基于介電特性的獼猴桃和桃果實(shí)品種識別研究

唐 燕，張繼澍*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

基于介電特性的獼猴桃和桃果實(shí)品種識別研究

唐 燕，張繼澍*

(西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

以秦美獼猴桃、海沃德獼猴桃、秦光2 號油桃和秦王桃為研究對象，探討利用果實(shí)電學(xué)特性進(jìn)行種類品種識別實(shí)驗(yàn)的可行性，測定果實(shí)采收當(dāng)日在電激頻率0.1kHz～5MHz范圍內(nèi)24個頻率下的7個電參數(shù)(復(fù)阻抗Z、并聯(lián)等效電感Lp、損耗系數(shù)D、阻抗相角θ、串聯(lián)等效電阻Rs、電導(dǎo)G、并聯(lián)等效電容Cp)變化。結(jié)果表明：獼猴桃和桃果實(shí)的lgZ和lgLp與lgf均有很好的線性關(guān)系，R2大于0.95。在100Hz～1.58kHz的電激勵頻率范圍內(nèi)，可用D值來區(qū)分獼猴桃和桃果實(shí)。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內(nèi)，可用θ值和Rs值區(qū)分獼猴桃和桃果實(shí)。在100Hz～100kHz的頻率范圍內(nèi)，可用G值來區(qū)分獼猴桃和桃果實(shí)。在15.8～100kHz頻率范圍內(nèi)，可用Z來區(qū)分海沃德獼猴桃、秦美獼猴桃、秦王桃、秦光2號油桃果實(shí)。在100Hz～158kHz頻率范圍內(nèi)，可用Cp來區(qū)分獼猴桃和桃兩個種類及不同品種果實(shí)。

獼猴桃；桃；電特性；敏感電參數(shù)

水果作為生物體由生物組織構(gòu)成，從微觀結(jié)構(gòu)角度觀察，其內(nèi)部存在無數(shù)個帶點(diǎn)粒子形成生物電場，水果在其生長、成熟、受損及腐敗變質(zhì)過程中的生物化學(xué)反應(yīng)將伴隨物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致生物組織內(nèi)各類化學(xué)物質(zhì)所帶電荷量及電荷的空間分布的變化，生物電場的分布和強(qiáng)度，從宏觀上影響水果的電特性。因而果實(shí)的介電特性與其結(jié)構(gòu)、組成成分和品質(zhì)等存在必然的聯(lián)系。

秦美獼猴桃是陜西省獼猴桃生產(chǎn)的主栽品種，海沃德獼猴桃是世界上最重要的品種，也是在陜西正在示范推廣的品種。秦光2號油桃是京玉×興津油桃育成的晚熟油桃新品種[1]。秦王桃是通過大久保桃實(shí)生選種，選育出晚熟耐貯運(yùn)桃新品種[2]。

果實(shí)介電特性研究起步較晚，國外從20世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)從20世紀(jì)90年代開始對果品電學(xué)特性進(jìn)行了研究。近些年國內(nèi)開展相關(guān)研究不斷的增多。有關(guān)于果品種類識別的研究[3-4]，有果實(shí)成熟度[5]、損傷[6-7]及病果[8-9]對電特性影響的研究，還有果實(shí)電特性和生理特性[10]或品質(zhì)特性[11]關(guān)系的研究。 郭文川等[4]利用電特性開展了番茄和蘋果品種識別的研究，但研究的電參數(shù)種類少(僅電容和損耗角正切)。關(guān)于不同獼猴桃品種和不同桃品種之間用電特性進(jìn)行識別的研究未見報(bào)道。本研究以陜西有代表性的獼猴桃(秦美和海沃德獼猴桃)和具有良好發(fā)展前景的兩種桃(秦光2號和秦王桃)為研究對象，測定了果實(shí)采收當(dāng)日在電激頻率0.1kHz～5MHz范圍內(nèi)24個頻率下的7個電參數(shù)(復(fù)阻抗Z、并聯(lián)等效電感Lp、損耗系數(shù)D、阻抗相角θ、串聯(lián)等效電阻Rs、電導(dǎo)G、并聯(lián)等效電容Cp)變化，旨在為利用果實(shí)電特性進(jìn)行果實(shí)種類品種識別提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

