以非接觸、無損傷的雷射誘發電漿技術判斷水果成熟度
2021/06/15 @國際
摘要
為幫助農民能在水果處於最佳狀態時即時收割，目前已經開發許多評估水果成熟度的技術，其中機械技術使用最為廣泛，但傳遞機械能測試水果硬度的設備，易損傷軟質果肉。日本芝浦工業大學研究團隊利用雷射誘發電漿產生的脈衝激發，透過判斷在硬質水果產生的0S2振動模式，以及在軟質水果表面區域產生的雷利波之傳播速度，來評估水果的硬度。未來研究團隊將完善此類非接觸且無損耗的硬度評估方法，協助農民將成熟度適當的水果採收，達到減少浪費同時保持終產品的高品質。
示意圖
農民在收穫水果前會根據外在指標(例如大小、顏色、形狀和香氣等)或間接的成熟指標(可溶性固形物含量、酸度和硬度等)評估水果的成熟度，而大多數人可能仍有食用過熟或未熟水果的不佳經驗，為幫助農民能即時收割，以確保水果在出售時處於最佳狀態，目前已經開發許多評估水果成熟度的技術，如生化、光學、機械方法，每種技術都有其優缺點，不同產品有各別適合的方法。其中使用最廣泛的為機械技術，特色是根據水果的硬度間接評估成熟度，原理為藉由錘子、擺錘或揚聲器之類的設備準確傳遞機械能，觀察水果上發生的振動，對硬度進行量化，然而此類方法不利於應用在較軟的水果，因果肉容易被測量裝置損傷。
日本芝浦工業大學(Shibaura Institute of Technology, SIT)的Naoki Hosoya教授與研究人員在《Foods》上發表使用雷射誘發電漿(laser-induced plasma, LIP)來測量軟質水果的硬度之研究，該方法已驗證可用於量化硬質水果的硬度。電漿(plasma)是類似於氣態的物質狀態，大多數粒子都帶有電荷，藉由將高強度的雷射光束聚焦到小體積上，可以在正常空氣中產生此種能態，由於產生的電漿氣泡不穩定，因此會立刻膨脹，以超聲波速度發出衝擊波。研究人員成功利用在接近蘋果表面發出LIP衝擊波來激發一種稱為0S2模式的振動，俗稱「足球振動模態」，類似在球形物體上產生的變形，並驗證0S2的振動模式與水果的硬度相關。
但是，軟質水果不會出現0S2振動模式，因此研究團隊利用LIP產生的脈衝激發，在軟果表面、淺層區域產生雷利波(Rayleigh wave)，藉由分析雷利波的傳播速度，以非接觸且無損耗的方式評估軟果的硬度。研究團隊使用芒果和雷射振動計做測試，證實發現雷利波的傳播速度會隨著水果儲存時間增加、硬度減少而顯著降低。另，根據先前的研究，果肉厚度也會影響傳播速度，然而芒果以及其他軟果都有較大的種子，在水果表面不同位置測量可能使判斷失準，實驗結果表明，沿著芒果「赤道」測量雷利波比沿著「經線」更準確；此外，果肉中的空洞或腐爛對測量結果也有極大影響。
雷利波傳播的速度與芒果的硬度有直接相關，此為間接評估軟果成熟度的可靠方法，未來團隊將持續研究找出測量軟果硬度的最佳區域，完善此類硬度評估方法，使其更加可信和易於使用，提高農民對水果成熟度的掌握度，將合適的水果收成，達到減少浪費同時保持終產品的高品質。 【延伸閱讀】以非接觸性近紅外光譜儀快速且精確地判斷芒果成熟度
資料來源
關鍵字
文章摘譯
