瓜果的成熟度和质地的测定方法及测定装置

1.一种测定瓜果的成熟度和质地的方法，其特征是包括下述步 骤：
给应进行测定的瓜果加上频率依次变化的振动；
测定上述振动及所述瓜果的振动的大小；
测定所述瓜果的重量m；
根据上述施加的振动及上述瓜果的振动的大小，对频率进行解 析，求出瓜果的传递函数特性，并根据上述传递函数特性分别计算 瓜果的2次谐振频率f0以及表示从2次谐振峰值下降3dB的谐振值 的频率f1、f2；
分别运算用(f2-f1)/f0确定的衰减比η和用m2/3·f0 2确定的弹性 值E，其中，m是上述瓜果的重量；
在上述弹性值E比预定的值大的情况下，用上述弹性值E的值， 在上述弹性值E在上述预定值小的情况下，用上述衰减比η的值， 分别决定上述瓜果的成熟度；
用衰减比η的值运算由2π·f0·m·η确定的粘性值c；
由上述粘性值c和上述弹性值E两者来表示瓜果的质地。
2.一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：
给瓜果施加振动的加振单元；
检测并输出上述加振单元的加振力信息的加振信息检测单元；
检测被上述加振单元加振的上述瓜果的被加振信息的被加振信 息检测单元；
测定瓜果的重量并输出重量信息m的重量计；
2次谐振点计算单元，它根据被加振信息检测单元的输出信号和 加振信息检测单元的输出信号进行频率解析、求出上述瓜果的传递 函数特性，并由该传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频率f0以 及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频率f1、f2，由所述 重量信息m和所述2次谐振频率f0计算由m2/3·f0 2确定的弹性值E， 用f1、f2计算由(f2-f1)/f0确定的衰减比η，和用所述衰减比η的值 计算由2π·f0·m·η确定的粘性值c，并输出和显示所述计算出的 弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果。
3.一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是包括：
重量计，用于测定要进行检测的瓜果的重量，并输出重量信息；
载物台，用于载置所述瓜果；
与上述载物台机械性地连接的振动发生器，用于构成给上述瓜 果提供规定的振动的振动源；
信号发生器，用来产生提供给上述瓜果的振动信号；
功率放大器，用来向上述振动发生器输出振动信号；
安装在上述载物台上的加速传感器，具有可以检测提供给上述 瓜果的振动的性能；
激光多普勒振动计，用于非接触地检测上述瓜果的表面的振动， 输出与速度成比例的差拍信号；
解调器，用于把上述激光多普勒振动计的差拍信号输出变换成 振动信号；
高速傅立叶变换器，用来分别将来自上述解调器的信号和来自 振动检测器的信号进行高速傅立叶变换并向微处理器输出；
微处理器，根据上述高速傅立叶变换器的输出计算所述瓜果的2 次谐振频率f0以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频 率f1、f2，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f0计算由m2/3·f0 2 确定的弹性值E，用f1、f2计算由(f2-f1)/f0确定的衰减比η，和用 所述衰减比η的值计算由2π·f0·m·η确定的粘性值c，并输出所 述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果和产生用来 提供给上述瓜果的电信号；
显示装置，用来显示从上述微处理器输出的测定结果数据。
