基于挥发物质浓度占比时序模型的樱桃新鲜度检测装置

技术领域

本发明属于农产品新鲜度检测技术领域，具体涉及一种基于挥发物质浓度占比时序模型的樱桃新鲜度检测装置。

背景技术

樱桃果色鲜艳，口感独特，富含碳水化合物、蛋白质、维生素和钙、磷、铁等微量元素，同时樱桃具有清热解暑、调气活血等医疗保健功效，深受消费者青睐，具有很高的商业价值。

从全球樱桃产量来看，全球樱桃的产量整体呈上升趋势，从2015年321.46万吨，增长至2021年樱桃产量为401.79万吨，增长势态良好。中国是世界第一大樱桃进口国，由于国内樱桃生产不能满足消费者需求，近年来国内樱桃进口数量较大，根据海关总署数据，2021年我国樱桃进口量约31.37亿吨，2022年1～10月进口量约30.89亿吨；此外樱桃也是我国的重要特色水果，在保障农民收入和促进地区经济发展具有举足轻重的地位和作用。

但樱桃是鲜活产品，具有采后迅速后熟、衰老、腐败、品质极易劣变等特点，采后损失相当严重；每年由于腐烂造成的损耗都在亿元以上，严重制约了樱桃的运销流通。樱桃在室温条件下，其呼吸强度可以达到40～90mgCO

水果新鲜度检测通常是由人工来完成的，检测人员劳动强度大，同时这种主观评定受到个人视力、颜色鉴别力、经验、情绪、疲劳程度等影响，准确性差、一致性差、效率低；而传统物理化学检测程序繁琐，费时且对样品具有破坏性。

现有的检测装置可以实现高灵敏度和选择性的酒精检测，但设备的成本较高，且实时响应性较差，并且单一特征对检测结果的精度不高；这些装置通常需要在高温、高压等条件下制备，并且输出的信号不能够直接肉眼观测，需要通过计算器或其他传感器转换，增加了响应的时间和成本。人工感官评价方法虽可区分樱桃在储存过程中的细微变化，但该方法的结果因评价人员个体差异、健康状况等因素影响导致重复性和参考性均较差。理化检验方法虽可以反应樱桃样品的新鲜度情况，但是实验操作繁琐、所需时间久、难以满足快速检测的需要。气相色谱法(GC)和气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)等仪器分析法，虽可精确分析不同储存期樱桃样品的挥发物质成分等信息，但该检测方法检测费用昂贵、检测周期长，并且所得气味成分都是样品经分离后的产物；此外，仪器分析通常对操作人员的操作熟练程度有较大的依赖性，因此迫切需要一种方便快捷的检测樱桃新鲜度的技术。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于挥发物质浓度占比时序模型的樱桃新鲜度检测装置，具有操作便利、快速响应、精确定量的特点。

一种基于挥发物质浓度占比时序模型的樱桃新鲜度检测装置，包括手持式的检测仪器主体以及采样瓶，所述采样瓶用于存放待测的樱桃样品，其通过导管与检测仪器主体连接；所述检测仪器主体内包含有微型气泵、微型气室以及微处理单元，微型气泵用于将采样瓶中的挥发物质抽入至微型气室内进行检测，微型气室内集成了各类挥发物质的浓度检测传感器，微处理单元集成了数据采集模块、算法模块以及计算检测模块，其中数据采集模块用于采集微型气室内传感器感应生成的浓度数据，算法模块中集成了各类挥发物质的浓度占比时序模型，计算检测模块根据采集得到的各类挥发物质浓度数据以及浓度占比时序模型，通过比对确定樱桃的采摘时间及新鲜度。