獼猴桃品種：秦美(Actinidia deliciosacv. Qinmei)、海沃德(Actinidia deliciosacv. Hayward)；桃品種：秦光2 號(Prunus persicavar. Qinguang 2)油桃、秦王(P. persica.Qinwang)桃均采自陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新示范區(qū)一管理良好的示范果園。秦美、海沃德獼猴桃及秦光2號油桃、秦王桃的果實(shí)果肉硬度分別8.65、6.26、9.38、8.92kg/cm2；可溶性固形物含量分別為7.3%、6.2%、12.5%、13.4%。

1.2 電學(xué)指標(biāo)測定

實(shí)驗(yàn)采用平行板電極系統(tǒng)在線無損檢測，測試儀器為日本日置3532-50 LCR測試儀，測試頻率范圍42Hz～5MHz，實(shí)測頻率24個點(diǎn)(100Hz、158Hz、251Hz、398Hz、631Hz、1kHz、1.58kHz、2.51kHz、3.98kHz、6.31kHz、10kHz、15.8kHz、25.1kHz、39.8kHz、63.1kHz、100kHz、158kHz、251kHz、398kHz、631kHz、1MHz、1.58MHz、2.51MHz、3.98MHz )。測試裝置與條件同參考文獻(xiàn)[8]。不同品種果實(shí)各隨機(jī)取20個，每個果實(shí)重復(fù)測定3次，測定復(fù)阻抗(Z)、并聯(lián)等效電容(Cp)、并聯(lián)等效電感(Lp)、損耗系數(shù)(D)、電導(dǎo)(G)、阻抗相角(θ)、串聯(lián)等效電阻(Rs)的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)軟件處理，t檢驗(yàn)法(α=0.05)對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 獼猴桃和桃果實(shí)電參數(shù)復(fù)阻抗(Z)和并聯(lián)等效電感(Lp)的變化

獼猴桃和桃的主要組成部分是水(含水率在80% 以上)，水是極性分子，在極性分子上施加交流電壓時，偶極子就會伴隨電場的轉(zhuǎn)動而發(fā)生取向變化。隨著頻率的升高，偶極子趕不上電場的變化，取向就產(chǎn)生時間延遲。延遲所消耗的能量與電阻所消耗的熱能是等效的。極化的減小表現(xiàn)在Z隨頻率的增大而減小。

由于獼猴桃和桃果實(shí)電參數(shù)Z和Lp隨頻率呈三次函數(shù)下降的規(guī)律變化，數(shù)值隨頻率變幅太大。為了便于觀察不同種類果實(shí)的電參數(shù)差異，將果實(shí)的Z、Lp值和頻率分別取對數(shù)后作圖。

圖1 4種果實(shí)Z和Lp隨頻率的變化Fig.1 Changes in lgZ and lgLp with lgf

由圖1可知，兩種獼猴桃和兩種桃果實(shí)lgZ和lgLp與lgf均有很好的線性關(guān)系，R2均大于0.95，以秦美獼猴桃為例，其擬合的線性方程為：lgZ=6.98－0.203 lgf。4類果品Z值和Lp值都是隨著頻率的增大在逐漸減小，其中在100Hz～251kHz之間，果實(shí)Z值下降的比較快，但在251kHz～3.98MHz之間，果實(shí)Z值下降的比較平緩。在各頻率下，電參數(shù)Z和Lp值呈現(xiàn)海沃德獼猴桃＞秦美獼猴桃＞秦王桃＞秦光2號桃的規(guī)律變化。在同一頻率下，各品種之間果實(shí)Z值在15.8～100kHz頻段內(nèi)差異都達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。所以在此頻率范圍內(nèi)電參數(shù)Z可作為區(qū)分兩類及不同品種果實(shí)的特征參數(shù)。

