非破壞性檢測技術 輕鬆掌握水果成熟度和品質

文/蔡世鼎 財團法人農業科技研究院產業發展中心產業分析組研究專員 楊承運 財團法人農業科技研究院產業發展中心產業分析組助理研究員 林恒生 財團法人農業科技研究院產業發展中心產業分析組副主任

為了協助生產者以非破壞性方式準確分級,現在已開發出利用聲波、超音波、近紅外光線、植物葉綠素螢光、核磁共振等原理進行測量,再搭配傳統檢測方式,建立相對應糖度、酸度、硬度、成熟度等品質指標的模型,來做為後續非破壞性檢測的依據。

購買水果時 品質是消費者最在乎的事

試著回想一個情境,當你走進一家水果行,各式各樣的水果井然有序地堆置在架上,這時你可能會根據對水果的偏好、個人或家庭的需求、價格的高低,以及是否有促銷活動等來決定要走到哪種水果面前,接著你會從同種類的水果堆當中,根據外觀、質地及重量挑選你覺得品質、風味最佳的那幾顆,並再三向店員確認是否好吃後才會心甘情願地付錢。

這種情境是多數消費者都遭遇過的經歷,也反映出品質是消費者選購水果時最在乎的事。雖然一般能藉由水果外觀條件的判斷而挑選,但關於風味或果肉有無變質卻難以得知。同樣對於銷售通路來說,水果品質的穩定度也將影響收益,但對於品質的管控,也僅能透過篩選上游供應商和進出貨的管理,無法百分之百確保商品品質無虞。此外,消費者為了應對水果品質的不確定性,經常重複拿取每顆水果,更習慣按壓、輕敲看看,這些行為都會造成商品損耗;對於國內鮮果推行通路轉型、線上消費等亦為一大難處,而通路也將相關管理成本轉嫁給生產端,對臺灣農業發展造成整體性的負面影響。因此,如何能夠準確有效率地將水果品質分級,是臺灣農業的重要課題。

木瓜成熟期間乙烯生成量與蔗糖轉化酶活性變化。(圖片來源/Fabi et al., 2019)

傳統品質判定效果有限 還會額外損耗果實

由於果實的生長受到許多因素的影響,就算是來自同一棵樹的果實,在大小、成熟度及品質上也很難完全相同,因此在水果供應鏈上通常會進行多次的選別和分級,將品質、大小相近的果品進行分群,剔除不具商品價值的果實。除了可以幫助生產者將各等級的產品交給合適的通路,並藉此提高獲利之外,同時也能降低通路業者的管理成本及對顧客的溝通成本。

此外,依據市場需求與運輸、儲藏條件採收熟度適當的果實,對於生產者而言相當重要。成熟度較低果實有較高硬度與較低呼吸作用速率,較能忍受運輸過程中的碰撞和擁有較長的儲藏壽命。然而如木瓜與酪梨等更年型水果,因其需要經過後熟作用,採收時必須要選擇一定成熟度的果實,才能自然釋放乙烯催熟自身,否則會變成無商品價值的啞巴果。

初次的品質判定發生在果實採摘階段,農民會判斷果實成熟度和檢查外觀是否有病蟲害,並將不具商品價值的果實處理掉,以減少後續處理成本。採收後的果實會在集貨場再次分級,採用的品質判斷方式有兩種:破壞性檢測與非破壞性檢測。目前多數集貨場是由分級人員針對果實的形狀、顏色及有無病斑或傷口等肉眼可見的外觀指標進行選別,並利用重量分級機將果實區分成不同規格,以上均屬於最基礎的非破壞性品質檢測方法。為了測量糖度,會從同批採收的果實進行取樣,並將果實破壞後取其果汁,以屈折度計(Brix meter)或數位式折射計測量,測到的數值即代表整批果實的糖度。然而在抽樣數不多的情況下,檢測結果難以代表整堆果實的品質,也無法了解果實內部是否受損,因此在破壞性檢測後,仍有相當大的機會存在品質不一的問題,一旦販售等級與實際品質差異過大,不符合消費者的預期品質時,除了再次回頭購買的意願降低,也影響商家與顧客的信任關係。

農民會判斷果實成熟度和檢查外觀是否有病蟲害,並處理掉不具商品價值的果實。(攝影/林韋言)

非破壞性檢測方法與原理

為了協助生產者以非破壞性方式準確分級,現在已開發出利用聲波、超音波、近紅外光線、植物葉綠素螢光、核磁共振等原理進行測量,再搭配傳統檢測方式,建立相對應糖度、酸度、硬度、成熟度等品質指標的模型,來做為後續非破壞性檢測的依據。

一、聲波、超音波檢測

聲波檢測原理是利用物體振動產生的震動訊號,並從訊號中找出代表農產品品質的特徵而分類。聲波在前進的時候,介質分子會因疏密的分布產生不同訊號,故稱為疏密波。聲波及超音波皆可用以檢測農產品的性質,如傳統上拍打西瓜,以清脆聲來判斷果實密度較高口感品質佳,而超音波在裂縫表面有不同的散射及相異的傳播速度來檢測內部有無空洞。

