科學(xué)家們開發(fā)了一種不破壞水果就能測(cè)量其成熟程度的便捷技術(shù)。

來源 日本芝浦工業(yè)大學(xué)

水果不論是熟過頭還是沒熟透的，吃起來的味道都會(huì)讓人“記憶猶新”。為了讓你不再經(jīng)歷這種痛苦，農(nóng)業(yè)工作者們正在努力尋找最恰當(dāng)?shù)氖斋@時(shí)間，讓水果在銷售的時(shí)達(dá)到最佳的成熟度。這不僅可以減少浪費(fèi)，也可以讓你買到品質(zhì)最佳的水果。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們發(fā)明了各式各樣的方法，但各有利弊。

雖然生物化學(xué)和視覺識(shí)別的方法都可以用來判斷水果是否成熟，但利用機(jī)械技術(shù)測(cè)量才是最常用的方法。后者主要通過測(cè)量水果的緊實(shí)程度來間接確定水果的成熟度，這通常需要測(cè)定水果在被錘擺等器具擊中時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)。然而，這樣直接接觸的方法通常會(huì)對(duì)質(zhì)地較軟的水果造成損壞，因此使用范圍有限。比如，你可以通過感受拍西瓜時(shí)的震動(dòng)來判斷生熟，但是在挑草莓的時(shí)候這種方法顯然行不通。

最近，來自日本芝浦工業(yè)大學(xué)（Shibaura Institute of Technology）的團(tuán)隊(duì)基于此前利用激光誘導(dǎo)等離子體（laser-induced plasma, LIP）測(cè)量硬水果的研究，發(fā)明出了質(zhì)地更軟水果的緊實(shí)度測(cè)量方法，相關(guān)研究發(fā)表在 MDPI 旗下的開放獲取期刊《食物》（Foods）上。

等等，激光誘導(dǎo)等離子體到底是什么東西？怎么還能用來測(cè)量水果是否成熟？等離子態(tài)是一種類似于氣態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)。處于等離子態(tài)的物質(zhì)微粒通常帶有電荷。這種充滿能量的物質(zhì)狀態(tài)可以通過用高強(qiáng)度的激光束照射小體積空氣產(chǎn)生。因?yàn)檫@種方法產(chǎn)生的“等離子泡泡”很不穩(wěn)定，所以這些“泡泡”會(huì)很快“破裂”形成超聲速傳播的沖擊波。芝浦工業(yè)大學(xué)的 Naoki Hosoya 教授及其同事曾成功在距離蘋果表面很近的位置生成了激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波。沖擊波接觸蘋果后被激發(fā)出了被稱為S2模式的震動(dòng)。由于這種模式的震動(dòng)造成的形變和足球被踢飛時(shí)一樣，因此又被稱為“足球模式震動(dòng)”。隨后，他們確認(rèn)了S2這一震動(dòng)模式與水果的緊實(shí)度相關(guān)。

然而，質(zhì)地較軟的水果并不會(huì)表現(xiàn)出S2模式震動(dòng)，所以研究團(tuán)隊(duì)只能用另一種被稱作瑞利波（Rayleigh wave）的震動(dòng)來分析。這種行波通常只在物體的表面行進(jìn)，并不會(huì)深入物體內(nèi)部。在一個(gè)激光誘導(dǎo)等離子體的發(fā)射裝置、一臺(tái)市面上常見的激光測(cè)震儀還有幾個(gè)肯特芒的幫助下，科學(xué)家們確定了瑞利波的傳播速度與芒果的緊實(shí)度是直接相關(guān)的。隨著芒果儲(chǔ)存時(shí)間的增加，波的傳播速度會(huì)顯著下降。這說明他們找到了一種間接測(cè)量芒果成熟度的可靠方法。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步測(cè)試了在芒果表面的哪個(gè)位置測(cè)量瑞利波是最合適的。因?yàn)槊⒐幸粋€(gè)很大的核，這可能會(huì)對(duì)瑞利波的傳播和測(cè)量造成影響。Hosoya 表示：“通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，沿著芒果‘赤道’部分測(cè)量會(huì)比沿著‘本初子午線’測(cè)量的效果要更好?！彼麄冞€發(fā)現(xiàn)水果內(nèi)的空腔或者水果的腐敗會(huì)顯著影響測(cè)量結(jié)果。因此他們會(huì)繼續(xù)尋找芒果上最適合測(cè)量的區(qū)域。

激光脈沖通過透鏡聚焦在一個(gè)接近芒果表面的地方。激光誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的沖擊波在芒果表面激發(fā)出了瑞利波。激光多普勒測(cè)震儀將會(huì)測(cè)量這一波動(dòng)。圖片來源:SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

簡(jiǎn)而言之，芝浦工業(yè)大學(xué)的團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一套從外部測(cè)量軟質(zhì)地水果成熟度的創(chuàng)新性方案。Hosoya 強(qiáng)調(diào)：“我們的檢測(cè)體系可以通過非接觸、非破壞性的手段測(cè)量芒果以及其它不引發(fā)0S2模式震動(dòng)的水果?！睘榱嗽谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得實(shí)際應(yīng)用，這種測(cè)量方法的可行性和可靠程度還需要提升。如果運(yùn)氣好的話，這項(xiàng)技術(shù)的廣泛使用能讓你再也不用擔(dān)心買到生水果了。

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-03/siot-tti030121.php

論文信息

【標(biāo)題】Soft Mango Firmness Assessment based on Rayleigh Waves Generated by a Laser-Induced Plasma Shock Wave Technique

【作者】Nayuta Arai, Masafumi Miyake, Kengo Yamamoto, Itsuro Kajiwara, Naoki Hosoya

【期刊】Foods

【日期】2021年2月3日

【摘要】Many methods based on acoustic vibration characteristics have been studied to indirectly assess fruit ripeness via fruit firmness. Among these, the frequency of the 0S2 vibration mode measured on the equator has been examined, but soft-flesh fruit do not show the 0S2 vibration mode. In this study, a Rayleigh wave is generated on a soft mango fruit using the impulse excitation force generated by a laser-induced plasma shock wave technique. Then, the flesh firmness of mangoes is assessed in a non-contact and non-destructive manner by observing the Rayleigh wave propagation velocity because it is correlated with the firmness (shear elasticity), density, and Poisson’s ratio of an object. If the changes in the density and Poisson’s ratio are small enough to be ignored during storage, then the Rayleigh wave propagation velocity is strongly correlated to fruit firmness. Here, we measure the Rayleigh wave propagation velocity and investigate the effect of storage time. Specifically, we investigate the changes in firmness caused by ripening. The Rayleigh wave propagation velocity on the equator of Kent mangoes tended to decrease by over 4% in 96 h. The Rayleigh wave measured on two different lines propagated independent distance and showed a different change rate of propagation velocity during 96-h storage. Furthermore, we consider the reliability of our method by investigating the interaction of a mango seed on the Rayleigh wave propagation velocity.

【鏈接】https://www.mdpi.com/2304-8158/10/2/323