基于電特性的蘋果干燥品質(zhì)檢測

屠 鵬，邊紅霞

蘋果是中國農(nóng)業(yè)部確定的11 種優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一，也是中國第一大果品產(chǎn)業(yè)[1]。蘋果上市時間比較集中，除部分鮮食外，大部分用于加工。目前，由蘋果加工而成的產(chǎn)品很多，如蘋果醬、蘋果汁、蘋果片等，其中蘋果片是在保持其原有品質(zhì)基礎(chǔ)上干燥加工而成的一種休閑食品[2-3]。熱風干燥是常用的蘋果片干燥方式，干燥過程中蘋果片組織會產(chǎn)生許多物理、化學變化[4]。研究蘋果片在熱風干燥過程中理化品質(zhì)的變化，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。但是，理化指標的測定步驟多、過程繁瑣，不能及時反映果品品質(zhì)變化。采用快速有效的檢測手段對其品質(zhì)變化進行評價就顯得尤為重要。電特性法因具有成本低廉、操作簡單、數(shù)據(jù)獲取快等特點，廣受科研人員的青睞。在利用理化指標評價果品品質(zhì)[5-6]、電特性快速評價果品品質(zhì)變化[7-8]方面，國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多的工作，但是這些工作都主要針對鮮果展開。在果蔬的干燥過程中，科研人員關(guān)注較多的是干燥方式、干燥溫度對其品質(zhì)的影響[9]，而干燥時間對其品質(zhì)變化的影響研究較少。此外，干燥過程中鮮果原有品質(zhì)的保持情況，是評價產(chǎn)品加工質(zhì)量的重要依據(jù)。在果蔬的干燥品質(zhì)檢測方面，研究較多的是電子計算機斷層攝影技術(shù)[10]、核磁共振[11]和計算機視覺[12]等。但是，這些方法普遍存在操作繁瑣、儀器成本高等缺點，很難應(yīng)用到實際中。在利用電特性檢測干燥過程品質(zhì)變化方面，李星恕等[13]利用平行板電極法，實時檢測了熱風干燥過程中蘋果片的電阻抗和含水率間的關(guān)系。研究表明，干燥過程中蘋果片電阻抗與含水率呈線性負相關(guān)，可以通過監(jiān)測電阻抗的變化實時反映蘋果干燥過程。王穎等[14]測量了熱風干燥過程中蘋果的相對介電常數(shù)（ε’），結(jié)果表明ε’與相對含水率、干燥速率均顯著相關(guān)。目前有關(guān)利用電特性檢測果蔬指標均只涉及含水率，缺乏對其理化指標的全面檢測和預(yù)測。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

實驗所用蘋果采自甘肅靜寧縣，在果實成熟階段在果園中選取樹齡、生長情況相同的紅富士采摘，摘后靜置48 h后裝箱帶回實驗室4 ℃冷藏。實驗前取出樣品靜置12 h，精選大小均一、成熟度好、色澤接近、無機械損傷的果實待用，果品平均直徑75～80 mm。

聚乙烯吡喏烷酮 國藥集團化學試劑有限公司；抗壞血酸、酚酞 天津市福晨化學試劑廠；氫氧化鈉天津市大茂化學試劑廠；2,6-二氯酚靛酚、草酸 上海中秦化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

TH2828A LCR測試儀 常州同惠電子股份有限公司；FT-327果實硬度計 意大利Fruit Test公司；2WAJ折射儀 上海光學儀器一廠；AUX-220電子天平島津（中國）有限公司；722可見分光光度計 上海精密科學儀器有限公司；TDL80-2B離心機 上海安亭科學儀器廠；DHG-9075A恒溫干燥箱 上海一恒科學儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品的干燥處理

精選的蘋果經(jīng)體積分數(shù)為0.1%的NaClO溶液浸泡2 min進行表面消毒，再用蒸餾水沖洗干凈。除去蘋果花萼、果柄、果皮和果核，用兩塊平行放置的刀片將蘋果切成20 mm×20 mm×10 mm的薄片，并立即進行干燥實驗。預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，干燥時間超過180 min，蘋果果肉不易搗碎，致使部分理化指標無法檢測。將試樣平行置于恒溫干燥箱內(nèi)，設(shè)定干燥溫度為60 ℃，分別在30、45、60、90、120、135、150、180 min測定其電參數(shù)和理化指標，其中45、135 min作為驗證組，用于蘋果片干燥過程中利用電參數(shù)預(yù)測理化指標的模型驗證。

1.3.2 理化指標測試

可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)用折射儀測定[15]；可滴定酸質(zhì)量分數(shù)采用指示劑滴定法測定[16]；固酸比用可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)與可滴定酸質(zhì)量分數(shù)的比值表示；VC含量采用2,6-二氯靛酚滴定法測定[17]；果實硬度用果實硬度計測得；含水率以濕基含水率[18]表示，它可以直觀地反映出干燥過程中水分的變化。

