基于介電特性的獼猴桃和桃果實品種識別研究

唐 燕，張繼澍*

(西北農林科技大學生命科學學院，陜西 楊凌 712100)

基于介電特性的獼猴桃和桃果實品種識別研究

唐 燕，張繼澍*

(西北農林科技大學生命科學學院，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，探討利用果實電學特性進行種類品種識別實驗的可行性，測定果實采收當日在電激頻率0.1kHz～5MHz范圍內24個頻率下的7個電參數(復阻抗Z、并聯等效電感Lp、損耗系數D、阻抗相角θ、串聯等效電阻Rs、電導G、并聯等效電容Cp)變化。結果表明：獼猴桃和桃果實的lgZ和lgLp與lgf均有很好的線性關系，R2大于0.95。在100Hz～1.58kHz的電激勵頻率范圍內，可用D值來區分獼猴桃和桃果實。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內，可用θ值和Rs值區分獼猴桃和桃果實。在100Hz～100kHz的頻率范圍內，可用G值來區分獼猴桃和桃果實。在15.8～100kHz頻率范圍內，可用Z來區分海沃德獼猴桃、秦美獼猴桃、秦王桃、秦光2號油桃果實。在100Hz～158kHz頻率范圍內，可用Cp來區分獼猴桃和桃兩個種類及不同品種果實。

獼猴桃；桃；電特性；敏感電參數

水果作為生物體由生物組織構成，從微觀結構角度觀察，其內部存在無數個帶點粒子形成生物電場，水果在其生長、成熟、受損及腐敗變質過程中的生物化學反應將伴隨物質和能量的轉換，導致生物組織內各類化學物質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度，從宏觀上影響水果的電特性。因而果實的介電特性與其結構、組成成分和品質等存在必然的聯系。

秦美獼猴桃是陜西省獼猴桃生產的主栽品種，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生選種，選育出晚熟耐貯運桃新品種[2]。

果實介電特性研究起步較晚，國外從20世紀60年代開始，國內從20世紀90年代開始對果品電學特性進行了研究。近些年國內開展相關研究不斷的增多。有關于果品種類識別的研究[3-4]，有果實成熟度[5]、損傷[6-7]及病果[8-9]對電特性影響的研究，還有果實電特性和生理特性[10]或品質特性[11]關系的研究。 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，但研究的電參數種類少(僅電容和損耗角正切)。關于不同獼猴桃品種和不同桃品種之間用電特性進行識別的研究未見報道。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，測定了果實采收當日在電激頻率0.1kHz～5MHz范圍內24個頻率下的7個電參數(復阻抗Z、并聯等效電感Lp、損耗系數D、阻抗相角θ、串聯等效電阻Rs、電導G、并聯等效電容Cp)變化，旨在為利用果實電特性進行果實種類品種識別提供依據。

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業高新示范區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 電學指標測定

實驗采用平行板電極系統在線無損檢測，測試儀器為日本日置3532-50 LCR測試儀，測試頻率范圍42Hz～5MHz，實測頻率24個點(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[8]。不同品種果實各隨機取20個，每個果實重復測定3次，測定復阻抗(Z)、并聯等效電容(Cp)、并聯等效電感(Lp)、損耗系數(D)、電導(G)、阻抗相角(θ)、串聯等效電阻(Rs)的變化。

1.3 數據處理

實驗數據采用SPSS統計數據軟件處理，t檢驗法(α=0.05)對相關指標進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 獼猴桃和桃果實電參數復阻抗(Z)和并聯等效電感(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動而發生取向變化。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。極化的減小表現在Z隨頻率的增大而減小。

由于獼猴桃和桃果實電參數Z和Lp隨頻率呈三次函數下降的規律變化，數值隨頻率變幅太大。為了便于觀察不同種類果實的電參數差異，將果實的Z、Lp值和頻率分別取對數后作圖。

圖1 4種果實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lgZ和lgLp與lgf均有很好的線性關系，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Z值下降的比較快，但在251kHz～3.98MHz之間，果實Z值下降的比較平緩。在各頻率下，電參數Z和Lp值呈現海沃德獼猴桃＞秦美獼猴桃＞秦王桃＞秦光2號桃的規律變化。在同一頻率下，各品種之間果實Z值在15.8～100kHz頻段內差異都達到顯著水平(P＜0.05)。所以在此頻率范圍內電參數Z可作為區分兩類及不同品種果實的特征參數。

