电化学传感器水果成熟度检测技术的研究

郭清乾，马刘正，孙海峰，王 顺,2，孙晓全，常课课，张 浩，李建伟，胡建东,2

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.小麦玉米作物学国家重点实验室， 河南 郑州 450002；3.河南省计量科学研究院， 河南 郑州 450008)

电化学传感器水果成熟度检测技术的研究

郭清乾1，马刘正1，孙海峰1，王 顺1,2，孙晓全3，常课课1，张 浩1，李建伟1，胡建东1,2

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.小麦玉米作物学国家重点实验室， 河南 郑州 450002；3.河南省计量科学研究院， 河南 郑州 450008)

提出了一种基于电化学乙烯传感器的水果成熟度检测系统，通过实时检测水果释放的乙烯气体浓度来评判水果成熟度。该系统主要由电化学乙烯传感器、微处理器电路、微型真空泵和气室等构成。微处理器电路接收电化学传感器感测到的水果释放乙烯气体产生的电流信号，乙烯气体质量浓度检测结果直接显示在触摸屏上。通过4种质量浓度分别为2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1标准乙烯气体响应试验，建立了乙烯气体质量浓度与电化学传感器响应信号之间的定标曲线，乙烯气体质量浓度在0～10 mg·L-1范围内，与电化学传感器响应信号相关系数为0.998 14，理论最低检出限为0.86 mg·L-1。采用水果成熟度检测系统对不同成熟度的苹果释放的乙烯气体质量浓度进行了检测试验，结果表明该系统能对不同成熟度的水果进行有效区分和评判。

水果成熟度;乙烯气体;电化学传感器;微处理器电路

水果在成熟过程中，其生理和化学特性会发生改变[1-2]。水果成熟度与水果硬度、含糖量、含酸量、固溶物和水果释放的芳香性气体密切相关[3]。蒋天梅等[4]认为果实成熟衰老是一个复杂而有序的过程，水果释放的乙烯气体是调节果实成熟、衰老及品质变化的关键因子。张鑫等[5]研究表明，随着水果成熟度不断增加，水果释放出的乙烯气体浓度逐渐增加，当水果 释放乙烯气体质量浓度高于1 mg·L-1时，水果加速成熟。乙烯气体在猕猴桃成熟过程加速了果实软化,其乙烯高峰出现时，猕猴桃已达到可食程度[6-7]。乙烯气体在枇杷生长发育过程中，具有激发呼吸和促进果实成熟作用[8]。因此，探索实时检测水果成熟度技术在水果采摘、包装、存储、运输和加工过程中有着重要作用[9-10]。人们通常用水果硬度、含糖量和酸度等指标来评判水果成熟度，这些方法尽管精度高，但是不能实时检测，且破坏了水果内部组织。随着无损检测技术的发展，可见光和近红外光谱技术在水果成熟度检测中得到了广泛研究[11-13]。刘燕德等[14]利用透射和漫透射测量果实整体并获得果实内部特征。应义斌等[15]建立了用于柑橘成熟度检测的机器视觉系统，发现绿色柑橘表面与桔黄色表面的反射率在入射光波长700 nm时反射率相差最大。朱坚民等[16]通过提取水果图像关注区域的颜色和形状特征，建立参比水果的颜色特征参比数据库实现水果种类的判别。魏新华等[17]提出了一种水果等级信息与水果实时位置间的连续动态配准方法，实现输送线上水果流的动态位置的实时检测、连续跟踪、水果等级信息与其实时位置间的连续动态配准。智能电子鼻技术可应用于检测苹果、梨和桃子等水果挥发出来的乙烯气体，但是电子鼻检测仪器价格昂贵[18-20]。本研究利用电化学传感器检测水果释放的乙烯气体浓度信号，经微处理器对该乙烯气体浓度信号处理，在触摸屏上实时显示气体浓度信息和水果品种等参数，同时根据采集的乙烯气体浓度信息建立水果成熟度判据模型，以减少水果包装、贮藏、运输、加工和销售等作业环节中损失。