褐變度的測定參照文獻[19]進行。取果肉，打漿后取上清液，在420 nm波長處測定其吸光度，以此表征其褐變度。

網(wǎng)站的主頁在視覺上十分吸引人。（見圖1）主頁有四個顏色鮮明的主選項表示學習的不同階段。把活動分成這些階段的目的是通過為學習者提供可以理解的輸入幫助他們從理解的一個水平過渡到另外一個水平。[1]每個階段活動的設(shè)計都不僅致力于提高學生單詞和語音的組合技巧，而且讓學生們接觸適合他們階段的高頻詞匯。這些高頻詞匯能夠幫助學生在相關(guān)語境中讀寫以及理解。[2]

質(zhì)量密度采用公式（1）進行計算。

式中：m表示蘋果質(zhì)量/kg；V表示蘋果體積/m3，以排水法測定。

1.3.3 電參數(shù)的測試

用打孔器從試樣上取直徑15 mm圓柱狀，再用兩塊平行放置的刀片切取厚度為6 mm的果肉，置于平行板電極間測定其電參數(shù)，測試過程參照文獻[20]的方法進行。平行板電極為厚1 mm、直徑15 mm的兩塊圓形紫銅片，將銅電極圓心位置與LCR測試儀通過四端對開爾文測試電纜連接。LCR測試儀內(nèi)置信號發(fā)生器，輸出頻率選500 Hz～1 MHz間的34 個頻率點，可測試電容、損耗角、電阻和電抗等電參數(shù)。按照馬海軍[21]的研究工作，對蘋果損傷檢測的最佳區(qū)分頻率為10 kHz，實驗中電容和損耗角以10 kHz的電參數(shù)為參考。

1.3.4 電參數(shù)的計算

物質(zhì)的電特性包括介電特性和導電特性。生物體的介電特性指生物分子中的束縛電荷（只能在分子限度范圍內(nèi)運動的電荷）對外加電場的響應(yīng)特性，它的主要參數(shù)有ε’和損耗因數(shù)（ε”）；而導電特性則指生物細胞在電磁場中消耗或傳導電磁能量的能力，常用電阻率或電導率表示。ε’等于以待測材料為介質(zhì)制成的電容器電容C與以真空為介質(zhì)同尺寸電容器電容量C0之比，該值也是材料貯電能力的表征[22]。介質(zhì)損耗是指絕緣材料在電場作用下，介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。習慣上以損耗角正切（tan δ）表示電容器損耗的大小，稱為損耗因數(shù)[23]。

蘋果組織的總電阻抗Z如式（2）計算。

式中：Z’為電阻抗實部/Ω；Z”為電阻抗虛部/Ω；Zm為一具有常相位角的常相位元件；Re為胞外電阻/Ω；Ri為胞內(nèi)電阻/Ω。以電阻抗的實部（電阻）為橫坐標，以其虛部（電抗）為縱坐標，可得到其復電阻抗圖（Cole-Cole圖）。

利用非線性最小二乘法擬合計算Hayden模型[24]中的胞外電阻Re和胞內(nèi)電阻Ri，進而利用ρ＝RS/L計算其胞外、胞內(nèi)電阻率。其中R表示電阻/Ω；L和S分別表示極板間距/m和面積/m2。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有實驗重復3 次，結(jié)果以3 次重復的算數(shù)平均值表示。繪圖采用Origin pro 2016完成，數(shù)據(jù)的處理及分析采用SPSS 22完成，用Duncan方法分析平均值間的顯著差異（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程中蘋果理化指標分析