4.如权利要求3所述的瓜果的成熟度和质地测定装置，其特征 在于：
所述微处理器还具有在所述弹性值E大于所述预定值时使用该 弹性值E的值、在所述弹性值E小于所述预定值时使用所述衰减值 η分别决定所述瓜果的成熟度的功能，以及将关于该成熟度的决定 结果输出到所述显示装置的功能。
5.如权利要求3所述的瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特 征在于：
所述微处理器还具有使用所述粘性值c和所述弹性值E两者表 示瓜果的质地的功能。

技术领域\n本发明涉及非破坏性地测定猴桃、苹果、甜瓜等的瓜果和西红 柿等的蔬菜的瓜果成熟度和硬度、嚼劲或黏度等的力学特性(以下 叫做质地)的测定方法和测定装置。\n特别是涉及从瓜果的弹性值和衰减比、黏度值和弹性值的关系 求成熟度和质地的技术。\n技术背景\n由于瓜果的成熟度与果肉有着很强的关系，故通过测定果肉的 硬度来判定成熟度。作为测定该果肉的装置，人们广为使用 Magness-Taylor式瓜果硬度计。但是，由于上述瓜果硬度计用在规 定的条件下向瓜果内贯入插棒(plunger)、测量其应力的办法来测 定瓜果的硬度，故存在着样品被破坏的缺点。为了非破坏性地测定 成熟度，人们一直在尝试测定瓜果的颜色的变化的方法或测定瓜果 的表面的硬度的方法，但是如果用测定瓜果的颜色的变化的方法， 则对于象猕猴桃和洋梨那样的随着成熟颜色并不变化的瓜果不能应 用。此外，由于表面的硬度并不代表内部的硬度，故存在着这样的 问题：测定值与实际的成熟度之间存在着大的差距。\n此外，用近红外线分光等的技术测定瓜果内部的糖度的技术已 经实用化，开始用于甜瓜和桃等的瓜果的成熟度选果，但是，虽然 从未成熟的瓜果到最佳成熟的瓜果糖度会增加，由于最佳成熟的瓜 果或哪怕是腐烂的瓜果糖度也高，故存在着仅仅进行糖度的判断还 不能区别最佳成熟瓜果和腐烂瓜果的问题。\n质地与味道一起是瓜果品质的重要的要素。在美国，进行由熟 练的判定员实施的感官组评定(panel test)，以进行苹果的质地的 判定。但是，存在着因判定员的经验或嗜好而难于得到客观性的结 果的问题。\n人们知道，在植物生理学中，瓜果的硬度、嚼劲或黏度等的力 学特性，即质地与瓜果的粘性值和弹性值有关系。\n瓜果的软化被认为是细胞壁的黏弹性特性的变化。在细胞壁中， 被称之为基质凝胶的高分子多糖类被包围在结晶性的纤维素束内， 采用边相互卷绕边结合纤维素束的办法保持力学性构造。瓜果的软 化，是由于该基质凝胶低分子化，纤维素束彼此间的结合分离而引 起的。构成该基质凝胶的多糖类由许多的物质构成，但低分子化的 物质则因瓜果的种类而异。结果是，已成熟时的基质凝胶的状态因 瓜果的种类而异，象苹果等所表现出的果肉的刷啦刷啦的口感和猕 猴桃等的浆果所表现出的粘糊糊的口感是由于两者的基质凝胶的状 态不同的缘故。因为基质凝胶的状态表示瓜果的黏度，故粘性值被 认为表示果肉的粘性和果汁等的口感。此外，弹性值表示细胞壁的 弹性力，被认为表示果肉的硬度。\n利用质地可以用力学性的黏弹性特性表示的特点，作为客观地 测定质地的装置，B.Drake(J.Food.Sci.p182-188，1962)设计了包括 瓜果在内的食品的粘性测定装置。\n这是一种从要测定的瓜果或食品上切下长方形的切片，用给该 切片加上振动得到的固有谐振的谐振频率f0和谐振的半值宽度Δf计 算衰减比η(η＝Δf/f0)并把该衰减比η当作粘性值的测定装置。\n但是，该测定装置存在着为了进行测定必须用样品制作矩形切 片，因而不能进行非破坏测定的问题。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种克服现有技术中存在的问题的测定瓜 果的成熟度和质地的方法和装置。