1 电化学乙烯气体传感器水果成熟度检测系统的工作原理

乙烯气体是一种成熟衰老激素，可以在根、茎、叶、花、果实和种子等许多部位产生，它们在细胞分裂与生长、组织与器官分化、开花与结实、成熟与衰老方面，相互协调地调控植物的生长、发育与分化，其生理作用是可刺激细胞膜透性，促进RNA的合成，是碳水化合物转化酶的调节开关，促进成熟、脱落、衰老[21-22]。在生理环境下，乙烯是唯一以气体状态存在的生长激素，可以从细胞和组织中释放出来，通过电化学乙烯气体传感器实测水果释放出乙烯气体浓度，建立水果释放乙烯气体浓度与水果成熟度之间的关系，进而评判水果成熟度。

图1 电化学乙烯气体传感器水果成熟度检测原理 Fig.1 Measurement scheme of fruit maturity using an electrochemical sensor

电化学水果成熟度检测系统中的电化学传感器原理如图1A所示。(乙烯气体在工作电极上发生氧化反应，在对电极上发生还原反应，与工作电极发生的反应平衡，参考电极不参与氧化还原反应，电位恒定，提高传感器的稳定性。)真空泵可以加速乙烯气体的流动，使乙烯气体通过气室扩散到传感器的工作电极，发生反应的电解电流与气体浓度的关系为：

i=k·c

(1)

式中：系数k与传感器自身结构参数和气体的种类有关，当传感器结构和被测气体种类确定时，k为常数，c为被测气体的质量浓度。

气体进入电化学传感器内部，与电解液发生电化学反应，产生的电流与气体的浓度成正比。电化学乙烯气体传感器(图1B)由透气膜、过滤网、工作电极、对电极、参考电极、电解液和控制模块电路等组成。控制模块电路中嵌入微处理器可以对水果释放乙烯气体响应进行温度校正，经过温度补偿后确保输出信号稳定。RDE，TXD和RXD分别为传感器串口信号输出端，发送端和接收端。测量电路实现电化学乙烯气体传感器产生的与气体浓度相关的电流与电压变换和信号放大处理，然后通过微控制器电路进行数据滤波和定标，以串行通讯方式输出，经A/D转换器将电压信号转换为数字信号显示在触摸屏上(图1C)。

2 电化学乙烯气体传感器水果成熟度检测系统的设计与试验

电化学乙烯气体传感器水果成熟度检测系统由微处理器电路、微型真空泵、电化学传感器组成。电化学乙烯气体传感器是从深圳圣凯安科技有限公司购买，乙烯气体敏感的线性范围为0～10 mg·L-1。自制电化学气体传感器气室结构尺寸为外径38 mm，内径34 mm，高度28 mm，底部两侧对称设计有2个直径为6 mm的气孔分别与微型真空泵和大气相连。水果成熟度测试软件使用Visual Studio 2010集成开放环境进行软件开发，利用C++语言完成了软件编程。水果采摘之后释放的乙烯气体浓度随着水果质量和存储时间的增加而增加，可以通过检测水果释放出的乙烯气体浓度来判断水果的成熟度。电化学水果成熟度测试系统实物如图2A所示。

图2 电化学乙烯气体传感器水果成熟度检测系统Fig.2 Detection system of fruit maturity using an electrochemical sensor

试验用不同成熟度苹果从开封兰考采摘，在室温条件下，不同成熟度的苹果经过清洗和自然晾干，放入玻璃瓶中，用保鲜膜密封20 min后，把带针头的气管插入玻璃瓶中。玻璃瓶外径为95 mm，内径为87 mm，高度为135 mm。气管外径为6 mm，内径为4 mm，长度为390 mm。电化学传感器和真空泵上电之后，打开水果成熟度测试软件，首先选择测试水果类型界面，点击进入测试界面，选择测试端口和串口通信波特率，点击开始测试指令之后，真空泵开始抽取玻璃瓶中苹果释放的气体，通过过滤网和透气膜扩散到电解液里，在电化学传感器工作电极和对电极上发生氧化还原反应形成电流信号，经过信号转化和放大后，每隔1 s传送到微处理器电路，经过数据处理，然后在触摸屏上实时显示测试气体浓度信息，如图2B所示，根据获得的水果释放乙烯气体的含量来判断水果的成熟度等级。测试的数据以txt文件的形式保存，也可上传云端。测试结束后，将插入玻璃瓶中的气管拔出，电化学传感器继续通入空气，防止残留的乙烯气体影响下次测量结果。由于水果释放出的乙烯气体自然扩散速度较慢，利用真空泵可以加速气体流动，使气体快速扩散至气室内，防止气体流动过程中产生波动。

