跌落高度對紅地球葡萄介電特性的影響

邊紅霞，屠鵬

(甘肅農業大學理學院，甘肅 蘭州，730070)

果品在采收、包裝、裝卸、運輸、貯藏和銷售過程中都存在著靜載、擠壓、振動、碰撞、沖擊等載荷形式，形成以塑性或脆性破壞形式為主的現時損傷和以黏彈性變形為主的延遲損傷，即機械損傷［1］。機械損傷是導致果品采后損耗的主要原因之一，由其引起的平均損耗約占總重量的30 % ～40 %［2］。機械損傷會造成果實生理狀態的變化，電學特性與品質和生理狀態密切相關［3－4］，可以通過電學特性的測定來反應這些變化。目前，國內外利用介電特性檢測果蔬機械損傷方面的研究主要集中在一些抵抗能力較強的產品，其中最多的就是以蘋果作為研究對象［5－6］，但是針對大量易產生機械損傷的漿果類水果(如葡萄)的研究相對很少。紅地球葡萄又名紅提、晚紅，屬晚熟葡萄品種，色澤艷麗，外觀誘人，肉質肥厚，味甜爽口，品質極佳，其耐用性好，商品價值高。20 世紀70 年代由加州大學培育而成，1992 年開始在我國小面積栽培［7－8］。本文研究了從不同高度跌落紅地球葡萄的介電參數變化情況，期望為通過介電參數反映果蔬機械損傷程度。

1 材料與方法

試驗所用紅地球葡萄產自甘肅河西地區，采摘當天運回實驗室。精選大小均一、成熟度好、色澤接近的60 粒果實做為待測樣品，采用保鮮袋封存于冰箱內冷藏，第2 天試驗前取出靜置4 h。將待測樣品按每組15 粒分成4 組，試驗前測定其平均橫徑和平均粒重(見表1)，然后將單粒葡萄分別從80、120、160和200 cm 高度跌落至水泥地面。跌落后將其在自然條件下(測定時間為7 月底，平均氣溫27℃)貯藏3 d后，測定其電特性參數值。電特性參數的測定通過與LCR 測試儀(常州同惠TH2828A 型)連接的平行板電極系統進行，葡萄果實橫置于平行板電極之間且其赤道面與極板平行，電容器極板與LCR 測試儀采用儀器自帶的TH26011B 四終端夾具連接。平行板電容器極板采用薄鐵皮自制(尺寸與紅地球尺寸相近)，極板厚0.60 mm 長34.92 mm 寬22.72 mm。介電參數測測試前對LCR 測試儀進行開路和短路校準，直流無偏置，測試電平1.000V，信號源輸出阻抗100.00 歐，平均次數3 次，加載頻率為50HZ ～1MHZ之間的44 個頻率點。試驗對不同高度跌落的紅地球進行了復阻抗、并聯等效電容、品質因數、損耗因子和電導等參數的測定，測試參數可由TH2828A 型LCR測試儀直接讀出。

表1 不同高度跌落紅地球葡萄的基本參數Table 1 Parameters of red-globe grape in various fall heights

2 結果與分析

2.1 跌落高度對紅地球復阻抗的影響

由圖1 可知，在50Hz ～1MHz 內隨著頻率的增加，樣品復阻抗呈下降趨勢，且lg|Z|與lgf之間呈明顯的線性關系，這與張繼澍在100Hz ～3.98MHz 下對蘋果電特性參數測定［9］所得結論是一致的。表2 給出了在50Hz ～1MHz 頻率范圍內不同高度跌落紅地球lg|Z|-lgf線性擬合方程，擬合方程的截距和斜率絕對值隨跌落高度的增加呈先增大后減小的趨勢，且120 cm 跌落時截距和斜率絕對值均最大。在80 ～200 cm 的跌落高度內，隨跌落高度的增加其復阻抗的模|z|呈先增大后減小的趨勢，即|Z|80cm＜|Z|120cm＞|Z|160cm＞|Z|200cm，且120 cm 跌落時復阻抗的模最大。

圖1 不同高度跌落樣品的復阻抗隨頻率變化規律Fig.1 Change rules of equivalent impedance value on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

表2 50Hz ～1MHz 頻率下不同高度跌落紅地球lg|Z|-lgf 線性擬合方程Table 2 lg|Z|-lgf liner equation various fall heights red-globe grape in 50Hz ～1MHz

2.2 跌落高度對紅地球電導的影響

由圖2 可知，在50Hz ～1MHz 范圍內隨著頻率的增加，樣品電導值G 呈增大趨勢。在80 ～200 cm 的跌落高度范圍內，隨跌落高度的增加其電導G 呈先減小后增大的趨勢，即G80cm＞G120cm＜G160cm＜Z200cm，且120 cm 跌落時電導值最小。