\n本发明的瓜果的成熟度和质地测定方法的特征是具有下述步 骤：给应进行测定的瓜果加上频率依次变化的振动；测定上述振动 及所述瓜果的振动的大小；测定所述瓜果的重量m；根据上述施加 的振动及上述瓜果的振动的大小，对频率进行解析，求出瓜果的传 递函数特性，并根据上述传递函数特性分别计算瓜果的2次谐振频 率f0以及表示从2次谐振峰值下降3dB的谐振值的频率f1、f2；分 别运算用(f2-f1)/f0确定的衰减比η和用m2/3.f0 2确定的弹性值E， 其中，m是上述瓜果的重量；在上述弹性值E比预定的值大的情况 下，用上述弹性值E的值，在上述弹性值E在上述预定值小的情况 下，用上述衰减比η的值，分别决定上述瓜果的成熟度；用衰减比η 的值运算由2π·f0·m·η确定的粘性值c；由上述粘性值c和上述弹性 值E两者来表示瓜果的质地。\n本发明提供了一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征是 包括：给瓜果施加振动的加振单元；检测并输出上述加振单元的加 振力信息的加振信息检测单元；检测被上述加振单元加振的上述瓜 果的被加振信息的被加振信息检测单元；测定瓜果的重量并输出重 量信息m的重量计；2次谐振点计算单元，它根据被加振信息检测 单元的输出信号和加振信息检测单元的输出信号进行频率解析、求 出上述瓜果的传递函数特性，并由该传递函数特性分别计算瓜果的2 次谐振频率f0以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振值的频 率f1、f2，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f0计算由m2/3·f0 2 确定的弹性值E，用f1、f2计算由(f2-f1)/f0确定的衰减比η，和用 所述衰减比η的值计算由2π·f0·m·η确定的粘性值c，并输出和 显示所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果。\n本发明还提供了一种瓜果的成熟度和质地的测定装置，其特征 是包括：重量计，用于测定要进行检测的瓜果的重量，并输出重量 信息；载物台，用于载置所述瓜果；与上述载物台机械性地连接的 振动发生器，用于构成给上述瓜果提供规定的振动的振动源；信号 发生器，用来产生提供给上述瓜果的振动信号；功率放大器，用来 向上述振动发生器输出振动信号；安装在上述载物台上的加速传感 器，具有可以检测提供给上述瓜果的振动的性能；激光多普勒振动 计，用于非接触地检测上述瓜果的表面的振动，输出与速度成比例 的差拍信号；解调器，用于把上述激光多普勒振动计的差拍信号输 出变换成振动信号；高速傅立叶变换器，用来分别将来自上述解调 器的信号和来自振动检测器的信号进行高速傅立叶变换并向微处理 器输出；微处理器，根据上述高速傅立叶变换器的输出计算所述瓜 果的2次谐振频率f0以及表示从其2次谐振的峰值下降3dB的谐振 值的频率f1、f2，由所述重量信息m和所述2次谐振频率f0计算由 m2/3·f0 2确定的弹性值E，用f1、f2计算由(f2-f1)/f0确定的衰减比 η，和用所述衰减比η的值计算由2π·f0·m·η确定的粘性值c，并 输出所述计算出的弹性值E、衰减比η和粘性值c的运算结果和产 生用来提供给上述瓜果的电信号；显示装置，用来显示从上述微处 理器输出的测定结果数据。\n本发明是一种根据瓜果的重量和提供了振动的瓜果的2次谐振 峰计算弹性值E、衰减比η、粘性值c，并用该3个特性值求瓜果的 成熟度、质地，可以非破坏且高速而正确地判定食用时间的装置， 是一种得以不失时机地把西红柿、猕猴桃、苹果、甜瓜等的瓜果发 往市场的装置。\n附图说明\n图1的特性图示出了基于成熟跟踪的猕猴桃的成熟度和2次谐 振峰的关系。