伽師瓜介電特性與其糖度的關系

黃新成+楚合營+劉朝霞+熊英

摘要：為了解伽師瓜的糖度及成熟度對其介電特性的影響，研究了在10 kHz射電頻率下不同成熟度樣品的損耗角正切值、品質因數(shù)等介電特性參數(shù)與糖度值的關系。考慮其個體重量不同等因素，引入單重正切值和單重品質因數(shù)作為評價伽師瓜介電特性的新指標，分析并指出了伽師瓜的糖度與重量及其單重正切值和單重品質因數(shù)的關系，并進一步探討了射電頻率對其單重正切值和單重品質因數(shù)的影響。

關鍵詞：伽師瓜；介電特性；糖度；無損檢測

中圖分類號：S666.52；S183 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）19-4622-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.030

Relationships between the Dielectric Property and the Brix of Jiashi Melon

HUANG Xin-chenga， CHU He-yinga， LIU Zhao-xiaa， Xiong yingb

（a. College of Mechanical and Electronic Engineering；

b. Key Laboratory of Modern Agricultural Engineering， Tarim University， Alar 843300， Xinjiang， China ）

Abstract： In order to investigate the influence of the Brix on the dielectric properties of the Jiashi melon， the loss tangent value， quality factor and other relative dielectric parameters of Jiashi melon with different maturity were studied at the radio frequency of 10 kHz. Considering the difference of the individual weight of Jiashi melon， the unit weight tangent value and unit weight quality factor were introduced as new indicators for evaluating the dielectric properties of them. The relationships between the unit weight tangent value and unit weight quality factor and the brix of Jiashi melon were analyzed subsequently. Further， the influences of radio frequencies on the unit weight tangent value and unit weight quality factor were discussed.

Key words： Jiashi melon； dielectric property； Brix； nondestructive testing

伽師瓜是新疆地區(qū)主要的瓜果品種之一，每年產量近百萬噸。隨著新疆瓜果業(yè)的發(fā)展，伽師瓜越來越多地走出新疆走向世界，成為全國乃至全世界消費者喜愛的瓜果之一。伴隨伽師瓜不斷走出新疆走向世界，新的問題成為影響瓜農收益的主要因素，例如瓜果品質的檢測及保鮮等，目前發(fā)展起來的瓜果品質無損檢測方法是一種非常有效的檢測手段，其中基于介電特性的無損檢測備受人們的關注，且已取得一定研究成果。研究發(fā)現(xiàn)影響瓜果品質的因素主要有含水率、成熟度及新鮮度等，這些主要因素與檢測的頻率[1-8]及溫度[2，3]有一定的相關性。在瓜果品質的介電特性與糖度的研究中也有進展[5，6，9-11]，相關研究發(fā)現(xiàn)樣品的介電特性和糖度——即可溶性固形物含量（SSC），具有很好的相關性——呈負相關的線性關系，而介質損耗因數(shù)與糖度呈正相關的線性關系，研究還發(fā)現(xiàn)樣品介質損耗因數(shù)的對數(shù)與檢測頻率的對數(shù)也表現(xiàn)為正相關的線性特征[6，9，10，12]。這些研究在揭示介電特性與果品內部品質的關系方面都有很大的指導意義。為此，以伽師瓜為研究對象，研究了完整的伽師瓜的射頻介電特性與果肉的糖度以及伽師瓜重量等參數(shù)之間的關系，旨在為伽師瓜品質的在線、快速檢測提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及儀器

測試材料為新疆伽師縣出產的伽師瓜，重量為2.55～5.06 kg，平均硬度為4 N/cm2，有效樣品容量為100個，其中成熟樣品60個，未成熟樣品40個。

測試所使用的介電常數(shù)測試儀器為同惠2817型LCR數(shù)字電橋，糖度檢測儀為京都電子KEM生產的RA-130型便攜式折光率儀，稱重儀器為ACS-30型電子計價秤。

1.2 試驗方法

同惠2817型LCR數(shù)字電橋檢測頻率為10 kHz，測試用電0.3 V，由于伽師瓜的幾何形狀為橢球形，選取伽師瓜長軸的兩端作為檢測介電常數(shù)測量點。對伽師瓜糖度的測量采用多點采集取平均值，分別選取伽師瓜果肉內深度不同的位置，共7個點進行測量。為了排除因樣品重量的不同而導致對結果的影響，引入了單重品質因數(shù)和單重正切值的概念，即單位重量樣品的品質因數(shù)和正切值，它們分別定義為：

σD=■，σQ=■

其中D和Q分別為樣品的正切值和品質因數(shù)，W為樣品的重量。測量了在10 kHz頻率下，不同樣品的糖度及單重品質因數(shù)和正切值并分析。同時為了分析不同射電頻率對樣品單重品質因數(shù)和正切值的影響，選擇0.10、0.12、1、10、100 kHz 5個射電頻率進行試驗。

2 結果與分析

2.1 伽師瓜成熟度與平均糖度的關系

圖1為單重耗散角正切σD和單重品質因素σQ與伽師瓜平均糖度（SSC）的關系。從圖1可以看出，未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以內，而成熟樣品的糖度都在10%以上，而兩者樣品的單重耗散角正切曲線在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%區(qū)間內變化較為劇烈，成熟樣品的單重正切值曲線存在一極小值，而未成熟樣品卻出現(xiàn)了一個極大值。

