糧倉中小麥的聲學(xué)檢測方法研究進(jìn)展

羅松明 周展明

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院1，雅安 625014)

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450052)

糧倉中小麥的聲學(xué)檢測方法研究進(jìn)展

羅松明1周展明2

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院1，雅安 625014)

(河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450052)

小麥的貯藏品質(zhì)關(guān)系到糧食的數(shù)量安全和質(zhì)量安全，對小麥品質(zhì)的聲學(xué)檢測技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)行了綜述，首先對農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性的概念進(jìn)行了簡述，然后從以下幾個(gè)方面綜述了聲學(xué)檢測技術(shù)的研究進(jìn)展:通過采集并分析小麥粉調(diào)制面團(tuán)過程中的聲學(xué)特性測定不同小麥粉的品質(zhì);或采集并分析小麥籽粒在特定裝置中的聲音信號來達(dá)到測定小麥品質(zhì)的目的;或通過聲學(xué)方法測定糧食的密度或采集分析糧倉中害蟲的聲信號來監(jiān)測糧倉中小麥的貯藏狀態(tài)。

小麥 聲學(xué) 超聲波 糧食安全

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪饕募Z食作物之一，也是我國第二大糧食作物，我國小麥總產(chǎn)量僅次于水稻，居世界前列。由于小麥具有良好耐藏性［1］，許多國家都把小麥作為重要的長期儲備糧。然而隨著儲藏時(shí)間的延長，小麥品質(zhì)會(huì)逐漸地發(fā)生變化，但是小麥的不同用途往往要求小麥及其小麥粉具有特殊的品質(zhì)，所以為保證小麥的最終使用品質(zhì)，最大限度地減少因儲存不當(dāng)或過期而導(dǎo)致的不必要損失，對小麥的儲藏品質(zhì)進(jìn)行檢測就顯得十分重要。小麥品質(zhì)是小麥對某種特定用途、加工產(chǎn)品的適合度和滿意度的綜合而相對的概念，與小麥的使用目的和用途，即小麥的加工利用密切相關(guān)［2］。

目前的小麥儲藏品質(zhì)的檢測方法，大都對被檢測小麥進(jìn)行破碎，屬于有損檢測方法，而且檢測所需時(shí)間較長;而且有些檢測方法還應(yīng)用了感官評價(jià)方法，所以可能會(huì)因?yàn)閭€(gè)人的感官差異，致使測得的結(jié)果不統(tǒng)一，從而結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性不高。近年來，為了減少糧食損失和提高檢測效率，聲學(xué)技術(shù)、紅外技術(shù)等無損檢測技術(shù)在小麥儲藏品質(zhì)檢測、通過檢測糧倉中小麥的堆積密度或害蟲情況來監(jiān)測小麥的儲藏狀態(tài)等方面引起了學(xué)者們的重視。

1 聲學(xué)檢測技術(shù)

聲學(xué)檢測技術(shù)就是通過對聲波在時(shí)域的分析，或者通過傅里葉變換分析聲波在頻率域的特性，或者研究聲波與介質(zhì)之間的相互變化規(guī)律，尋找聲波特性與介質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系，以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到探求媒質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的［3］。由于聲學(xué)檢測技術(shù)具有非破壞性、檢測速度快、設(shè)備簡易、可實(shí)現(xiàn)在線檢測等特點(diǎn)，利用農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性對其品質(zhì)進(jìn)行無損檢測和分級的基礎(chǔ)理論和技術(shù)研究已經(jīng)成為國際上農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)快速檢測技術(shù)的重點(diǎn)研究方向［4］。

農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性是指農(nóng)產(chǎn)品在聲波作用下的反射特性、散射特性、透射特性、吸收特性、衰減系數(shù)、傳播速度、聲壓及其本身的聲阻抗與固有頻率等，反映了聲波與農(nóng)產(chǎn)品相互作用的基本規(guī)律［5］。農(nóng)產(chǎn)品聲學(xué)特性隨農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部組織的變化而變化，不同農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性不同，同一種類而品質(zhì)不同的農(nóng)產(chǎn)品其聲學(xué)特性往往也存在差異，故根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的聲學(xué)特性即可判斷其品質(zhì)如何，并據(jù)此進(jìn)行分級［4］。