\n图2示出了用来由2次谐振峰求衰减比的传递函数特性。\n图3示出了各种成熟度的猕猴桃的衰减比与弹性值的关系。\n图4的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例1的成熟 度·质地测定装置。\n图5的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例2的成熟 度·质地测定装置。\n图7的流程图示出了使用本发明的测定方法的成熟度·质地测定 装置中的微处理器所进行的成熟度判定步骤的一个例子。\n图7是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的猕猴桃的粘性值和弹性值的日变化的说明图。\n图8是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的苹果的粘性值和弹性值的日变化的说明图。\n图9是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的各种瓜果的粘性值和弹性值之间的关系的说明图。\n具体实施方式\n以下，用图1到图4对本发明的实施例1进行说明。\n图1，作为例子示出了猕猴桃逐渐成熟起来时的2次谐振峰的变 化情况。\n在图1中，2次谐振峰的频率(以下，叫做2次谐振频率)随着 瓜果从未熟到过熟的逐渐成熟而向低频一侧移动过去。\n图2是用来由2次谐振峰计算衰减比的说明图。\n在图2中，假定从2次谐振频率f0的增益下降3dB的频率为f1、 f2(f2＞f1)，假定瓜果的重量为m，则衰减比η可以用下式求解：\nη＝(f2-f1)/f0\n根据Cooke提出的理论，弹性值E可用下式求解：\nE＝m2/3·f0 2\n粘性值c可以用下式求解：\nc＝2π·f0·m·η\n图3示出了各种成熟度的猕猴桃的衰减比η与弹性值E的关系。\n若弹性值E在A(例如10×106dyne/cm2)的值以上，则随着弹 性系数的增加，猕猴桃的成熟度将象最佳成熟、刚有一点熟、未熟 这样连续地变化。另一方面若弹性值E在A的点上，则存在有最佳 成熟、过熟、腐烂的猕猴桃，用弹性值不能区别。可是，若用衰减 比η进行区分，则可知将会随着η的增加，变成为最佳成熟、过熟、 腐烂。因此，以弹性值E变成为A这一点为界，如果在成熟度的判 定中使用弹性值或衰减比，则可以区别从未熟到腐烂为止范围宽广 的成熟度的瓜果。A的值，虽然例如在猕猴桃的情况下，是10×106 dyne/cm2，但是，由于因各个瓜果的种类和品种而异，故需要预先 测定多种并决定好。此外，用于区分成熟度的衰减比η和弹性值E 的值也因瓜果的种类和品种而异，故也需要预先决定好。\n图4的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例1的成熟 度·质地测定装置。\n在图4中，1是用来非接触地检测瓜果的表面的振动即被加振信 息，把被加振信息变换成电信号输出的被加振信息检测单元。2是成 为测定对象的瓜果。3是用来测定要进行测定的瓜果2的重量，并把 该值变成为电信号输出的重量计。4是用来给瓜果2加上规定的振动 的加振单元。5是用来检测给瓜果2提供振动的加振力信息的加振信 息检测单元。6是具有根据被加振单元的输出信号和加振单元的输出 信号进行频率解析，求上述瓜果的传递函数特性，并由该传递函数 特性分别计算瓜果的2次谐振频率f0以及表示从2次谐振峰值下降 3dB的谐振值的频率f1、f2的功能，和由重量信息和f0、f1、f2运算 衰减比η、弹性值E、粘性值c，并输出显示运算结果的功能的2次 谐振点计算单元。\n说明以上那样地构成的成熟度·质地测定装置的测定步骤。\n把瓜果装到重量计上，把瓜果2的重量m输入2次谐振点计算 单元6。