基于介電參數(shù)同步監(jiān)測(cè)蘋果靜壓過程生理變化

邊紅霞 屠 鵬

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 蘭州730070）

果品因流通不暢和季節(jié)性、地區(qū)性的過剩而往往造成一定程度的積壓。不當(dāng)?shù)馁A存方式使果品成堆堆積，某一層的果品由于受其上各層重量產(chǎn)生的壓力而發(fā)生損傷，稱為靜壓損傷。受壓使果實(shí)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，膜透性增加，加速了產(chǎn)品的衰老進(jìn)程[1]和褐變[2]，大大降低了果品的耐貯性，嚴(yán)重影響了果品產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。有必要及時(shí)了解果品在受壓過程中的理化品質(zhì)變化。理化指標(biāo)是蘋果理化品質(zhì)評(píng)價(jià)的依據(jù)。聶繼云[3]篩選了蘋果的代表性理化指標(biāo)：果實(shí)硬度、可溶性糖含量、可滴定酸含量、糖酸比和維生素C 含量?，F(xiàn)有的測(cè)試方法很難做到在受壓狀態(tài)下同步測(cè)定其理化品質(zhì)參數(shù)。

研究表明，果品的介電特性與其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)密切相關(guān)，可通過介電參數(shù)來反映其受壓時(shí)理化品質(zhì)和生理狀態(tài)的變化[4-5]。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(yùn)動(dòng)的電荷）對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性，主要參數(shù)有相對(duì)介電常數(shù)和損耗因子[6]。相對(duì)介電常數(shù)是表征介質(zhì)材料的介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的物理參數(shù)，該值也是材料貯電能力的表征[7-8]，與物質(zhì)的電容和它對(duì)電場(chǎng)能量的吸收能力有關(guān)[9]。介質(zhì)損耗是指絕緣材料在電場(chǎng)作用下，由介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗，把tanδ 稱為損耗因子ε″[10]。

基于電學(xué)特性的果實(shí)無損檢測(cè)研究近年來受到廣泛的關(guān)注[11]。例如，Nelson 等[12]對(duì)不同成熟階段桃子介電特性的研究發(fā)現(xiàn)，200 MHz 下的相對(duì)介電常數(shù)和10 GHz 下的損耗因子可應(yīng)用于桃子成熟度的識(shí)別。張立彬等[5]對(duì)秦冠蘋果的研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)念l率范圍，介電常數(shù)與蘋果的腐爛程度有較好的相關(guān)性，認(rèn)為介電常數(shù)可用于評(píng)價(jià)蘋果的內(nèi)部品質(zhì)。國內(nèi)外在利用介電特性檢測(cè)蘋果機(jī)械損傷方面開展了一些研究工作[13]。唐燕等[14]對(duì)跌落碰傷獼猴桃的電特性的分析發(fā)現(xiàn)，受傷果品的電參數(shù)與無傷果品明顯不同。這些研究都針對(duì)果品受傷前、后的電參數(shù)變化展開。

果品在靜壓過程中介電參數(shù)的變化有可能間接反映其生理生化狀態(tài)，有必要對(duì)其靜壓過程電學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究。有研究表明，靜壓損傷的破壞部位多發(fā)生在接觸區(qū)域[15]，可用靜壓作用力大小及作用時(shí)間來描述果品所受的靜壓損傷程度[16]。靜壓過程中會(huì)形成以黏彈性變形為主的延遲損傷[17]，損傷程度與靜壓時(shí)間緊密相關(guān)。本研究對(duì)蘋果施加不同靜壓力，在受力過程中同步檢測(cè)其介電特性和電阻抗圖譜的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

樣品采自甘肅省靜寧縣，在果實(shí)成熟階段選取樹齡、生長情況接近的紅富士采摘，靜置48 h后裝箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，4 ℃冷藏。試驗(yàn)前12 h 取出，常溫靜置，精選大小均一、成熟度好、色澤接近、無機(jī)械損傷的果實(shí)待用，樣品直徑74.69～81.03 mm，粒重176.06～213.94 g。

精密LCR 數(shù)字電橋（TH2828A 型），常州同惠電子股份有限公司；電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT-2502型），深圳新三思計(jì)量技術(shù)公司；電子天平（AUX-220 型），島津 （中國） 有限公司；游標(biāo)卡尺（02050123-1 型），無錫錫工量具有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 靜壓力的施加 采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)果實(shí)施加靜壓力。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紅富士在受靜壓作用時(shí)，其極限受壓力（使表皮破裂）在450～480 N 之間。將果品沿赤道方向置于平行板電極之間，以2 mm/min 的速率壓縮蘋果，待力達(dá)到50，100，150，200 N 時(shí)，設(shè)置力保持12 h，分別在0，0.5 h 和1～12 h 整數(shù)小時(shí)測(cè)試不同壓力下蘋果的介電參數(shù)和電阻抗圖譜（Cole-Cole 圖）。