3 电化学乙烯气体传感器响应曲线的建立

标准乙烯气体从河南省计量科学研究院购买，用于建立电化学乙烯气体传感器检测系统响应曲线。在测试的过程，乙烯气体扩散至电解液，在工作电极和对电极上发生氧化还原反应，产生微弱的电流信号，电流信号与乙烯气体质量浓度呈正比例关系。在室温条件下，气体流速控制在0.4 L·min-1，测试了质量浓度分别为2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1的标准乙烯气体作用下电化学传感器的响应信号，并对采集的数据进行中值滤波，建立了电化学传感器响应值与时间的关系曲线(图3)。由图3可知，在反应初期，电化学传感器响应值随着时间的增加而迅速增加，达到一定时间后，传感器响应值趋于稳定。从响应特性曲线可以看出，响应曲线符合一阶系统单位阶跃响应规律。在180 s之后，随着时间增加，电化学传感器的响应值几乎不变，因此可以认为电化学传感器在180 s时达到稳定。由一阶系统单位阶跃响应函数可知，当时间为3τ～5τ(τ为时间常数)时，认为传感器的响应值为稳定值，τ为传感器从初始值到稳定值的63.2%所用时间。每种标准乙烯气体测试4次，稳定值的最大相对偏差为3.38%,4种标准乙烯气体的时间常数τ分别为23、30、24、25 s。其中，30 s为4种标准乙烯气体的最大时间常数τ，取150 s作为传感器测试的稳定值，建立0～10 mg·L-1标准乙烯气体与传感器响应特性曲线(图4所示)。

图3 电化学传感器对标准乙烯气体响应特性 Fig.3 The response characteristics of the electrochemical measurement system for standard ethylene gases

图4 乙烯气体质量浓度与电化学传感器响应值之间的关系 Fig.4 Relationship between the standard ethylene gas concentration and response obtained from the electrochemical sensor

从响应特性曲线计算得到两者相关系数为0.998 14，理论最低检出限为0.86 mg·L-1(理论检出限公式为3σ/k，σ为4次测试的标准偏差，k为响应曲线的斜率)。

4 苹果释放乙烯气体质量浓度测量及成熟度评价

水果在成熟的过程中，乙烯气体释放量逐渐增加，可以通过电化学传感器检测水果释放出的乙烯气体浓度来判断水果成熟度。选择不同成熟度的苹果，洗净晾干后置于密闭玻璃瓶20 min，然后进行测试，每个苹果重复测试3次，取平均值为该苹果释放的乙烯气体的质量浓度(表1)。由表1可知，未成熟苹果释放乙烯气体量低于1 mg·L-1，成熟苹果释放乙烯气体量在2～6 mg·L-1，过成熟苹果释放乙烯气体量大于6 mg·L-1。根据苹果平均释放的乙烯气体的质量浓度，可以建立水果成熟度评价体系，将苹果分成3个成熟阶段，当乙烯气体释放量少于1 mg·L-1，苹果处于未成熟度阶段；当乙烯气体释放量为1～6 mg·L-1时，苹果处于成熟阶段；当乙烯气体释放量超过6 mg·L-1，苹果处于过成熟阶段。水果成熟度根据乙烯气体的释放量来判断，当乙烯气体释放量达到1 mg·L-1时可以加速水果成熟[23]。因此，选择苹果释放乙烯气体量超过1 mg·L-1时苹果处于成熟阶段。由表1可知，过成熟的苹果释放乙烯气体量超过6 mg·L-1， 因此选择苹果释放乙烯气体量超过6 mg·L-1时苹果处于过成熟阶段。

表1 苹果释放乙烯气体质量浓度的检测结果 Table 1 Results of ethylene gas concentration released from apples