然后，用加振单元4以适当的频率间隔依次加上从第1频率 (例如20Hz)到第2频率(例如3KHz)。加振单元4被2次谐振 点计算单元6驱动。用加振信息检测单元5检测加到瓜果2上的加 振信息，输入2次谐振点计算单元6。\n另一方面，用被加振信息检测单元1检测被加振的瓜果2的振 动，把被加振信息输入2次谐振点计算单元6。2次谐振点计算单元 6根据从第1频率到第2频率以适当的频率间隔依次加振得到的加振 信息和被加振信息计算频率响应函数。用该一连串的步骤，2次谐振 点计算单元6完成图2那样的传递函数特性。此外，2次谐振点计算 单元6计算根据由该传递函数特性求得的f0、f1、f2和重量计2的输 出信号计算衰减比η、弹性值E、粘性值c，并输出显示运算结果。\n图5的框图示出了使用本发明的测定方法的实施例2的成熟 度·质地测定装置。\n对于与实施例1共通的部分仅赋予同一标号，为避免重复而省 略其说明。\n实施例2，为了实现2次谐振点计算单元的运算功能采用微处理 器来构成测定装置。\n在图5中，11是激光多普勒振动计，用于非接触地检测瓜果的 表面的振动，输出与速度成比例的差拍信号。12是解调器，用于把 激光多普勒振动计的差拍信号输出变换成振动信号。2是成为测定对 象的瓜果。3是重量计。41是振动发生器，用来与载置瓜果2的载 物台44机械性地接触，并成为用来给瓜果2提供规定的振动的振动 源。42是功率放大器，用来向振动发生器41输出振动信号。43是 信号发生器，用来产生提供给瓜果2的振动信号。44是载物台，用 来载置要进行测定的瓜果2。51是加速传感器，安装在载物台44上， 具有可以检测提供给瓜果2的振动的性能。61是高速傅立叶变换装 置(以下缩写为FFT)，用来分别使来自解调器12的信号和来自振 动检测器51的信号进行FFT变换并向微处理器输出。62微处理器， 具有根据重量计3的输出和FFT的输出计算衰减比η、弹性值E、 粘性值c，并输出计算结果的功能，和产生用来提供给予瓜果2的电 信号的功能。63是显示装置，用来显示从微处理器62输出的测定结 果数据。\n说明上述那样地构成的成熟度·质地测定装置的测定步骤。\n将瓜果2载置到重量计3并将瓜果2的重量m输入微处理器62。 此后，将瓜果2载置到载物台44上，微处理器62对信号发生器进 行指示，使其在第1频率(例如20Hz)产生正弦波。信号发生器43 的振荡输出经过功率放大器42被送到振动发生器41，使载物台44 上的瓜果发生振动。此时，由振动检测器5检测出载物台的振动， 经过FFT 61输入微处理器62。同时，由激光多谱勒振动计11检测 出瓜果2的表面振动，经过解调器12输入FFT61。\nFFT61的输出输入到微处理器62。微处理器62以来自FFT61 的输入为基础计算频率响应函数。然后微处理器62对于信号发生器 63发出从第1频率到比较高的第2频率(例如3KHz)为止输出具 有适当的频率间隔的正弦波的指令，且每次都根据来自FFT61的输 入信号计算频率响应函数。借助于一连串的步骤，微处理器62完成 图2那样的传递函数特性。\n另外，在本例中，加振信号虽然使用的是正弦波，但是即便是 使用含有第1频率和第2频率的频带的随机波、扫频正弦波也可以 得到同样的效果。\n其次，微处理器62以该传递函数为基础计算成熟度、质地。首 先，边参照图6边对微处理器62判定瓜果的成熟度的处理进行说明。\n图6示出了微处理器62判定瓜果的成熟度的处理的概略流程图 的一个例子(猕猴桃的情况)。\n微处理器62在上述运算出来的频率响应函数中，求2次谐振频 率f0，并用f0和瓜果的重量m，根据公式E＝m2/3·f0 2计算弹性值E。 同时，用2次谐振峰求从2次谐振频率f0的增益下降了3dB时的频 率，定为f1、f2(f2＞f1)，并根据公式η＝(f2-f1)/f0计算衰减比 η。