2 聲學(xué)檢測技術(shù)在小麥品質(zhì)檢測中的應(yīng)用研究

2.1 小麥面團(tuán)品質(zhì)的聲學(xué)檢測技術(shù)研究

利用小麥粉的面團(tuán)制作性能來評價(jià)小麥的加工適用性，是評價(jià)儲藏中小麥品質(zhì)的傳統(tǒng)方法。具有不同儲藏品質(zhì)的小麥磨制的小麥粉具有不同的面團(tuán)品質(zhì)。2007年，Alava等［6］通過對30種不同用途的小麥粉及其形成的面團(tuán)中超聲波聲速和衰減程度的測量，然后將該結(jié)果同傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法(延伸記錄儀、面筋拉力測定儀)所得出的流變學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，通過分析研究后建立了超聲波在面團(tuán)中的衰減參數(shù)同小麥粉與面團(tuán)的品質(zhì)成分的相關(guān)關(guān)系，成功地實(shí)現(xiàn)了利用超聲波法對小麥粉及其形成面團(tuán)的品質(zhì)檢測。

2011年，García－ Alvarez等［7］利用超聲波技術(shù)對35種不同物理特性和品質(zhì)特性的小麥粉為原料制成的面團(tuán)的超聲學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將獲得的聲學(xué)特征數(shù)據(jù)與小麥面團(tuán)的蛋白質(zhì)含量、延伸性等品質(zhì)的傳統(tǒng)檢測方法進(jìn)行了相關(guān)性分析，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):在面團(tuán)調(diào)制過程中，蛋白質(zhì)和淀粉凝膠化共同作用而使面團(tuán)發(fā)生的變化能用超聲學(xué)檢測方法進(jìn)行檢測;由于蛋白酶活性而使蛋白質(zhì)降解或使面團(tuán)軟化的現(xiàn)象，使用超聲學(xué)檢測技術(shù)進(jìn)行表征也具有一定的可行性，認(rèn)為超聲波技術(shù)將取代傳統(tǒng)的檢測方法成為小麥粉品質(zhì)檢測的一種低成本、快速的技術(shù)。

2.2 小麥儲藏品質(zhì)的非破壞性的聲學(xué)檢測技術(shù)研究

1986～1989年，Okalahoma州立大學(xué)的研究人員［8－12］對小麥等谷物的聲壓特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了谷物的聲壓特性與其水分含量的相關(guān)性。Friesen等［10－11］對含水量 11%～19% 的小麥樣品在5～50 kHz的頻率范圍內(nèi)的聲學(xué)特性進(jìn)行了分析，得到了被測小麥樣品的聲學(xué)信號與其水分含量的關(guān)系，得到了計(jì)算小麥水分含量的振幅－頻率響應(yīng)曲線的函數(shù)，在4～20 kHz的聲波頻率范圍內(nèi)，谷物在一定時(shí)間閾內(nèi)的等效平均聲壓與谷物含水率具有明顯的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)大于0.95)。Ruan等［12］成功研制了一種低成本，可連續(xù)測試的聲壓式谷物含水率測定儀，該測定儀的測量誤差為0.25%，非線性度為1.1%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于7 ms。

2000年，方建軍［13］采用簡易試驗(yàn)裝置采集了含水量分別為 11%、14.5%、16.4%、19.1% 的 4 組冬小麥樣品的聲學(xué)信號，分析了這些小麥樣品的水分含量與其聲學(xué)信號的聲壓級、頻率之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)在10～20 kHz范圍內(nèi)的聲壓級與糧食水分之間存在線性關(guān)系。

2002 ～2007 年，河南工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)［3，14－21］對小麥的聲學(xué)特性與其品質(zhì)的關(guān)系展開了深入地研究，尤其是對小麥籽粒的聲信號產(chǎn)生和采集裝置、聲學(xué)特征值的提取、相關(guān)性關(guān)系方程等方面進(jìn)行了深入地研究，研究的結(jié)果表明小麥的聲學(xué)特性的不同特征值與小麥籽粒的硬度、千粒重、粗蛋白含量、水分含量、品種識別等方面都表現(xiàn)出了較好的相關(guān)性。驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，小麥籽粒的品質(zhì)等數(shù)據(jù)測定的誤差都較小。

2006年，Amoodeh等［22］通過對玻璃、木板和金屬板3種不同平板材質(zhì)以及小麥籽粒的下落高度對聲信號的聲壓級影響進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了小麥等谷物的聲信號產(chǎn)生、采集裝置:谷物在一個(gè)導(dǎo)向槽的作用下以72 cm/s的流速持續(xù)地下落10 cm的高度后，撞擊在直徑150 mm并30°傾斜的玻璃材質(zhì)的平板上產(chǎn)生聲信號，放置在玻璃平板下方的麥克風(fēng)接收小麥等谷物籽粒打擊在玻璃平板上而產(chǎn)生的聲波信號并轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)研究分析，利用該裝置采集到的被測小麥樣品的聲信號的特征參數(shù)與其水分含量具有顯著的相關(guān)性(R2=0.94)，通過以3個(gè)品種的小麥進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，該裝置的最大測量誤差含水量為1.25%。