1.2.2 介電參數(shù)測(cè)試 介電參數(shù)測(cè)定采用平行板電極法[18]：平行板電極為厚1 mm、直徑85 mm 的兩塊圓形紫銅片，將銅電極圓心位置與精密LCR數(shù)字電橋通過四終端夾具（儀器自帶）連接。輸出頻率選擇200 Hz～1 MHz 之間的38 個(gè)頻率點(diǎn)。按照馬海軍[19]的研究工作，對(duì)蘋果損傷檢測(cè)的最佳區(qū)分頻率為10 kHz，試驗(yàn)中電容和損耗因子以10 kHz 的電參數(shù)為參考。測(cè)試期間平均室溫（22±1）℃。

1.2.3 電阻抗圖譜測(cè)量 電阻抗圖譜測(cè)量參照李星恕等[20]的方法并稍作修改。電阻抗測(cè)量系統(tǒng)由LCR 測(cè)試儀、直徑為0.7 mm 不銹鋼針狀電極和PC 機(jī)組成。測(cè)量時(shí)，將2 個(gè)不銹鋼針狀電極垂直于蘋果果皮表面插入，電極間距30 mm，深度15 mm。測(cè)試過程先將LCR 數(shù)字電橋與平行板電極系統(tǒng)連接測(cè)定介電參數(shù)，然后與不銹鋼針狀電極連接測(cè)試電阻抗圖譜。萬能試驗(yàn)機(jī)和LCR 數(shù)字電橋由同一計(jì)算機(jī)控制，結(jié)果自動(dòng)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 果品靜壓及介電參數(shù)、阻抗圖譜測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 The schematic diagram of fruit static pressure，electrical parameters and electrical impedance spectroscopy testing system

1.3 數(shù)據(jù)的處理及分析

1.3.1 相對(duì)介電常數(shù)和損耗因子的計(jì)算 試驗(yàn)中相對(duì)介電常數(shù)等于以預(yù)測(cè)材料為介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制成的同尺寸電容器電容量之比，即εr=C/C0，而損耗因子是以損耗角正切tanδ 來表示。相對(duì)介電常數(shù)和損耗因子均以果品受不同靜壓力時(shí)的實(shí)際板間距計(jì)算得出，即消除了因果品的個(gè)體差異和受壓變形引起的幾何尺寸差異的影響。

1.3.2 胞內(nèi)、胞外電阻和細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算 蘋果受壓過程中細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的變化，阻抗圖譜亦會(huì)發(fā)生變化。Hayden 模型[21]可用于分析因細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)引起的阻抗變化。蘋果組織的總電阻抗Z：

式中：Z——蘋果組織電阻抗，Ω；Z′——電阻抗實(shí)部，Ω；Z″——電阻抗虛部，Ω；Zm—— 一具有常相位角的常相位元件；Re——胞外電阻，Ω；Ri——胞內(nèi)電阻，Ω。利用非線性最小二乘法擬合計(jì)算Hayden 模型中的胞外電阻Re和胞內(nèi)電阻Ri[22]。利用擬合得到的胞外電阻Re和胞內(nèi)電阻Ri，按照（2）式計(jì)算靜壓過程中細(xì)胞內(nèi)外液的體積比[23]。

式中：Vi/Ve——蘋果組織細(xì)胞內(nèi)、外液的體積比率。由細(xì)胞內(nèi)、外液的體積百分比之和為1，進(jìn)而可計(jì)算細(xì)胞外液體積占細(xì)胞液的百分比（簡稱細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)）。

1.3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 不同靜壓力下蘋果介電參數(shù)和電阻抗圖譜以每組3 個(gè)蘋果的平均值作為該組測(cè)試結(jié)果，全部測(cè)試過程重復(fù)5 次。數(shù)據(jù)處理采用Matlab2015 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 蘋果受壓過程的介電參數(shù)變化

圖2a 顯示50，100，150N 和200 N 4 個(gè)靜壓力下，蘋果相對(duì)介電常數(shù)隨靜壓時(shí)間的變化情況。隨著靜壓力的增大，果實(shí)相對(duì)介電常數(shù)增大。在同一個(gè)靜壓力下，隨著靜壓時(shí)間的延長其相對(duì)介電常數(shù)增大。圖2b 顯示其在相鄰時(shí)間點(diǎn)的相對(duì)變化率（介電常數(shù)的相對(duì)變化量除以時(shí)間），靜壓0.5 h時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)較0 h 平均增大25.72%；靜壓1h≤t≤3h，其相對(duì)介電常數(shù)平均增大4.60%；靜壓4h≤t≤12h，其相對(duì)介電常數(shù)平均增大0.99%。