在弹性值E比10×106dyne/cm2还大时，如果弹性值E处于10～ 20×106dyne/cm2的范围内，则判定为成熟度3(最佳成熟)，如果弹 性值E处于20～30×106dyne/cm2的范围内，则判定为成熟度2(刚 有点熟)，如果弹性值E超过了30×106dyne/cm2，则判定为成熟度 1(未熟)。此外，在弹性值E低于10×106dyne/cm2时，如果衰减比 η不足0.25则判定为成熟度3(最佳成熟)，如果衰减比η处于0.25～ 0.4的范围内则判定为成熟度4(过熟)，如果衰减比η超过了0.4 则判定为成熟度5(腐烂)。这样地求得的瓜果的成熟度显示于显示 装置上。\n此外，关于表示瓜果的质地的粘性值、弹性值的微处理器的运 算处理，与上述的弹性值、衰减比的运算处理一样，可以用前边说 过的计算公式和图2的传递函数特性求解。\n在图7、图8中，示出了用本发明测定的瓜果的粘性值和弹性值。\n图7是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的猕猴桃的粘性值和弹性值的日变化的说明图。\n横轴表示时间(天数)，纵轴分别表示粘性值和弹性值。用图 中的箭头A表示的数据表示粘性值，用箭头B表示的数据是弹性值。 根据图7，猕猴桃随着天数的增加，粘性值和弹性值日渐减少。猕猴 桃随着时间的流逝果肉变软，果汁增加，在13天以后腐烂，变成为 稀溜溜的状态。弹性值的减少表明果肉变软，粘性值的减少表明果 汁增加(粘性降低)。\n图8是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的苹果的粘性值和弹性值的日变化的说明图。\n横轴表示时间(天数)，纵轴分别表示粘性值和弹性值。用图 中的箭头A表示的数据表示粘性值，用箭头B表示的数据是弹性值。 所测定的粘性值随着天数的流逝而增加，而弹性值则减少。在苹果 的情况下，与猕猴桃不同，保存时间越长，果肉虽然会变软，但果 汁减少，变成为干燥的状态。弹性值的减少虽然与图7的猕猴桃是 一样的，但是，由于果汁减少，已经干燥，故粘性值却不断增加。\n图9是说明用本发明的测定方法的实施例2中的成熟度·质地测 定装置测定的各种瓜果的粘性值和弹性值之间的关系的说明图。\n所测定的瓜果，是未熟的猕猴桃、已熟的猕猴桃、梨、苹果和 桃。未熟的猕猴桃与已熟的猕猴桃相比弹性值、粘性值都高。这表 明果肉硬果汁少。猕猴桃表现出随着弹性值的降低粘性值也降低的 倾向。苹果则表现出随着弹性值的下降粘性值反而上升的倾向，显 示出随着果肉软化果汁减少的倾向。梨与猕猴桃一样，随着弹性值 的降低粘性值也降低，表明果肉的软化与果汁的增加同时发生。而 桃，与弹性值相比粘性值高，与具有同等程度的弹性值的梨差别很 大。这表明与梨比桃的果汁有粘性。由以上的结果可知，通过测定 粘性值就可以判定瓜果的口感，通过与弹性值进行组合就可以表示 更为正确的瓜果的质地。\n此外，由于随着瓜果的成熟质地将发生变化，故可以利用这一 点来判定瓜果的成熟度。由图9可知，未熟的猕猴桃和已熟的猕猴 桃可以以弹性值约22×106dyne/cm2、粘性值约140×103g·sec/cm为界 进行区分。采用象这样地预先测定成熟度已知的瓜果的粘性值和弹 性值，并与该值进行比较的办法就可以测定瓜果的成熟度。\n如上所述，倘采用本发明，根据加上振动的瓜果的传递函数特 性、第2次谐振峰和重量计算果肉的弹性系数、粘性系数、粘性值 和弹性值，就可以提供能够高速且正确地测定各种瓜果的成熟度、 质地而不破坏瓜果的成熟度、质地测定装置。\n工业上利用的可能性\n使用本发明的测定装置，由于可以使瓜果的成熟度或质地定量 化而无须凭借由人进行的官能试验、无须破坏瓜果，故可以快速且 正确地判断品种改良后的瓜果的质地，对于缩短品种改良的时间是 有用的。