2.2 獼猴桃和桃損耗系數(shù)(D)和阻抗相角(θ)的變化

由圖2可知，在100Hz～1.58kHz的頻率范圍內(nèi)，兩種桃果實(shí)的D值都顯著高于兩種獼猴桃果實(shí)的D值(P＜0.05)。兩種獼猴桃隨頻率的變化規(guī)律相似，在100Hz～39.8kHz的頻率范圍內(nèi)呈線性下降，之后呈單峰曲線變化。θ值隨頻率升高先呈下降變化到達(dá)谷底后又有所回升。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內(nèi)，兩種桃果實(shí)的θ值都顯著高于兩種獼猴桃果實(shí)的θ值(P＜0.05)。

2.3 獼猴桃和桃串聯(lián)等效電阻(Rs)和電導(dǎo)(G)的變化

圖3 4種果實(shí)Rs和G隨頻率的變化Fig.3 Changes in Rs and G with lgf

由圖3可知，Rs隨頻率變化呈非線性變化，而是隨頻率的增高呈下降變化，呈現(xiàn)三次函數(shù)下降變化關(guān)系。在100Hz～25.1kHz的頻率范圍內(nèi)，兩種獼猴桃和兩種桃果實(shí)的lgRs隨lgf的增大都呈現(xiàn)線性下降變化，之后呈不規(guī)則變化。在24個電激勵頻率點(diǎn)所覆蓋的頻率范圍內(nèi)，獼猴桃品種海沃德的Rs值都大于秦美。100Hz～1MHz的頻率范圍內(nèi)，秦王桃的Rs值都大于秦光2號桃。當(dāng)電激頻率在1～3.98MHz的頻率范圍內(nèi)，秦光2號桃的Rs大于秦王桃。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內(nèi)，獼猴桃和桃之間都能很好的區(qū)分(P＜0.05)。G值隨頻率的增加呈上升趨勢，呈指數(shù)函數(shù)變化關(guān)系。在100Hz～100kHz的頻率范圍內(nèi)，兩種桃的G值都顯著大于兩種獼猴桃的G值(P＜0.05)。在100Hz～25.1kHz頻率范圍內(nèi)，4類果品的lgG隨lgf的增大都呈現(xiàn)線性上升變化，之后呈不規(guī)律變化。獼猴桃兩個品種之間和桃兩個品種之間的G值不能區(qū)分開來。

2.4 獼猴桃和桃果實(shí)并聯(lián)等效電容(Cp)的變化

Cp反映的是在給定電位差下的電荷儲藏量。一般來說，電荷在電場中會受力而移動，當(dāng)導(dǎo)體之間有了介質(zhì)，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導(dǎo)體上，從而造成了電荷的累積儲存。

圖4 4種果實(shí)Cp隨頻率的變化Fig.4 Changes in Cp with lgf

由圖4可知，在100Hz～3.98MHz頻率范圍內(nèi)，桃果實(shí)的Cp值高于獼猴桃果實(shí)。其中秦光2號桃的Cp值高于秦王桃果實(shí)，秦美的Cp值高于海沃德果實(shí)的Cp值。在100Hz～158kHz頻率范圍內(nèi)，4個品種果實(shí)之間都能很好區(qū)分，差異達(dá)極顯著水平(P＜0.01)。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，檢測頻率的高低對果實(shí)電參數(shù)有明顯影響。在100Hz～3.98MHz 范圍內(nèi)隨著頻率的增加，獼猴桃(海沃德、秦美)、桃(秦王、秦光2號桃)果實(shí)的復(fù)阻抗(Z)和并聯(lián)等效電感(Lp)不斷減少。這一結(jié)論與葉齊政等[12]對番茄、芒果及周永洪等[13]對柿子的研究結(jié)果相似。這說明雖然果實(shí)的種類不同，但頻率對Z和Lp的影響總體上具有一定的相似性。在電場中果實(shí)分子存在不同的極化類型[14](偶極、跳躍電子、極化子、離子)，各種極化類型與頻率密切相關(guān)。當(dāng)頻率由低頻逐漸轉(zhuǎn)向高頻時果實(shí)內(nèi)部分子極化程度就會發(fā)生改變，極化類型也就會隨之變化，從而表現(xiàn)為電學(xué)指標(biāo)的改變。董怡為[15]認(rèn)為：隨電激勵頻率的增大，電阻的減小是由細(xì)胞組織的不均勻引起的。由于細(xì)胞膜的電阻和電容量很大，使得在低頻情況下，電流只在細(xì)胞外液流過，此時，電阻非常大。隨著頻率增高，細(xì)胞膜(細(xì)胞壁)間的電容量大，細(xì)胞內(nèi)液中也有電流流過，使電阻明顯減小。