2.3 跌落高度對紅地球損耗因子的影響

圖2 不同高度跌落樣品的電導隨頻率變化規律Fig.2 Change rules of electric conductance on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

圖3 不同高度跌落樣品的損耗因子隨頻率變化規律Fig.3 Change rules of loss factor on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

由圖3 可知，在50Hz ～1MHz 內隨著頻率的增加，樣品損耗因子D呈先減小后增大的趨勢。損耗因子約在25 kHz 時最小，這與在不同常溫貯藏時間下對紅地球葡萄測得的介電特性結論［10］是一致的。在80 ～200 cm 的跌落高度范圍內，隨跌落高度的增加其損耗因子D呈先減小后增大的趨勢，即D80cm＞D120cm＜D160cm＜D200cm，且120 cm 跌落時損耗因子最小。

2.4 跌落高度對紅地球等效電容的影響

由圖4 可知，在50Hz ～1MHz 內隨著頻率的增加，紅地球樣品并聯等效電容CP 呈減小的趨勢。在80 ～200 cm 的跌落高度范圍內，隨跌落高度的增加其并聯等效電容CP 呈先減小后增大的趨勢，即C80cm＞C120cm＜C160cm＜C200cm，且120 cm 跌落時并聯等效電容最小。

2.5 跌落高度對紅地球品質因數的影響

由圖5 可知，在50Hz ～1MHz 內隨著頻率的增加，樣品品質因數Q呈先增大后減小的趨勢。品質因數約在25kHz 時最小，這與在不同常溫貯藏時間下對紅地球葡萄測得的介電特性結論［10］是一致的。在80 ～200 cm 的跌落高度內，隨跌落高度的增加其品質因數Q值呈先增大后減小的趨勢，即Q80cm＜Q120cm＞Q160cm＞Q200cm，且120 cm 跌落時品質因數最大。

圖4 不同高度跌落樣品的并聯等效電容隨頻率變化規律Fig.4 Change rules of equivalent capacitance on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

圖5 不同高度跌落樣品的品質因數隨頻率變化規律Fig.5 Change rules of quality factor on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

3 分析

機械損傷會造成果實生理狀態的變化，電學特性與品質和生理狀態密切相關［11－12］，可以通過電學特性的測定來反應這些變化。唐燕［13］以獼猴桃為研究對象，經50 cm 高處自由落體碰傷處理，測定了果實的介電參數變化情況，發現復阻抗可作為區分其損傷與否的敏感電參數。在100 kHz 和251 kHz 2 個特征頻率下損耗系數可作為區分獼猴桃果實損傷與否的敏感電參數。果蔬電學特性的影響因子包括頻率、含水率、溫度、成熟度和有機組成等［14］。Nelson［15－16］等在射頻與微波頻率范圍內對果實的電特性深入研究發現: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。葡萄的主要化學成分是可溶性糖、有機酸、淀粉、纖維素、果膠、維生素和酶等，并且在成熟時果肉中含有大量水分，水分可分為自由水和束縛水，自由水比例較大。從不同高度跌落的紅地球葡萄所受到的機械損傷程度不同，跌落高度大于160 cm 時，葡萄表面出現了裂口，導致其在貯藏過程更容易損失這部分水分，而影響果實電學參數變化最主要的因素就是果實內部的自由水。試驗發現，導致葡萄表皮破裂的臨界高度在120 ～160 cm 左右，而從120 cm 高度跌落貯藏3 d 時紅地球葡萄復阻抗的模和品質因數值最大，電導、并聯等效電容和損耗因子值最小，說明葡萄的介電參數大小與跌落高度導致的果品破裂與否有關，可用介電參數的變化標志其損傷程度。此外，跌落高度對其貯藏期間的其它生理品質也會有影響，這也導致了其電特性參數的變化。

4 結論

(1)從同一高度跌落的紅地球葡萄，在50Hz ～1MHz 內，隨加載頻率的增加其復阻抗的模和并聯等效電容值呈減小趨勢，電導值呈增大趨勢，損耗因子呈先減小后增大、品質因數呈先增大后減小趨勢，且損耗因子和品質因數在25KHZ 時存在極值;

(2)在80 ～200 cm 的跌落高度內，隨跌落高度的增加紅地球葡萄復阻抗的模和品質因數呈先增大后減小的趨勢，電導、并聯等效電容和損耗因子呈先減小后增大的趨勢，且120 cm 跌落時其復阻抗的模和品質因數最大，電導、并聯等效電容和損耗因子最小;

(3)通過葡萄介電參數的變化可反映其所受到的機械損傷程度，且其介電特性與電場頻率有很強的相關性。

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