5 乙烯气体检测系统的选择性和重复性

由于电化学传感器的交叉响应特性，电化学传感器电极在与待测气体发生反应时，收集的相关气体会发生交叉反应。由于收集的水果释放的乙烯气体中氮气的含量最高，因此用纯氮气对乙烯气体检测系统的选择性进行测试。用8.01 mg·L-1标准乙烯气体进行再生性测试。首先通入纯度为99.99%的氮气，控制气体的流速为0.4 L·min-1，通入氮气220 s过程中乙烯气体检测系统的响应值为0，当停止通入氮气之后，通入标准乙烯气体进行重复性试验，乙烯气体检测系统的响应值迅速增强，反应一段时间后，气体的响应值趋向稳定，待测试的乙烯气体稳定之后，停止通入乙烯气体，切换通入空气去除传感器气室中残留的乙烯气体，当气体下降到稳定值的10%之后，再次通入乙烯气体进行上述操作，重复测试2次，其响应特性曲线如图5所示。从图5可知， 通入空气之后， 电化学传感器的响应值迅速降低，最后变化越来越缓慢，2次重复测量乙烯气体到达稳定值的相对标准偏差为3.03%，测试电化学传感器的再生时间为280 s(再生时间为气体从稳定值降低到稳定值的10%所需要的时间)。

图5 乙烯气体检测系统的选择性和重复性 Fig.5 Selectivity and repeatability of the ethylene detection system

6 结论

本文研究了质量浓度为2.99、4.99、8.01、10 mg·L-1的标准乙烯气体的响应特性。根据电化学传感器与标准乙烯气体的响应特性曲线，计算得出乙烯气体理论检出限为0.86 mg·L-1。不同成熟度水果释放乙烯气体质量浓度不同，需要建立不同水果释放乙烯气体质量浓度阈值模型来评价水果成熟度。通过试验测量苹果平均释放乙烯气体质量浓度，可将苹果分为3个成熟等级。结果表明，当乙烯气体释放量少于1 mg·L-1，苹果处于未成熟度阶段；当乙烯气体释放量为1～6 mg·L-1时，苹果处于成熟阶段；当乙烯气体释放量超过6 mg·L-1，苹果处于过成熟阶段。

[1] ISHAK S A,NORYATI N M ,AHMAD H.Some physical and chemical properties of ambarella (SpondiascythereaSonn.) at three different stages of maturity[J].Journal of Food Composition & Analysis,2005,18(8):819-827.

[2] 兰海鹏,贾富国,唐玉荣，等.库尔勒香梨成熟度量化评价方法[J].农业工程学报,2015,31(5):325-330.

[3] ZHANG H,HUANG J,LI T,et al.Studies of tropical fruit ripening using three different spectroscopic techniques[J].Journal of Biomedical Optics,2014,19(6):670-679

[4] 蒋天梅,殷学仁,王平，等.乙烯调控非跃变型果实成熟衰老研究进展[J].园艺学报,2011,38(2):371-378.

[5] 张鑫,齐玉洁,杨夏，等.利用电子鼻技术评价桃果实成熟度的研究[J].华南农业大学学报,2012,33(1):23-27.

[6] 陈昆松,张上隆，吕均良，等.脱落酸、吲哚乙酸和乙烯在猕猴桃果实后熟软化进程中的变化[J].中国农业科学,1997,30(2):54-57.

[7] 张玉,陈昆松,张上隆，等.猕猴桃果实采后成熟过程中糖代谢及其调节[J].植物生理与分子生物学学报,2004,30(3):317-324.

[8] 叶瑟琴,蔡金波,竺元琦.枇杷果实生长发育与乙烯的关系[J].中国果树,1988(2):18-25.

[9] 杨昆程，孙梅，陈兴海.水果成熟度的高光谱成像无损检测研究[J].食品科学技术学报,2015, 33(4):63 - 67.

[10] 洪添胜,李震,吴春胤，等.高光谱图像技术在水果品质无损检测中的应用[J].农业工程学报,2007,23(11):280-285.