食品物料的介電特性描述了處于電磁場中的物質(zhì)如何與電磁波相互作用的。食品物料的介電特性除了受電磁波的頻率和樣品的溫度影響外，還決定于其組織成分[16]。本實(shí)驗(yàn)所選的4種果品不同電參數(shù)都受到頻率的顯著影響。郭文川等[11]以銀鳳桃為實(shí)驗(yàn)對象，測試了10～4500MHz桃肉和桃汁的介電特性，結(jié)果表明，隨著頻率的增大，桃肉和桃汁的相對介電常數(shù)()隨著頻率的增大單調(diào)減小，而呈現(xiàn)V型的變化局勢，其最小值出現(xiàn)在1000MHz左右。郭文川等[4]對兩種蘋果品種的電參數(shù)比較得知，紅富士蘋果具有較大的較小的電阻率(ρ)；紅星蘋果具有較小、較大的。故可利用和的差異區(qū)分兩蘋果品種。郭文川等[3]根據(jù)其測試結(jié)果，以2.4V和0.2V下?lián)p耗角正切的差值可作為評判果品種類指標(biāo)。 當(dāng)Δtanδ2.4V＞0.12時，被測果品為蘋果；當(dāng)0.07≤Δtanδ2.4V≤0.12時，被測果品為梨；當(dāng)Δtanδ2.4V＜0.07時，被測果品為獼猴桃。本實(shí)驗(yàn)所選的4種果品針對獼猴桃兩品種和桃兩個品種果實(shí)的7個電參數(shù)Z、Lp、Rs、D、θ、G和Cp進(jìn)行了比較，結(jié)果表明， 在15.8～100kHz頻率范圍內(nèi)，可用Z作為區(qū)分4類果品的特征參數(shù)。在100Hz～158kHz頻率范圍內(nèi)，4個品種果實(shí)的Cp值之間的差異達(dá)顯著水平，可用Cp來區(qū)分。

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Identification of Kiwifruit and Peach Varieties Based on Dielectric Properties

TANG Yan，ZHANG Ji-shu*
(College of Life Science, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

In this study, two kiwifruit cultivars, Qinmei and Hayward, and two peach cultivars, Qinguang No. 2 and Qinwang were used to explore the feasibility of distinguishing different fruit varieties based on electrical properties (complex impedanceZ, parallel equivalent inductanceLp, loss coefficientD, impedance phase angleθ, equivalent series resistanceRs, conductivityGand parallel equivalent capacitanceCp). The results showed that a good linearity was found for the lgZ-lgfand lgLp-lgfrelationships of kiwifruit and peach withR2＞ 0.95. Kiwifruit and peach could be distinguished byDvalue in the exciting frequency range of 100 Hz－1.58 kHz, byθandRs values in the range of 100 Hz－6.31 kHz, and byGvalue in the range of 100 Hz－100 kHz. Hayward, Qinmei, Qinwang and Qinguang No. 2 were distinguished byZvalue in the range of 15.8－100 kHz and byCp in the range of 100 Hz－158 kHz.

kiwifruit；peach；electric property；sensitive electrical parameters

S183

A

1002-6630(2012)03-0001-04

2011-01-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30471001)

唐燕(1977—)，女，講師，博士，主要從事果實(shí)采后生理和無損檢測研究。E-mail：tangyanyan418@163.com

*通信作者：張繼澍(1941—)，男，教授，本科，主要從事采后果實(shí)衰老機(jī)理及其調(diào)控研究。

E-mail：jishu@nwsuaf.edu.cn