低頻電場作用下庫爾勒香梨電特性探討

唐玉榮 安 靜 劉文亮 李風娟 李 勇 蘭海鵬

(塔里木大學機械電氣化工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

庫爾勒香梨是新疆主產特色水果之一，以其翠嫩的果皮顏色、獨具特色的濃郁香氣、汁豐味美的特點馳名中外，享有“中華蜜梨”、“梨中珍品”的美譽。主要分布在巴州和阿克蘇地區,種植面積88. 31萬畝,年產量49萬噸，排在全疆林果產量第三位, 并且面積和產量還將持續增長。目前90%的產量銷往國內大中型城市，10%出口到美國、英國、澳大利亞等國際市場。目前香梨的采收時間的判定主要基于果農的生產經驗，采后分級主要以手工方式為主，這對香梨的果品價值產生一定的不良影響，使目前香梨處于一流的產品，二流的包裝，三流的價格的尷尬境地。

庫爾勒香梨果肉脆嫩，果皮較薄、果汁含量較其他梨種豐富，在眾多無損檢測技術中，較適合于基于電學特性的無損檢測手段。在果蔬電學特性研究方面，國內外學者做了大量的研究工作，研究對象主要集中于美洲核桃、椰子、豐水梨、蘋果、番茄、西瓜、板栗等農業物料，而研究方法主要有電容測量法、介電常數測量法、復阻抗測量法等[1-5]。研究可以得到如下的共性結論，即不同的果蔬對應的最優電學表達參數存在明顯的區別，且測量頻率對測量結果存在顯著影響[6-12]。而針對于庫爾勒香梨，本課題組對成熟期庫爾勒香梨的電學特性進行了初探，研究結論與前人的研究結論吻合，即測量頻率對測量結果影響顯著[13-14]，本文意在闡明低頻電場條件下香梨電學特征，該方面的研究國內外尚未見報道。

本研究為提高測量結果精度，屏蔽外界對測試結果的干擾，在低頻電場條件下選擇針刺法進行電學參數的測量，表述在該種條件下電學參數變化規律。研究結果可為基于電學特性的庫爾勒香梨無損檢測技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

香梨實驗樣品選擇：試驗香梨采于新疆阿拉爾市塔里木大學校園內的香梨園。樣品選擇形狀規則、無病蟲害、無機械損傷，采樣時間為2012年8月20日～2012年10月15日、2013年8月20日～2013年10月15日兩個時間段取平均值。

電學參數測量裝置：如圖1所示，夾持裝置采用兩個直徑為3. 5 mm的銅質探頭，探頭尖端錐角45度。測量刺入香梨的深度為15 mm，探頭間距為35 mm。

圖1 庫爾勒香梨電學參數測量裝置示意圖

1.2 試驗方法

低頻電場作用下香梨電學參數測量試驗：樣品香梨采收后放置于相對濕度為55%，溫度為25 ℃恒溫恒濕箱內12小時后取出，應用自制的香梨電學參數測量裝置進行電學參數測量實驗。

試驗設計方法：試驗采用常規因子試驗設計方法，試驗因素為測試電壓、測試頻率、采摘時間；考核指標為電感、品質因數、電容、損耗角正切值、電阻和阻抗。因素水平編碼見表1，考核指標見表2。

數據處理方法：應用SAS軟件和Excel軟件對所獲得的試驗數據進行處理分析，每組試驗均多次重復取平均值。

表1 因素水平編碼表

表2 檢測指標編碼表

1.3 儀器與設備

LCR數字電橋(TH2817，常州市同惠電子有限公司)、卡尺(0. 02 mm，桂林量具刃具廠)、恒溫恒濕箱(CTHI-150(A)B型，施都凱儀器設備有限公司)等 。

2 結果與分析

2.1 測試電壓、測試頻率和采摘時間對測量參數的影響

通過SAS軟件對試驗數據進行分析，結果表明在試驗參數范圍內，采摘時間對電感和電容影響顯著，對其他參數影響均不顯著，測試電壓對所有的測量參數影響均不顯著，而測試頻率對所有參數的影響均顯著。