二、近紅外光檢測

光波照射物體時,會依物體分子與原子間不同能階而產生反射、吸收或部分通過物體的特性,所形成能量差異與波型亦不相同,形成獨特的光譜。因此,將大量實驗所得的光譜數據蒐集彙整並建立模型後,即可藉此判斷受測物體的結構及成分。

三、葉綠素螢光檢測

當光合作用進行時,先由植物葉綠體中的PSII(photosystem II)天線系統接受光線,將光能傳至反應中心(reaction center),使水裂解,產生氧及電子。電子再由電子傳遞鏈傳至PSI(photosystem I)。在此過程中,天線所吸收的光能可經由三個路徑釋放:一、使用於光化學反應;二、以熱的形式消散;三、釋放螢光。葉片所吸收的光源80~90%用於光化學反應,5~15%作熱消散,0.2~2%則以螢光釋放出。當植物組織老化或受到逆境傷害時,因為光合成系統中斷,間接影響了螢光的產量,因此可利用葉綠素螢光分析儀檢測植物生理的成熟度變化或於逆境下的關係,作為採收輔助判斷指標。

葉綠素a的吸收光譜。植物所釋放的螢光波長大約在660~800nm之間。

四、核磁共振

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)檢測原理為利用射頻無線電波(radio frequency, RF)作為刺激,以觀察特定種類的原子核在強大的靜磁場下,受到擾動後於恢復平衡過程中,所發出來的磁矩變化信號。利用法拉第定律將磁矩變化信號轉換為電信號,再將收集到的總合信號,藉由電腦的二維傅立葉轉換運算,求得物體中的原子核密度的影像。此技術可顯示軟組織任意截面的結構,深入了解農產品內部真實病害情形,但因此技術所需成本較高,目前多應用於醫學領域。

上述非破壞性檢測技術皆能夠在不破壞果實的情況下,進行果實內部品質的檢測,然而每種水果的組織構成與特性皆不同,同種水果的不同品種間也存在相異的性狀,因此為了建立可靠的非破壞性檢測模型,上述方式皆須對各類品種進行大量試驗以獲得基礎數據,建立符合的品質特性資料庫。

市面上可見的 非破壞性檢測儀器

眾多的果實內部品質檢測方法中,以近紅外分光分析法最為普遍;蘋果產業則普遍使用葉綠素螢光測定。以這兩種技術開發出的品質檢測商用儀器,目前已廣泛應用在國外的作物供應鏈當中。舉例如下:

一、DA meter

Del ta absorbance meter®(簡稱DA meter)是一款由義大利的波隆那大學(Alma mater studiorum – Università di Bologna)所開發的可攜式非破壞性採收指標工具,其原理為偵測果實表皮在670nm(接近葉綠素a的吸收高峰光譜)與720nm(背景光譜)兩種波長的吸光度差別(IAD值),進而推算果皮表面現存葉綠素濃度。當IAD值降低為0時就代表果實已完全成熟。因此,如果利用此工具建立單一品種於當地逐年的採收資料庫,則此IAD值理論上可以建構多項式迴歸模型來進行採收預測。

依此項原理所開發的工具可應用範圍相當廣,生產者除了可以作為整枝修剪的依據,也可作為最合適採收時期的成熟度依據,以獲得同質度高的產品;儲藏業者也可以用來了解儲藏商品的成熟度變化;包裝廠和集貨場則可分配成熟度低的果實到遠程市場,成熟度較高的果實留在本地市場。而零售業者能挑選到熟度適切的果實做銷售。

二、Felix Produce Quality Meter

Felix Produce Quality Meter是一款由澳洲的中央昆士蘭大學(Central Queensland University)所開發的可攜式非破壞性採收指標工具,其原理為偵測果實對近紅外光的反射與吸收光譜,針對不同品項果實與品種的光譜特性,建立個別品質預測模型的光譜模型資料庫,判斷果實內部可溶性固形物含量、可滴定酸度等品質指標。依採收成熟度等檢測結果提供生產者最佳採收時間建議,提供集貨場及採購業者品質分析資訊,並提供生產者與研究人員以非破壞性檢測方式,追蹤果實生長過程中品質變化。

圖說3採收後的果實會在集貨場再次分級。(攝影/蔡惠文)

臺灣應善用此技術 有助農產運銷品質的提升

非破壞性檢測技術在國外已成功運用在蘋果、柑橘與芒果等水果的品質判定。此外,國外已著手開發以非破壞性檢測技術進行果實營養成分的測定,未來將可提供消費者更豐富的水果營養成分資訊,若能配合在包裝或文宣上加以標示,可促進消費者的購買意願並提高商品的販售價值。

臺灣在非破壞性檢測技術研究與開發上也有相當多的研究結果,然目前未見商業化的設備與技術大量應用,若能參考國外成功案例,搭配過去熱帶水果採後儲藏品質研究的成果,開發適合臺灣水果使用的非破獲壞性檢測儀器,提升水果的到貨品質並減少不必要的浪費與損耗。(參考文獻請逕洽作者)

更多內容請見《豐年雜誌》2021年8月號