圖2 蘋果受壓過程中相對(duì)介電常數(shù)（a）及其相對(duì)變化率（b）Fig.2 The change rate of relative dielectric constant （a） and the relative variance of relative dielectric constant （b）of apples in pressure

圖3a 顯示不同靜壓力下，蘋果損耗因子隨靜壓時(shí)間的變化情況。隨著靜壓力的增大果實(shí)損耗因子增大。在同一個(gè)靜壓力下，隨著靜壓時(shí)間的延長，其損耗因子增大。圖3b 顯示其相對(duì)變化率，靜壓0.5 h，其損耗因子較0h 平均增大30.66%；靜壓1h≤t≤3h，其損耗因子平均增大3.88%；靜壓4h≤t≤12h，其損耗因子平均增大0.34%。對(duì)靜壓0.5 h 內(nèi)兩個(gè)介電參數(shù)的變化情況的分析表明，靜壓力較小時(shí)其介電參數(shù)變化量較大，這與果實(shí)被施加較小靜壓力時(shí)，其內(nèi)部生理狀態(tài)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定需要更長的時(shí)間有關(guān)。靜壓力越小時(shí)其介電參數(shù)變化量反而越大。

圖3 蘋果受壓過程中損耗因子及其相對(duì)變化率Fig.3 The change rate of loss factor （a） and the relative variance of loss factor （b） of apples in pressure

2.2 蘋果受壓過程的電阻抗圖譜和胞內(nèi)胞外電阻變化

圖4顯示在靜壓力為150N 時(shí)，不同靜壓時(shí)間下蘋果的電阻抗譜圖（也稱Cole-Cole 圖），其橫坐標(biāo)表示其復(fù)阻抗的實(shí)部（電阻成分），縱坐標(biāo)為虛部（電抗成分）。其它靜壓力下的Cole-Cole圖與之類似，不再贅述。不同靜壓時(shí)間下果實(shí)的Cole-Cole 圖均為一段圓弧，符合生物組織的電學(xué)特征[24]。隨著靜壓時(shí)間的延長，果實(shí)的電阻和電抗在低頻時(shí)均減小，在高頻時(shí)基本重疊。

圖5顯示不同靜壓力下，蘋果胞外電阻、胞內(nèi)電阻隨靜壓時(shí)間的變化情況。在靜壓時(shí)間小于4 h 時(shí)其胞外電阻減小，靜壓時(shí)間大于4 h 時(shí)胞外電阻基本保持水平。胞內(nèi)電阻則隨著靜壓時(shí)間的延長而呈增大趨勢(shì)。

圖4 蘋果受壓過程中的Cole-Cole 圖Fig.4 The Cole-Cole plot of apples in pressure

圖5 蘋果受壓過程中的胞外電阻和胞內(nèi)電阻Fig.5 The extracellular resistance and intracellular resistance of apple in static pressure

2.3 蘋果受壓過程中細(xì)胞外液變化和介電參數(shù)關(guān)系分析

蘋果受壓過程中，其細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)變化如圖6所示。隨著靜壓時(shí)間的延長，蘋果細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)呈增大趨勢(shì)。靜壓0.5 h 時(shí)的細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)較0 h 平均增大10.23%，靜壓1h≤t≤3h 期間其細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)平均增大4.61%，靜壓4h≤t≤12h 期間其細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)平均增大0.49%。靜壓過程中，隨靜壓時(shí)間的延長細(xì)胞內(nèi)液不斷向細(xì)胞外滲透，即細(xì)胞內(nèi)液體積減小，細(xì)胞外液體積增大。靜壓力越大細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)越大。細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)與果蔬干燥過程的水分跨膜傳輸模型得到的結(jié)果相符[25]。

圖6 蘋果受壓過程中細(xì)胞外液體積百分比變化Fig.6 The changes of volume percent of extracellular fluid in static pressure

分析蘋果受壓過程中，果實(shí)細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)和相對(duì)介電常數(shù)、損耗因子之間的關(guān)系，表1列出二者間的相關(guān)系數(shù)和差異顯著性檢驗(yàn)結(jié)果。由表1可知，相對(duì)介電常數(shù)、損耗因子與細(xì)胞外液體積百分比間均呈極顯著相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)r＞0.9。細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)與相對(duì)介電常數(shù)、損耗因子間的高度相關(guān)，說明細(xì)胞外液的體積變化是引起果品介電參數(shù)變化的主要原因，這與生物組織的阻抗值在低頻時(shí)主要表現(xiàn)為胞外電阻有關(guān)[22]。

表1 蘋果介電參數(shù)與細(xì)胞外液體積百分比間的相關(guān)性分析Table 1 P value and correlation coefficient r between the dielectric parameters and the volume percentage of extracellular fluid in Apple