2.2 獼猴桃和桃損耗系數(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，兩種桃果實的D值都顯著高于兩種獼猴桃果實的D值(P＜0.05)。兩種獼猴桃隨頻率的變化規律相似，在100Hz～39.8kHz的頻率范圍內呈線性下降，之后呈單峰曲線變化。θ值隨頻率升高先呈下降變化到達谷底后又有所回升。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內，兩種桃果實的θ值都顯著高于兩種獼猴桃果實的θ值(P＜0.05)。

2.3 獼猴桃和桃串聯等效電阻(Rs)和電導(G)的變化

圖3 4種果實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，呈現三次函數下降變化關系。在100Hz～25.1kHz的頻率范圍內，兩種獼猴桃和兩種桃果實的lgRs隨lgf的增大都呈現線性下降變化，之后呈不規則變化。在24個電激勵頻率點所覆蓋的頻率范圍內，獼猴桃品種海沃德的Rs值都大于秦美。100Hz～1MHz的頻率范圍內，秦王桃的Rs值都大于秦光2號桃。當電激頻率在1～3.98MHz的頻率范圍內，秦光2號桃的Rs大于秦王桃。在100Hz～6.31kHz的頻率范圍內，獼猴桃和桃之間都能很好的區分(P＜0.05)。G值隨頻率的增加呈上升趨勢，呈指數函數變化關系。在100Hz～100kHz的頻率范圍內，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，4類果品的lgG隨lgf的增大都呈現線性上升變化，之后呈不規律變化。獼猴桃兩個品種之間和桃兩個品種之間的G值不能區分開來。

2.4 獼猴桃和桃果實并聯等效電容(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，當導體之間有了介質，則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上，從而造成了電荷的累積儲存。

圖4 4種果實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，桃果實的Cp值高于獼猴桃果實。其中秦光2號桃的Cp值高于秦王桃果實，秦美的Cp值高于海沃德果實的Cp值。在100Hz～158kHz頻率范圍內，4個品種果實之間都能很好區分，差異達極顯著水平(P＜0.01)。

3 討 論

本研究結果表明，檢測頻率的高低對果實電參數有明顯影響。在100Hz～3.98MHz 范圍內隨著頻率的增加，獼猴桃(海沃德、秦美)、桃(秦王、秦光2號桃)果實的復阻抗(Z)和并聯等效電感(Lp)不斷減少。這一結論與葉齊政等[12]對番茄、芒果及周永洪等[13]對柿子的研究結果相似。這說明雖然果實的種類不同，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。當頻率由低頻逐漸轉向高頻時果實內部分子極化程度就會發生改變，極化類型也就會隨之變化，從而表現為電學指標的改變。董怡為[15]認為：隨電激勵頻率的增大，電阻的減小是由細胞組織的不均勻引起的。由于細胞膜的電阻和電容量很大，使得在低頻情況下，電流只在細胞外液流過，此時，電阻非常大。隨著頻率增高，細胞膜(細胞壁)間的電容量大，細胞內液中也有電流流過，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]。本實驗所選的4種果品不同電參數都受到頻率的顯著影響。郭文川等[11]以銀鳳桃為實驗對象，測試了10～4500MHz桃肉和桃汁的介電特性，結果表明，隨著頻率的增大，桃肉和桃汁的相對介電常數()隨著頻率的增大單調減小，而呈現V型的變化局勢，其最小值出現在1000MHz左右。郭文川等[4]對兩種蘋果品種的電參數比較得知，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分兩蘋果品種。郭文川等[3]根據其測試結果，以2.4V和0.2V下損耗角正切的差值可作為評判果品種類指標。 當Δtanδ2.4V＞0.12時，被測果品為蘋果；當0.07≤Δtanδ2.4V≤0.12時，被測果品為梨；當Δtanδ2.4V＜0.07時，被測果品為獼猴桃。本實驗所選的4種果品針對獼猴桃兩品種和桃兩個品種果實的7個電參數Z、Lp、Rs、D、θ、G和Cp進行了比較，結果表明， 在15.8～100kHz頻率范圍內，可用Z作為區分4類果品的特征參數。在100Hz～158kHz頻率范圍內，4個品種果實的Cp值之間的差異達顯著水平，可用Cp來區分。

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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

國家自然科學基金項目(30471001)

唐燕(1977—)，女，講師，博士，主要從事果實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，主要從事采后果實衰老機理及其調控研究。

E-mail：jishu@nwsuaf.edu.cn