[11] 吴龙国,何建国,贺晓光，等.高光谱图像技术在水果无损检测中的研究进展[J].激光与红外,2013,43(9):990-996

[12] 介邓飞,谢丽娟,饶秀勤，等.近红外光谱变量筛选提高西瓜糖度预测模型精度[J].农业工程学报,2013,29(12):264-270.

[13] LIU Y D,SUN X D,ZHANG H L,et al Nondestructive measurement of internal quality of Nanfeng mandarin fruit by charge coupled device near infrared spectroscopy[J].Computers & Electronics in Agriculture,2010,71(1):10-14.

[14] 介邓飞,陈猛,谢丽娟，等.适宜西瓜检测部位提高近红外光谱糖度预测模型精度[J].农业工程学报,2014,30(9):229-234.

[15] 刘燕德,周延睿.便携式近红外水果内部品质检测仪原理及应用进展[J].中国农机化学报,2013，34(4):204-209.

[16] 朱坚民,雷静桃,翟东婷，等.基于灰关联分析和模糊隶属度匹配的球形水果自动识别方法[J].仪器仪表学报,2012,33(8):1826-1836.

[17] 魏新华,孙卫红,李道亮，等.水果自动分选机分级卸料实时控制系统的设计[J].仪器仪表学报,2008,29(5):1024-1028.

[18] 应义斌,饶秀勤,马俊福，等.柑橘成熟度机器视觉无损检测方法研究[J].农业工程学报,2004,20(2):144-147.

[19] 李莹,任亚梅,张爽，等.基于电子鼻的苹果低温贮藏时间及品质预测[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2015,43(5):183-191.

[20] 宋小青,任亚梅,张艳宜，等.电子鼻对低温贮藏猕猴桃品质的预测[J].食品科学,2014,35(20):230-235.

[21] 刘涛,王日葵.水果成熟衰老与植物激素相关性研究进展[J].农产品加工·学刊,2010(5):30-33.

[22] ZHENG Q,SONG J,CAMPBELL-PALMER L,et al.A proteomic investigation of apple fruit during ripening and in response to ethylene treatment [J].Journal of Proteomics,2013,93(19):276-294.

[23] SALTVEIT M E.Effect of ethylene on quality of fresh fruits and vegetables[J].Postharvest Biology & Technology,1999,15(3):279-292.

Studyonreal-timemeasurementoffruitmaturitiesusinganelectrochemicalsensor

GUO Qingqian1,MA Liuzheng1,SUN Haifeng1,WANG Shun1，2,SUN Xiaoquan3, CHANG Keke1,ZHANG Hao1,LI Jianwei1,HU Jiandong1，2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China; 2.State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450002,China; 3.Henan Institute of Metrology,Zhengzhou 450008,China)

In this paper,a measurement system constructed with an electrochemical ethylene sensor for evaluating the fruit maturity was proposed.It consisted of an electrochemical ethylene sensor,a microprocessor circuit,a micro-vacuum pump and a gas chamber,wherein,the microprocessor circuit receiving electric current generated by the electrochemical sensor that used to detect the ethylene gas.The data of measurement of the concentrations of ethylene gas and fruit species displayed on a touch screen.The calibration curve between the ethylene gas concentrations and the response signals from the electrochemical sensor was established by 4 standard concentrations of 2.99,4.99,8.01 and 10 mg·L-1of ethylene gas.The results showed that the correlation coefficient was 0.998 14 and the theoretical minimum detection limit was 0.86 mg·L-1in the range of 0 to 10 mg·L-1. The actual measurement experiment was performed to detect the concentration of ethylene gas released from apples in different maturities level.The results showed that the measurement system could distinguish and evaluate the maturity levels from different fruits.

fruit maturity; ethylene gas; electrochemical sensor; microprocessor circuit

2017-05-12

国家自然科学基金项目 (31671581)；郑州市科技攻关项目(153PKJGG108)；小麦玉米作物学国家重点实验室项目(SKL2014ZH-06,39990026)

郭清乾(1992-)，男，河南平顶山人，硕士研究生，主要从事农业测试技术与仪器的研究。

胡建东(1965-)，男，江西新余人，教授，博士研究生导师。

1000-2340(2017)06-0839-06

S24

A

蒋国良)