不同等級蘭州百合的電學特性

邊紅霞，屠 鵬，張小平

(甘肅農業大學理學院，甘肅 蘭州 730070)

蘭州百合鱗莖碩大，顏色潔白，營養豐富，且有很高的食用、藥用、保健和觀賞價值，以名菜、良藥名甲天下，它不僅是中國百合中的上品，而且是中國甜百合中的佼佼者[1-4]。為促進蘭州百合產業化更快發展，蘭州市政府已出臺分級定價等一系列辦法，現有的蘭州百合分級標準主要從外部形態和內部成分方面區分，存在人力成本高、檢測時間長等缺點。食品物性學已成為食品科學研究和食品工業發展必要的研究領域，包括力學性質、光學性質、熱學性質和電學性質等[5]，其中電特性法因其方便快捷的特點越來越受到重視。關于果品成熟度和新鮮度對電特性影響的研究較多[6-11]，而關于蘭州百合電特性的研究較少，本實驗對不同等級的百合測定其電學特性，期望通過電特性的測定為百合等級的分類提供依據。

1 材料與方法

百合：產自蘭州市西果園，采摘當天運回實驗室采用保鮮袋封存于冰箱內冷藏，第2天實驗前3h取出。不同等級百合的分選采用2002年蘭州市發布的《蘭州百合品種標準》(DB62/T 410—2002)進行，所選用的不同等級百合基本參數如表1所示。

表1 不同等級蘭州百合基本參數Table 1 Parameters of different grades of Lilium davidii var.unicolor

電特性參數的測定采用同惠TH2828A型LCR測試儀，挑選百合第3層葉片清洗晾干后水平置于自制的平行板電容器之間，電容器極板與LCR測試儀連接采用儀器自帶的TH26011B夾具。平行板電容器極板采用薄鐵皮自制(尺寸與百合葉片尺寸相近)，極板厚0.60mm、長30.38mm、寬15.06mm。測試前對LCR測試儀進行開路和短路校準，直流無偏置，測試電平1.00V，信號源輸出阻抗30.00Ω，平均次數3次，測試頻率(f)為50Hz～1MHz之間的44個頻率點。

2 結果與分析

對不同等級的百合進行復阻抗(Z)、相對介電常數(ε’)、并聯等效電容(Cp)、并聯等效電感(Lp)、相位角(θ)、品質因數(Q)、損耗因子(D)和電導(G)等參數的測定。分析發現，不同參數與百合等級的規律性關聯不同，所以將測試參數分為與百合等級有直接關系參數和與百合等級無關系參數兩類。

2.1 直接關系參數

2.1.1 不同頻率下百合等級與復阻抗之間的關系

圖1 不同等級百合頻率-復阻抗變化規律Fig.1 Relationship between equivalent impedance valve of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

復阻抗(Z)是指由電阻、電容和電感組成的生物體等效復合電路中電阻與電抗的總和，，式中：R表示電阻，X表示電抗。由圖1可知，在50～1200Hz范圍內隨著頻率的增加，復阻抗變化不大。在1.2kHz～1MHz范圍內隨著頻率的增加，百合復阻抗呈下降趨勢，且頻率在1.2kHz～1MHz范圍內變化時，lg|Z|與lgf之間呈明顯的線性關系，這與馬海軍等[12]在100Hz～3.98MHz條件下對蘋果電特性參數測定所得結論是一致的。百合葉片復阻抗的模|Z|與等級之間有很強的相關性，同一頻率下隨著百合等級的提高，其復阻抗的模|Z|呈下降趨勢，且有|Z|一級＜|Z|二級＜|Z|三級＜|Z|三級以下。表2給出了在1.2kHz～1MHz頻率范圍內不同等級百合1g|Z|－1gf線性擬合方程。

表2 1.2kHz～1MHz頻率條件下不同等級百合1g|Z|－lgf線性擬合方程Table 2 lgZ－lgf liner relationship of different grades of Lilium davidii var.unicolor in the range of 1200 Hz–1 MHz

2.1.2 不同頻率下百合等級與相對介電常數之間的關系

相對介電常數是電介質固有的一種物理屬性，表示物料貯存的電場能量，反映該物料提高電路模型電容器電容量的能力。通常利用LCR測量儀測出電容器在裝填物料前空電容器的電容C0和裝有物料時的電容Cs兩個參數，則相對介電常數(ε’)的計算公式為ε’=C0/Cs。由圖2可知，在測定頻率范圍內隨著加載頻率的增加，百合相對介電常數呈減小趨勢，百合葉片相對介電常數與等級之間有很強的相關性，同一頻率下隨著百合等級的提高，其相對介電常數呈增大趨勢，且有ε’一級＞ε’二級＞ε’三級＞ε’三級以下。