表3 檢測指標顯著性水平編碼表

2.2 不同測試頻率下，采摘時間對電學參數的影響

圖2 測試電壓為0. 1 V時，不同頻率下成熟度與電感的關系

由圖2可以看出當測試電壓為0. 1 V時，當測試頻率小于等于1 kHz時，隨著采摘期的延長，香梨的電感逐漸增大，整體呈現S型的增長趨勢，當采摘時間為第24天以后逐漸趨于穩定。因為當測試頻率較小時，對于香梨細胞膜通透性的影響較小，細胞膜的通透能力主要表現為自身生理結構和成分的變化。隨著香梨的不斷成熟，香梨細胞膜的脂肪酸不飽和度下降，膜的流動性降低，同時細胞膜的磷脂含量下降，固醇含量增加，使膜更加剛性化，但在香梨的整個成熟期內，該種變化并不是以同一速率進行，而是在未熟期和過熟期變化較為平穩，在成熟期發生急劇的變化，該變化導致細胞內的電解質逐漸外滲，而香梨作為閉合回路中的一部分，對抗電流變化的能力逐漸增強，及容性逐漸減弱而感性逐漸增強，因此呈現如圖2(a)和(b)的變化趨勢。而當測試頻率大于等于10 kHz時，隨著采摘時間的延長，香梨的電感呈現無規則波動。因為當頻率較高時，過高的能量干預了細胞膜通透性的的正常生理調控功能，使細胞膜的通透性變得雜亂。

圖3 測試電壓為0. 1 V時，不同頻率下成熟度與電容的關系

由圖3可以看出當測試電壓為0. 1 V時，當測試頻率小于等于1 kHz時，隨著采摘期的延長，所采摘的香梨的電容逐漸減小，整體呈現反S型的減小趨勢，當采摘時間為第24天以后逐漸趨于穩定。因為當測試頻率較小時，對于香梨細胞膜通透性的影響較小，細胞膜的通透能力主要表現為自身生理結構和成分的變化。隨著香梨的不斷成熟，香梨細胞膜的脂肪酸不飽和度下降，膜的流動性降低，同時細胞膜的磷脂含量下降，固醇含量增加，是膜更加剛性化，但在香梨的整個成熟期內，該種變化并不是以同一速率進行，而是在未熟期和過熟期變化較為平穩，在成熟期發生急劇的變化，因細胞膜的生理調控能力逐漸變弱，電解質逐漸外滲，即對電荷的容納束縛能力逐漸變弱，所以呈現如圖3(a)和(b)的變化趨勢。當測試頻率大于等于10 kHz時，隨著采摘時間的延長，香梨的電容呈現無規則波動。因為當頻率較高時，過高的能量干預了細胞膜通透性的正常生理調控功能，使細胞膜的通透性變得雜亂。

3 結 論

在低頻電場作用下，采摘時間、測試頻率對電感和電容影響顯著；

當測試頻率≤1 kHz時，隨著香梨的逐漸成熟，電感逐漸增大，電容逐漸減小；

當測試頻率>1 kHz時，電感和電容變化皆呈現無規則狀態。

[1] Nelson S O.RF impedance sensing for moisture content in individual dates[J]. Transactions of the ASAE.2000，37(3):887 -891.

[2] Nelson SO，Guo W，Trabelsi S，et al.Dielectric properties of watermelons for quality sensing[J]. Measurement Science and Technology，2007，18(1887-1892.

[3] 蘭海鵬，唐玉榮，劉文亮，等.成熟期基庫爾勒香梨電學特性研究[J].農機化研究，2014，7：178-181.

[4] Guo W，Nelson S O，Trabelsi S，et al.10-1800-MHz dielectric properties of fresh apples during storage[J]. Journal of Food Engineering，2007，83(4):562-569.

[5] Wang S， Monzon M， Gazit Y，et al. Temperature dependent dielectric properties of selected subtropical and tropical fruits and associated insect pests [J]. Transactions of the ASAE， 2005， 48 (5): 1873-1881.

[6] Zhang L， Xu F， Ji S，et al. Principle and implementation of automatically nondestructive inspect ion system for apple internal quality based on dielectric property [J]. Transactions of the CSAE， 2001， 17 (1): 140-145.

[7] 張立彬，胥芳，周國君，等.蘋果的介電特性與新鮮度的關系研究[J]. 農業工程學報.1996，12(3):186-190.

[8] 張立彬，胥芳賈，燦純，等.蘋果內部品質的電特性無損檢測研究[J]. 農業工程學報，2000，16(3):104-105.

[9] 胥芳，張立彬，周國君，等.無損檢測桃子電特性的試驗研究[J].農業工程學報，1997，13(1):202-205.

[10] 郭文川，朱新華，郭康權.果品內在品質無損檢測技術的研究進展[J]. 農業工程學報，2001，17(5):1-5.

[11] 郭文川，郭康權，王乃信，等. 電激勵信號的頻率和電壓對果品電特性的影響[J]. 農業工程學報，2004，20(2):62-65.

[12] 郭文川，朱新華. 國外農產品及食品介電特性測量技術及應用[J]. 農業工程學報，2009，25 (2):308-312

[13] 唐玉榮，安靜，劉文亮，等. 庫爾勒香梨電學特性試驗研究[J]. 塔里木大學學報，2013，25 (2):43-47.

[14] 蘭海鵬，唐玉榮，安靜，等. 基于硬度和ssc的庫爾勒香梨成熟度評價方法研究[J]. 農機化研究，2013，(11):193-196.