圖1為蘋果片不同理化指標隨干燥時間的變化情況。隨干燥時間的延長，蘋果中含水率不斷降低，在干燥120 min后其含水率下降較快。蘋果內(nèi)部溫度達到設(shè)定值較慢，所以內(nèi)部水分蒸發(fā)需要較長時間。果實的褐變直接影響其保鮮和加工品質(zhì)，酚類物質(zhì)是其貯藏加工過程中引起酶促褐變的主要物質(zhì)[25]。干燥時間越長，多酚類物質(zhì)因氧化損失也就越多[26]，導致其褐變不斷加劇。VC是一種易分解的營養(yǎng)成分，包括還原型VC（ascorbic acid，AA）和氧化型VC（dehydroascorbic acid，DHA）兩種形式。董月菊等[27]的研究表明，蘋果中的AA在60 ℃的降解速率最快，加熱過程中DHA的含量隨溫度升高而增大。本研究表明，蘋果中VC含量與加熱時間呈顯著的負相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r＝-0.992），加熱時間越長，反應(yīng)轉(zhuǎn)化的VC越多，其損失越嚴重。水果中的可溶性固形物絕大部分是碳水化合物，主要由糖構(gòu)成，包括單糖、雙糖和多糖。在加熱過程中，這些碳水化合物會發(fā)生糊化、老化、美拉德反應(yīng)和焦糖化。多糖受熱后分解成單糖，單糖受熱脫水生成糠醛或其衍生物，它們相互之間進行聚合或與胺類反應(yīng)生成深褐色物質(zhì)。本實驗在對蘋果片加熱的過程中，其可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)下降的同時其可滴定酸質(zhì)量分數(shù)升高，則其固酸比一定程度下降?？扇苄怨绦挝镔|(zhì)量分數(shù)在干燥120 min后基本保持不變，說明在120 min前可溶性固形物發(fā)生的轉(zhuǎn)化基本完成。隨干燥過程的進行，蘋果片含水率下降，其質(zhì)量密度在干燥90 min前迅速下降，90 min后緩慢下降。蘋果片硬度與加熱時間也呈顯著的負相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r＝-0.991），加熱時間越長，硬度越低。蘋果片硬度受其細胞和細胞壁的完整性影響[28]，硬度隨加熱時間而下降，原因之一是蘋果中的果膠是一種高分子碳水化合物，在加熱過程中易分解[29-30]；其次是由于加熱對細胞結(jié)構(gòu)的破壞[31]，造成膨脹壓喪失。

圖1 蘋果片理化指標隨干燥時間的變化Fig. 1 Changes in physicochemical indices of apple slices with drying time

2.2 干燥過程中蘋果電參數(shù)分析

圖2 蘋果片介電參數(shù)隨干燥時間的變化Fig. 2 Changes in dielectric parameters of apple slices with drying time

圖2 為蘋果片ε’、ε”隨干燥時間的變化情況。隨干燥時間的延長，ε’減小，ε”則在5.80～6.25間呈波浪式變化。對未干燥的新鮮蘋果組織，其細胞膜為液晶相，流動性大。隨干燥不斷進行，其新鮮度降低，果肉褐變嚴重，細胞膜由液晶相向凝膠相轉(zhuǎn)化[32]，細胞膜變得剛硬，流動性變差，細胞液的黏滯系數(shù)增大，膜的通透能力下降，因而其電容減小，ε’亦減小。Feng Hao等[33]的研究表明，蘋果含水率的減小導致了其ε’的減小，本實驗中蘋果ε’與含水率線性正相關(guān)，即隨干燥時間的延長，其ε’減小。其ε”呈波浪式變化，與實驗所施加的電信號頻率較低有關(guān)。在低頻下，生物組織中的帶電粒子因極化而導致的弛豫滯后較慢，因而電磁能量間的轉(zhuǎn)化較少，其損耗主要由傳導電流產(chǎn)生，ε”在傳導電流引起的損耗附近波動。

圖3 不同干燥時間下蘋果片的Cole-Cole圖Fig. 3 Cole-Cole plots of apple slices with drying time

不同干燥時間下蘋果的復電阻抗圖見圖3，不同干燥時間下蘋果的Cole-Cole圖均為一段圓弧，符合生物組織的電學特征[34]。蘋果的Cole-Cole圖圓弧半徑隨干燥時間的延長而減?。坏皖l時，隨干燥時間的延長蘋果的電阻和容抗均減小，高頻時相差不大。圖4給出了蘋果片胞外電阻率和胞內(nèi)電阻率隨干燥時間的變化情況。隨干燥時間的延長，胞外電阻率減小，胞內(nèi)電阻率呈波浪式變化。

圖4 蘋果片電阻率隨干燥時間的變化Fig. 4 Change in resistivity of apple slices with drying time

2.3 蘋果片電參數(shù)對理化指標的預(yù)測

表1 理化指標與電參數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficients between physicochemical indices and electrical parameters

對蘋果片8 項理化指標與4 個電參數(shù)進行差異顯著性分析，樣本量為7 個干燥時間下的21 組數(shù)據(jù)（每個時間重復3 次）。發(fā)現(xiàn)ε’、胞外電阻率與理化指標均顯著相關(guān)（P＜0.05，P＜0.01），ε”、胞內(nèi)電阻率與理化指標相關(guān)性均不顯著（P＞0.1）。表1為蘋果片8 項理化指標與4 個電參數(shù)間的Pearson相關(guān)系數(shù)。ε”、胞內(nèi)電阻率與理化指標間的R均較低（R＜0.5），不能用于干燥過程中蘋果片品質(zhì)變化的評價。ε’與硬度、VC含量、含水率間的R均大于0.98，與褐變度、質(zhì)量密度和固酸比的R均大于0.9；胞外電阻率則與硬度的R大于0.95，與固酸比、VC含量、褐變度、含水率、質(zhì)量密度間的R均大于0.9。ε’、胞外電阻率與可滴定酸質(zhì)量分數(shù)、可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)間的R均小于0.9。ε’、胞外電阻率與理化指標間的R較高，可用于干燥過程中蘋果片理化指標的預(yù)測。對比來看，ε’對理化指標的評價效果好于胞外電阻。李星恕等[13]的研究表明，熱風干燥過程中可用蘋果片的電阻抗預(yù)測其含水率。本實驗中，可用ε’和胞外電阻率預(yù)測其含水率。研究表明，低頻時生物組織的阻抗值主要表現(xiàn)為細胞外液的電阻[35]。本實驗中，對蘋果組織施加的頻率較低，所以其胞外電阻率與理化指標間的相關(guān)性較高。