进一步地，所述挥发物质包括酒精、乙烯、SO

进一步地，所述微型气室内还集成有温度传感器和湿度传感器，以利用温湿度对浓度检测传感器输出的浓度数据进行校准。

进一步地，所述浓度占比时序模型的构建方法如下：

(1)在不同温度不同湿度环境下，对樱桃样品采摘后产生的各类挥发物质进行长时间的浓度监测；

(2)对于任一类挥发物质，建立其浓度与采摘后时间的S型关系曲线；

(3)根据监测得到的浓度数据，利用最小二乘法以及最小化误差平方和拟合确定S型关系曲线中的系数；

(4)根据拟合后的S型关系曲线计算确定挥发物质的浓度占比时序模型。

进一步地，所述S型关系曲线的表达式如下：

其中：ppm(t)表示S型关系曲线中采摘后第t小时挥发物质的浓度，t为自然数，a、b、c为待拟合的系数。

进一步地，所述最小化误差平方和的表达式如下：

其中：ppm(t)表示S型关系曲线中采摘后第t小时挥发物质的浓度，t为自然数，S(t)为采摘后第t小时监测到挥发物质的实际浓度，T为监测时长。

进一步地，所述浓度占比时序模型的表达式如下：

其中：P

进一步地，所述计算检测模块根据采集得到的各类挥发物质浓度数据，计算出当前时刻各类挥发物质的浓度占比，并将其与各类挥发物质的浓度占比时序模型进行比对，从而确定樱桃的采摘时间及新鲜度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明测试流程较传统的理化检验方法和气相色谱法(GC)、气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)等方法，具有快速测定的优势，单次测试时间为4min。

2.与人工和单一酒精检测仪器相比，本发明采用多种特征挥发物质含量作为测试对象，具有更高的精度和重复性。

3.在常规挥发物测定中，即使同一批在相同的温度湿度下，受操作员及样品处理流程影响，无法做到精确定量分析；本发明提出的特征挥发物质时间序列比例模型通过樱桃从采摘到腐败的过程中的特征挥发物质的含量比例变化来测定新鲜度，从而避免了常规方法中无法进行精确定量测试的问题。

附图说明

图1为本发明樱桃新鲜度检测装置的结构示意图。

图2为本发明标准建模及检测方法的流程示意图。

图3为常温常湿下各类挥发物质浓度检测数据的响应示意图。

图4为常温常湿下各类挥发物质浓度占比的时序变化示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明基于挥发物质浓度占比时序模型的樱桃新鲜度检测装置包括手持式检测仪器主体及采样瓶，装置的整体结构如图1所示，其中101为标准玻璃采样瓶，用于待测样品的存放，采样瓶由橡胶导管与检测仪器相连，此外采样瓶带有水蒸气及固液过滤装置；仪器内部的微型气泵102用于将采样瓶中的挥发气体抽入气室进行检测，气泵的流速为恒定400ml/min；仪器内部集成的微型气室103具有温度、湿度、酒精浓度、乙烯浓度、SO

本发明樱桃新鲜度检测装置具有操作便利，快速响应的特点(4min内出检测结果)，本发明装置的标准建模及具体检测流程如图2所示：仪器开机进入自检及初始化阶段203，期间仪器会自动运行各个模块，此外也会测试采样瓶及气室是否存在污染物，仪器会自动进行排气流程；将樱桃放入采样瓶中即可开始单次新鲜度检测流程204；采样结束系统会自动返回新鲜度评级及采摘时间预估结果205(储存温度25℃，湿度60％)；步骤206～211为多种特征挥发物质时间序列算法模型建立流程。

标准的算法模型数据采集过程如下：

1)分别在-10、-5、0、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50摄氏度下测试多种特征挥发物质的浓度响应数据；

2)在上述温度的情况下，控制湿度为30％、60％、85％下测试多种特征挥发物质的浓度响应数据；

3)在上述所有条件下，同时进行3次平行测试，分别选取新鲜采摘的成熟樱桃100g，进行连续300小时的测试(每隔1小时测试一次)，记录多种特征挥发物质的浓度响应数据。

根据前期实验测试，樱桃在采摘后随着时间的流逝其特征挥发物质的挥发速度会缓慢上升，到达一定时间后其挥发速度会明显增加，最后当樱桃完全腐败后其挥发速度增长速度会放缓，因此各个特征挥发物质与采摘时间的模型为S型曲线如下：

根据上述采集得到的大量浓度响应数据，通过最小化误差平方和的方法寻找数据的最佳函数匹配，其拟合曲线的标准为始终使误差最小化，最小化误差平方和的公式如下：

其中：t为不同的时间以小时为单位，ppm(t)为待拟合的浓度函数表达式，S(t)表示樱桃采摘后第t个小时特征挥发气体的浓度，T为总的监测时间(300小时)。

进而，通过最小二乘法拟合出酒精、乙烯、SO

最后，通过以下公式计算出酒精、乙烯、SO

完成建模后，操作人员利用本发明检测装置完成各个特征挥发物质的浓度检测后，将当前时刻各挥发物质的浓度占比与上述浓度占比时序模型进行相似度估计，计算得出估计的采摘时间及新鲜度。

不同的温度湿度以及保存环境对水果的腐败速度起到决定性作用，本实施例通过锚定常温常湿下的樱桃采摘时间来定义新鲜度，如表1所示：

表1

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。