科学家们开发了一种不破坏水果就能测量其成熟程度的便捷技术。

来源 日本芝浦工业大学

水果不论是熟过头还是没熟透的，吃起来的味道都会让人“记忆犹新”。为了让你不再经历这种痛苦，农业工作者们正在努力寻找最恰当的收获时间，让水果在销售的时达到最佳的成熟度。这不仅可以减少浪费，也可以让你买到品质最佳的水果。为了实现这一目标，人们发明了各式各样的方法，但各有利弊。

虽然生物化学和视觉识别的方法都可以用来判断水果是否成熟，但利用机械技术测量才是最常用的方法。后者主要通过测量水果的紧实程度来间接确定水果的成熟度，这通常需要测定水果在被锤摆等器具击中时产生的震动。然而，这样直接接触的方法通常会对质地较软的水果造成损坏，因此使用范围有限。比如，你可以通过感受拍西瓜时的震动来判断生熟，但是在挑草莓的时候这种方法显然行不通。

最近，来自日本芝浦工业大学（Shibaura Institute of Technology）的团队基于此前利用激光诱导等离子体（laser-induced plasma, LIP）测量硬水果的研究，发明出了质地更软水果的紧实度测量方法，相关研究发表在 MDPI 旗下的开放获取期刊《食物》（Foods）上。

等等，激光诱导等离子体到底是什么东西？怎么还能用来测量水果是否成熟？等离子态是一种类似于气态的物质状态。处于等离子态的物质微粒通常带有电荷。这种充满能量的物质状态可以通过用高强度的激光束照射小体积空气产生。因为这种方法产生的“等离子泡泡”很不稳定，所以这些“泡泡”会很快“破裂”形成超声速传播的冲击波。芝浦工业大学的 Naoki Hosoya 教授及其同事曾成功在距离苹果表面很近的位置生成了激光诱导等离子体冲击波。冲击波接触苹果后被激发出了被称为S2模式的震动。由于这种模式的震动造成的形变和足球被踢飞时一样，因此又被称为“足球模式震动”。随后，他们确认了S2这一震动模式与水果的紧实度相关。

然而，质地较软的水果并不会表现出S2模式震动，所以研究团队只能用另一种被称作瑞利波（Rayleigh wave）的震动来分析。这种行波通常只在物体的表面行进，并不会深入物体内部。在一个激光诱导等离子体的发射装置、一台市面上常见的激光测震仪还有几个肯特芒的帮助下，科学家们确定了瑞利波的传播速度与芒果的紧实度是直接相关的。随着芒果储存时间的增加，波的传播速度会显著下降。这说明他们找到了一种间接测量芒果成熟度的可靠方法。

团队进一步测试了在芒果表面的哪个位置测量瑞利波是最合适的。因为芒果有一个很大的核，这可能会对瑞利波的传播和测量造成影响。Hosoya 表示：“通过实验我们发现，沿着芒果‘赤道’部分测量会比沿着‘本初子午线’测量的效果要更好。”他们还发现水果内的空腔或者水果的腐败会显著影响测量结果。因此他们会继续寻找芒果上最适合测量的区域。

激光脉冲通过透镜聚焦在一个接近芒果表面的地方。激光诱导等离子体产生的冲击波在芒果表面激发出了瑞利波。激光多普勒测震仪将会测量这一波动。图片来源:SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

简而言之，芝浦工业大学的团队构建了一套从外部测量软质地水果成熟度的创新性方案。Hosoya 强调：“我们的检测体系可以通过非接触、非破坏性的手段测量芒果以及其它不引发0S2模式震动的水果。”为了在农业生产中获得实际应用，这种测量方法的可行性和可靠程度还需要提升。如果运气好的话，这项技术的广泛使用能让你再也不用担心买到生水果了。

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

论文信息

【标题】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.

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