的准确、实时、无损检测。此方法只需单一的微波测定天线探头，适用于食品贮运、蔬菜商超、智能家电等行业领域的蔬菜品质检测。1 材料与方法1.1 材料以大棚采摘的新鲜生菜、油麦菜作为实验样本，选取形状完整的蔬菜叶片，采摘时间为实验开始当天上午9:0011:00。使用密封袋带回实验室，将蔬菜叶片平整放置在容器盒中，在室温下称量蔬菜叶片的质量并记录样品初始质量。实验期间蔬菜样本在室温下自然存储，每间隔2 h左右进行一次微波测定实验，同时称量并记录样品质量及测定时间。测定实验每天进行56 次，每次实验重复测定3 次，实验共记录6 d。1.2 仪器与设备XQG2000型电热鼓风干燥箱 浙江余姚星辰仪器厂。1.3 方法1.3.1 含水率测定 采用干燥法测定蔬菜含水率，使用电热鼓风干燥箱，将待测蔬菜样品放置于干燥箱中。在105 条件下干燥处理至恒定质量，并测定其干质量。标准含水率按 式（1）计算：mw+mdmwM=100（1）式中：M为含水率/%；mw为样品中水分的质量/g；md为样品中干物质的质量/g。根据蔬菜烘干后的质量以及每次测定实验过程中的蔬菜湿质量，反向计算得到不同时间点样品的实际含水率数值。1.3.2 雷达行驻波测定系统1.3.2.1 装置结构设计雷达行驻波雷达测定系统装置结构如图1所示，该系统主要由微波腔体振荡单元、混频检波单元、收发复用喇叭天线、滑轨及步进电机单元、样品容器和单片机运算处理单元组成。波导腔振荡器混频器滤波器A/D转换MCU显示输出步进电机滑轨喇叭天线样本图 1 行驻波雷达测定系统装置结构图Fig.1 Structure of traveling-standing wave radar measurement system安全检测 食品科学 2023,Vol.44,No.04 267由腔体振荡单元产生微波信号，通过波导腔传输至喇叭天线。微波信号从喇叭天线发射后在空间中与样品相互作用。样品容器放置于喇叭天线的一侧，与微波辐射方向垂直，长宽应足够大以避免微波的绕射。微波与蔬菜样品在空间中相互作用后，反射信号同样由喇叭天线接收。天线安装在直线滑轨上，由步进电机旋转控制喇叭天线在轨道上不同位置进行移动测定。反射波与入射波在波导腔中的肖特基二极管中进行混频，根据混频检波原理31，在入射波频率和功率不变的情况下，混频信号的直流分量大小能够表征空间微波电场强度。在测定系统中，混频信号通过低通滤波器滤波后，进行A/D转换，读取至MCU中进行内部运算处理。324151.收发复用喇叭天线；2.单片机控制器；3.步进电机驱动；4.滑轨；5.样品容器。图 2 行驻波雷达测定系统装置Fig.2 Physical photograph of traveling-standing wave radar measurement system行驻波雷达测定系统装置如图2所示，微波信号由腔体振荡单元内部的耿氏二极管激励产生，频率为10.5 GHz、功率为20 mW。波导腔体被固定并连接到x波段喇叭天线，波导型号为BJ100，内部为标准尺寸22.86 mm10.16 m