圖2 不同等級百合頻率-相對介電常數變化規律Fig.2 Correlation between relative dielectric constant of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

2.1.3 不同頻率下百合等級與電導之間的關系

圖3 不同等級百合頻率-電導變化規律Fig.3 Correlation between electric conductance of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

電導是反映電介質傳輸電流能力強弱的參數，對于某一種導體而言電導指允許電流通過它的容易性的量度，是電阻的倒數，與生物體的電導率以及幾何形狀和尺寸有關。由圖3可知，在50～1200Hz范圍內隨著頻率的增加，電導變化不大。在1.2kHz～1MHz范圍內隨著頻率的增加，百合電導呈增大趨勢，百合葉片電導與等級之間有很強的相關性，同一頻率下隨著百合等級的提高，其電導呈增大趨勢，且有G一級＞G二級＞G三級＞G三級以下。

2.2 無關系參數

由圖4可知，在不同加載頻率下，百合等級與損耗因子(D)、品質因數(Q)、并聯等效電感(Lp)、相位角(θ)參數之間的關聯性不強，沒有表現出隨百合等級提高而遞增或者遞減的規律。

郭文川等[13]對不同成熟度西紅柿的介電特性進行了研究，發現在加載頻率一定時，隨著成熟度的提高，西紅柿的相對介電常數增大，復阻抗減小。在4kHz～150kHz的頻段內，隨著加載頻率的增大，復阻抗減小，相對介電常數略有減小。本研究對百合的研究也發現了類似的結論，在同一加載頻率下隨百合等級的提高，相對介電常數增大，復阻抗減小，且在加載頻率范圍內隨頻率的增大復阻抗和相對介電常數均減小。陳志遠等[14]在500kHz～5MHz的頻率范圍內對不同成熟度番茄電特性的研究也具有相同的規律，即隨番茄成熟度的增加，果實的復阻抗值逐漸減小，而其相對介電常數值持續增加。由此可見，復阻抗和相對介電常數可作為判斷農產品等級或成熟度的指示參數。

圖4 無關系參數變化規律圖Fig.4 Change of non-relevance parameters in different grades of Lilium davidii var.unicolor as the change of frequency

Feng等[15]在915MHz～2.45GHz的微波頻率范圍內研究了介電常數和損耗因子隨蘋果含水率的變化，發現當含水率處于高水平時(大于70%)，自由水和離子導電是影響蘋果電特性變化的主要因素；當含水率適中時(23%)，則離子導電起主要作用；當含水量處于低水平時(4%)，束縛水起著主要作用。Nelson等[16-19]在射頻與微波頻率范圍內對果實的電特性深入研究發現：果實的介電常數基本上隨著頻率的升高而穩定地下降，而損耗系數則隨頻率的增加呈起伏性變化；頻率較低時，各種果實和蔬菜組織樣品的介電特性主要受離子導電和束縛水的馳豫影響，頻率很高時，則主要受自由水的影響；在0.2～20GHz頻率范圍內測試了處于3個不同成熟度的梨組織樣品的電特性，同樣發現介電常數與成熟度相關。本研究工作所加載的頻率較低，且鮮百合的含水率較高(＞60%)[20]，所以影響蘭州百合電特性變化的因素主要為自由水和離子導電，不同等級蘭州百合生理指標存在一定的差異，導致了其電特性參數的不同。

隨著蘭州百合的規模化發展，品種混雜、退化的問題日趨嚴重，能夠符合市場要求的“牡丹頭”精品百合所占比例越來越小，大量“千字頭”劣質百合流入市場，以次充優，嚴重損害了蘭州百合的形象，造成市場萎縮，價格的大幅波動。所以對蘭州百合進行快速、準確地分級就成了一種必然要求。通過分析發現，通過百合復阻抗、相對介電常數和電導來評價其等級是可行的。同其他的無損檢測方法相比，電特性檢測方法能夠測定果蔬的綜合品質，同時由于其所用的檢測設備相對簡單，信號的采集和處理比較容易，因而電特性無損檢測方法具有廣闊的應用前景。

3 結 論

3.1 在50Hz～1MHz頻率范圍內，復阻抗、相對介電常數和電導可作為判斷百合等級的指示參數，并聯等效電感、相位角、品質因數和損耗因子等參數則與百合等級的關聯性規律不強。

3.2 在同一加載頻率下，隨百合等級的提高，其相對介電常數和電導增大，復阻抗減小。

3.3 隨加載頻率的增大，復阻抗和相對介電常數均減小，電導增加。

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