在靜壓過程中，蘋果介電參數(shù)與細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)的變化具有相似性，都表現(xiàn)為初始階段的快速變化和一定時(shí)間后的基本穩(wěn)定。依據(jù)細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)與介電特性的高度相關(guān)，可將蘋果在靜壓過程中的理化品質(zhì)和生理狀態(tài)變化分為3 個(gè)階段：在靜壓t≤0.5h 階段，靜壓0.5 h 時(shí)的介電參數(shù)較0 h 時(shí)平均變化率為28.19%/h，說明此階段其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)發(fā)生較大的變化，可將此階段稱為躍變階段；在靜壓1h≤t≤3h 階段，其介電參數(shù)平均變化率為4.24%/h，變化較0.5 h 時(shí)趨緩，說明此階段其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)變化亦趨緩，可將此階段稱為漸變階段；在靜壓4h≤t≤12h 階段，其介電參數(shù)平均變化率為0.67%/h，隨著靜壓時(shí)間的延長其電學(xué)參數(shù)基本保持穩(wěn)定，說明此階段其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)亦趨于穩(wěn)定，可將此階段稱為穩(wěn)定階段。郭文川等[26]以富士蘋果為對(duì)象進(jìn)行撞擊和靜壓損傷試驗(yàn)，對(duì)其傷后貯藏過程中電學(xué)參數(shù)的變化情況的研究表明：在蘋果發(fā)生損傷后0.5 h 內(nèi)，其介電參數(shù)值急劇變化，3 h 后趨于穩(wěn)定。與之不同的是，本試驗(yàn)是對(duì)果品施加靜壓力的過程中同步監(jiān)測(cè)其電學(xué)參數(shù)的變化情況，而郭文川等[26]的研究是在果品傷后常溫貯藏期間進(jìn)行。兩個(gè)試驗(yàn)都表明損傷刺激對(duì)果品電學(xué)參數(shù)的影響在刺激瞬間尤其明顯，隨著刺激后時(shí)間的延長，電學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定。

在果蔬流變學(xué)研究領(lǐng)域，美國學(xué)者W.Bajema[27]將生物學(xué)與流變學(xué)有機(jī)結(jié)合起來，建立了隨時(shí)間變化的植物細(xì)胞微觀結(jié)構(gòu)和流變學(xué)特性變化的相關(guān)關(guān)系，指出流變特性參數(shù)隨細(xì)胞膨壓的變化而變化。蘋果靜壓過程中，細(xì)胞內(nèi)由液泡產(chǎn)生的對(duì)細(xì)胞壁的靜壓力和細(xì)胞壁自身的彈性，使其具有明顯的黏彈性。不同的靜壓力及靜壓時(shí)間使果品流變特性參數(shù)發(fā)生變化，意味著其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)亦隨之發(fā)生變化。

本研究通過平行板電極法研究了靜壓過程中蘋果介電參數(shù)的變化情況，通過針狀電極法研究了靜壓過程中蘋果的電阻抗圖譜變化情況，利用電阻抗圖譜計(jì)算胞外、胞內(nèi)電阻，進(jìn)而分析細(xì)胞內(nèi)外液的變化。最后，對(duì)兩個(gè)介電參數(shù)與細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)之間的差異顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)分析表明：二者高度相關(guān)，可通過靜壓過程中介電參數(shù)的變化間接反映其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)的變化。本研究為果品靜壓過程中理化品質(zhì)和生理狀態(tài)的同步監(jiān)測(cè)研究提供新思路，也為采用介電特性法快速評(píng)價(jià)其受傷程度提供理論指導(dǎo)。

3 結(jié)論

蘋果果實(shí)的介電參數(shù)與其所受的靜壓力和靜壓時(shí)間都有關(guān)系。隨靜壓作用力的增大，其相對(duì)介電常數(shù)、損耗因數(shù)增大。同一個(gè)靜壓力下，隨靜壓時(shí)間的延長，蘋果相對(duì)介電常數(shù)、損耗因數(shù)增大。在靜壓過程中，其細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)增大，且靜壓力越大細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)越大。

蘋果果實(shí)受壓過程中，細(xì)胞外液體積分?jǐn)?shù)與介電參數(shù)高度相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r＞0.9），可通過介電參數(shù)的變化間接反映其理化品質(zhì)和生理狀態(tài)的變化。按照蘋果介電參數(shù)的變化，可將靜壓過程成3個(gè)階段：t≤0.5h 可稱為躍變階段，此階段介電參數(shù)平均變化率為28.19%；1h≤t≤3h 可稱為漸變階段，此階段介電參數(shù)平均變化率為4.24%；4h≤t≤12h 可稱為穩(wěn)定階段，此階段介電參數(shù)平均變化率為0.67%/h，基本保持穩(wěn)定。