根據(jù)表1所給的相關(guān)系數(shù)，鑒于所使用的樣本量偏少，對蘋果片ε’、胞外電阻率與理化指標間相關(guān)系數(shù)大于0.9的數(shù)據(jù)作線性擬合，表2給出了擬合方程，可用于干燥過程中通過電參數(shù)快速評價理化指標的變化情況。

表2 電參數(shù)與理化指標的線性方程Table 2 Linear equations between physicochemical indices and electrical parameters

2.4 方程的驗證

表3 蘋果片干燥過程中理化指標實驗值和預(yù)測值Table 3 Experimental and theoretical values of physicochemical indices of apple slices during drying

利用ε’和胞外電阻率預(yù)測其理化指標，實驗值和預(yù)測值如表3所示，固酸比的相對偏差小于10.9%，其余理化指標的相對偏差均小于7.6%。實驗中電參數(shù)與可滴定酸、可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)間的相關(guān)性較弱，因此，電參數(shù)對固酸比的預(yù)測效果稍差。

3 討 論

聶繼云等[36]利用相關(guān)分析和回歸分析探索了190 個品種蘋果的7 項理化指標之間的相互關(guān)系，指出利用果實硬度、可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)、可滴定酸質(zhì)量分數(shù)、糖酸比和VC含量5 項指標即可對蘋果理化品質(zhì)進行有效評價。對干燥過程監(jiān)測用于評價新鮮蘋果品質(zhì)的理化指標，有利于評價其品質(zhì)保持情況。此外，蘋果片干燥加工過程中，質(zhì)量密度可用于評價其膨化情況。加工過程中去果皮會導致果品氧化，褐變度可用于評價其外觀品質(zhì)。本實驗選取的8 項理化評價指標，可相對全面地評價蘋果干燥加工過程中的品質(zhì)變化。

在果品的干燥過程中，需要實時了解其理化指標的變化，以便于指導生產(chǎn)實踐，提高產(chǎn)品質(zhì)量。但是，果品的生理指標測定過程費時較多，尤其是可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)、可滴定酸質(zhì)量分數(shù)、VC含量和褐變度等。果品的電參數(shù)較容易獲取，而且與其品質(zhì)和生理狀態(tài)密切相關(guān)[37]，可用于評價其干燥品質(zhì)變化。表征生物組織電特性的物理量可分為物質(zhì)常數(shù)和物體常數(shù)。其中物體常數(shù)指與被測物體的大小、外形等因素相關(guān)的量，如電容、電阻等；而物質(zhì)常數(shù)與被測對象的物理尺寸等無關(guān)，如ε’、ε”和電阻率等。本實驗用于預(yù)測蘋果干燥過程理化指標的電參數(shù)均為物質(zhì)參數(shù)，與測定對象的幾何尺寸無關(guān)，極大地方便了實際應(yīng)用。本研究建立了蘋果干燥過程中，其ε’、胞外電阻率兩個電參數(shù)和6 項理化指標間的線性方程，可用于快速評價其品質(zhì)變化，對蘋果干燥加工過程質(zhì)量控制具有指導意義。

4 結(jié) 論

隨干燥時間延長，蘋果中含水率、質(zhì)量密度降低，褐變度增大，在干燥120 min后其含水率快速下降，質(zhì)量密度在干燥90 min前迅速下降，90 min后緩慢下降；可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)下降的同時其可滴定酸質(zhì)量分數(shù)升高，固酸比降低，可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)在干燥120 min后基本保持不變；VC含量、硬度與加熱時間呈顯著線性負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0.99。

隨干燥時間延長，蘋果ε’和胞外電阻率下降，胞內(nèi)電阻率和ε”呈波浪式變化。

對理化指標與電參數(shù)間進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，ε’、胞外電阻率與硬度、固酸比、VC含量、褐變度、含水率和質(zhì)量密度間的相關(guān)性較高，與可滴定酸、可溶性固形物質(zhì)量分數(shù)相關(guān)性一般；ε”、胞內(nèi)電阻率則不能用于蘋果干燥品質(zhì)的檢測。

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