3 儲糧密度的聲學(xué)檢測技術(shù)研究

儲糧密度是糧食倉儲過程中的基本指標(biāo)，隨著倉儲時(shí)間的延長，糧食呼吸作用和水分減少，糧堆密度會(huì)發(fā)生變化，糧食的容重和品質(zhì)等會(huì)逐漸劣變，同時(shí)我國每年會(huì)對全國糧食庫存進(jìn)行審查，目前的糧食庫存審查程序方法需要耗費(fèi)相當(dāng)大的人力、物力和財(cái)力，所以通過對儲糧密度的檢測技術(shù)的研究對于國家儲糧有著重大的意義。

2007年，張林［23］采用傳遞函數(shù)法在阻抗管中對小麥、精米、糙米、大豆、稻谷、玉米6種糧食進(jìn)行了聲阻抗特性、吸聲系數(shù)的檢測，設(shè)計(jì)了糧堆聲信號檢測分析平臺，建立了聲速、聲衰減系數(shù)兩個(gè)糧堆聲傳播重要參數(shù)的準(zhǔn)確的檢測方法。結(jié)果表明:對于同品種的糧食，隨著密度增加其聲阻抗率變小、吸聲系數(shù)變大;而對于相同密度而不同品種的糧食，糧食顆粒形狀越小其聲阻抗率越小、吸聲系數(shù)越大。在實(shí)際倉儲條件下，利用此聲信號檢測分析平臺對小麥和玉米進(jìn)行了聲速和聲衰減試驗(yàn)，通過變換聲波頻率得到了小麥、玉米的聲速頻譜和衰減頻譜;證實(shí)在低頻條件下聲信號在糧堆中傳播性較好，隨著頻率增加聲信號在糧堆中衰減增大，但糧堆中的聲速隨頻率變化不大;通過阻抗管對糧食中的聲速和糧食密度進(jìn)行了進(jìn)一步探討，在同品種糧食條件下，得到密度和其中的聲速呈良好的負(fù)相關(guān)性。

4 儲糧害蟲的聲學(xué)檢測技術(shù)研究

小麥等糧食在儲藏中常常遭受蟲、霉、鼠等有害生物的侵害造成質(zhì)和量的損失，而其主要危害來自于儲糧害蟲。早期測報(bào)或?qū)崟r(shí)檢測儲糧害蟲是科學(xué)儲糧的關(guān)鍵性技術(shù)要求。

1953年Adams等［24］首次檢測到受損糧食中害蟲的活動(dòng)聲，但當(dāng)時(shí)對昆蟲習(xí)性認(rèn)知較少而使儲糧害蟲檢測防治方面的研究發(fā)展緩慢。1990年Hag-strum等［25］在對小麥中的成蟲谷蠹的聲檢測研究中發(fā)現(xiàn)，在成蟲生長初期蟲聲數(shù)基本不變，蟲聲數(shù)隨蟲數(shù)密度增加，27℃時(shí)蟲聲數(shù)是的32℃時(shí)蟲聲數(shù)的2倍。1991年Hagstrum等［26］成功研制了一種檢測倉儲小麥中成蟲赤擬谷盜數(shù)量的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)檢測到害蟲的概率與其種群數(shù)量、所用麥克風(fēng)數(shù)、各麥克風(fēng)頻率、害蟲與麥克風(fēng)之間距離及害蟲生長階段有關(guān)。1993年Hagstrum等［27］對小麥中5種甲蟲的聲信號比較研究后發(fā)現(xiàn)，不同種類的成蟲聲數(shù)目的概率分布明顯不同，若對濾波器和計(jì)數(shù)器選取合適的閾值，聲信號差異將最明顯，此特征可用于區(qū)分蟲的種類和估計(jì)蟲密度。1996年Hagstrum等［28］分別用自動(dòng)化害蟲聲檢測方法和傳統(tǒng)糧食采樣法對美國堪薩斯州6個(gè)農(nóng)場12個(gè)麥倉中的害蟲數(shù)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立的聲學(xué)檢測方法能夠檢測到糧倉中所有被發(fā)現(xiàn)的害蟲，并有效地估計(jì)和測定糧倉中害蟲“危害”級別。Shuman等［29－30］分別在1993年和1997年成功研制了第一代和第二代“聲探測昆蟲特征檢測器”，并設(shè)計(jì)了一種用于降低噪音的密封層，該檢測器通過利用換能器陣列檢測單個(gè)幼蟲吃食聲的到達(dá)時(shí)間確定害蟲的空間位置，對多個(gè)害蟲的檢測準(zhǔn)確率較高，具有較強(qiáng)的抗噪能力，已被美國糧食檢查部門用在對外出口的糧食快速評級中。1997年，Hickling等［31］通過在密閉條件下分別向1.5、5 和105 m33 類筒倉中的軟麥、硬麥、糙米、高粱、大豆、玉米6個(gè)品種的糧食通入氮?dú)?、二氧化碳和空氣，研究了不同條件下不同品種糧食的聲傳播特性，結(jié)果表明:聲波主要是通過糧食顆粒間的空隙進(jìn)行傳播，糧食的粒徑越大則聲速越快、聲傳播越遠(yuǎn)，衰減系數(shù)與頻率的平方根近似成正比。他們在開發(fā)新的自動(dòng)評級糧食質(zhì)量的聲學(xué)技術(shù)系統(tǒng)、記錄麥粒內(nèi)部幼蟲吃食的群算法及其性能的測試、實(shí)際糧倉害蟲檢測系統(tǒng)消除環(huán)境噪音的必要性的評價(jià)等方面也進(jìn)行了合作研究。

為防止儲糧蟲害，2002～2005年陜西師范大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)［32－33］對儲糧害蟲的聲特性進(jìn)行了研究。通過采用駐波管法測量了小麥、玉米、高粱、大豆等糧食的吸聲系數(shù)，得到了自然堆積狀態(tài)下的糧食的基本吸聲頻譜，建立了糧堆聲傳播的模型，其將糧食看作既是圓柱形又是平行狹縫的準(zhǔn)多空介質(zhì)模型，結(jié)果表明:糧食是高吸收聲波的媒質(zhì)，儲糧害蟲發(fā)出的聲信號由糧食內(nèi)傳至表面時(shí)的聲衰減較大，糧食吸聲性能介于多空吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)之間;聲吸收系數(shù)隨糧食厚度的增加而增大，隨糧食顆粒形狀或大小的不同而不同，但受糧食品種影響甚微。在對儲糖害蟲活動(dòng)聲特征的研究中，設(shè)計(jì)了一種用于儲糧害蟲聲檢測的隔聲室，首次建立了儲糧害蟲活動(dòng)的聲發(fā)射理論模型和無規(guī)聲源模型，并對儲糧中害蟲活動(dòng)聲進(jìn)行了提取，首次建立了儲糧害蟲活動(dòng)聲的特征數(shù)據(jù)庫，分析發(fā)現(xiàn)儲糧害蟲爬行聲的功率譜具有離散性，主頻較低，約在400 Hz以下，摩擦介質(zhì)不同所產(chǎn)生的聲的功率譜差別較大。

5 展望

小麥的儲藏品質(zhì)涉及到糧食的數(shù)量安全和質(zhì)量安全，已經(jīng)逐漸受到了國家有關(guān)部門的重視。因聲學(xué)檢測技術(shù)具有快速、無損、準(zhǔn)確、在線、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，引起了眾多學(xué)者們的研究興趣，目前在如何較好地表征小麥品質(zhì)的聲信號的特征參數(shù)的篩選、聲信號與小麥品質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系式的建立、聲信號的采集過程中環(huán)境噪音影響的消除等方面的難題都亟待研究解決，相信在廣大的科研工作者的共同努力下，聲學(xué)檢測技術(shù)在糧油等食品的貯藏和加工中將不斷地發(fā)揮越來越大的作用。

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A Review of Acoustic Detection Technology for the Stored Wheat

Luo Songming1Zhou Zhanming2
(Food Science College，Sichuan Agricultural University1，Ya'an 625014)
(College of Food Science and Technology，Henan University of Technology2，Zhengzhou 450052)

Quality properties during wheat storage period is vital to food security and safety.In this paper a review of acoustic detection technology for the stored wheat is presented.The definition of acoustic characteristic of agricultural products is reviewed，and then the researches on the acoustic detection technology from several subsequent aspects are summarized:the quality of wheat flour was determined by acquiring and analysising the acoustic signal during dough processing;the quality of wheat was measured by acquiring and analysising the acoustic signal of kernels in a special device;the storage properties of wheat in the granary was predicted by analysising the grain density，or by acquiring and analysising the acoustic signal of pests.

wheat，acoustics，ultrasound，food security

TS210.7

A

1003－0174(2012)03－0125－04

2011－05－12

羅松明，男，1977年出生，講師，糧油食品加工和資源利用

周展明，男，1942年出生，教授，糧食儲藏