圖2為成熟與未成熟樣品的單重品質因數(shù)Q與平均糖度的關系。從圖2可以看出，處于成熟期的伽師瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的區(qū)間內，單重品質因素隨Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的區(qū)間范圍內，單重品質因素隨平均糖度Brix值的增大而減小，其單重品質因素與平均糖度的關系大致呈正態(tài)分布（在Brix為11.5%左右出現(xiàn)最大值），出現(xiàn)這種分布的原因可能在于，越趨于成熟的樣品其品質因素的變化越趨于穩(wěn)定，對于較重的樣品，其單重品質因素自然就越小，但其平均隨糖度Brix值的增大而減小；而未成熟的伽師瓜的單重品質因素隨平均糖度的變化程度比較劇烈，這可能是因為影響未成熟的伽師瓜的單重品質因素較多，如伽師瓜的大小、形狀及成熟度等，并且伽師瓜的平均糖度也可能因為生長環(huán)境不同而出現(xiàn)個體差異較大等問題。

2.2 伽師瓜單重品質因數(shù)和單重正切值與其平均糖度的關系

圖3為頻率10 kHz的單重正切值與平均糖度的關系。從圖3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的區(qū)間內，樣品的單重損耗角正切值隨Brix的增大而減小，而在11.5%～13.5%的區(qū)間內，則正好相反，極小值出現(xiàn)在11.5%附近。

圖4給出了伽師瓜單重品質因數(shù)與平均糖度的關系。從圖4可以看出，單重品質因數(shù)隨糖度Brix值的變化趨勢與圖3中的單重損耗角正切值的變化趨勢相反，但與單重損耗角正切值相同的是，在Brix值為11.5%附近，曲線也出現(xiàn)了極值。這些極值的出現(xiàn)很可能意味著11.5%這個Brix值或為樣品完全成熟的標志。

在圖3和圖4中，利用線性回歸的方法對成熟樣品的單重正切值和單重品質因數(shù)與平均糖度的關系進行了擬合，擬合結果顯示總體上成熟樣品的單重損耗角正切值隨平均糖度的增加而趨于減小，而其單重正切值卻隨平均糖度增加而有趨于增加。

2.3 射電頻率對伽師瓜介電常數(shù)的影響

圖5和圖6給出了近似相同大小和形狀的伽師瓜樣品在不同射電頻率下的單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)與頻率的依賴關系。從圖5和圖6可以看出，樣品的單重正切值隨頻率的增加而減小，對成熟樣品來說在相同的頻率條件下，其單重正切值要大于未成熟的樣品；樣品的單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重正切值相反，頻率越高，樣品的單重品質因數(shù)越大，從圖6還可以看到，在相同的頻率條件下，未成熟樣品的單重品質因數(shù)要大于成熟樣品的。

3 小結與討論

伽師瓜的射頻介電特性與其糖度的關系在其在線無損檢測方面有著重要和基礎性的應用。結果表明，成熟樣品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射電頻率下，伽師瓜的單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的變化并不是線性的，當Brix值小于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而減小，當Brix值大于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而增大，其單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重損耗角正切值的變化趨勢正好相反。單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)均在平均糖度Brix值為11.5%時出現(xiàn)極值，意味著11.5%的糖度值可能是伽師瓜完全成熟的衡量指標。研究還發(fā)現(xiàn)樣品的單重損耗角正切值隨射電頻率的增加而減小，而樣品的單重品質因數(shù)卻隨射電頻率的增加而增加，此外在相同的頻率條件下，成熟樣品的單重損耗角正切值要大于未成熟樣品的值，而其單重品質因數(shù)卻總體上要小于未成熟樣品的。

試驗研究了伽師瓜的糖度與其介電特性的關系，由于其介電特性與檢測的射電頻率有非常緊密的關系，試驗只選取了幾個相對較低的頻率點作為測量頻率，而關于伽師瓜的介電特性與高頻射電場的關系還需進一步探討。

參考文獻：

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[4] IKEDIALA J N， TANG J， DRAKE S R， et al. Dielectric properties of apple cultivars and codling moth larvae[J]. Transactions of the ASAE-American Society of Agricultural Engineers， 2000， 43（5）：1175-1184.

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[6] 郭文川，STUART O N， SAMIR T，等.蜜瓜和西瓜果汁的射頻介電特性及其與糖度的關系[J].農業(yè)工程學報，2008，24（5）：289-292.

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[8] 郭文川，朱新華，郭康權.采后蘋果電特性與生理特性的關系及其應用[J].農業(yè)工程學報，2005，21（7）：143-146.

[9] 唐 燕，杜光源，張繼澍.獼猴桃電特性與生理特性關系研究[J].農業(yè)機械學報，2012，43（3）：97-102.

[10] 唐 燕，杜光源，張繼澍.桃的介電特性和品質關系[J].食品科學，2012，33（9）：68-71.

[11] 安慧珍，馬惠玲，任小林.蘋果果實貯藏期間電學參數(shù)與品質指標的關系[J].食品科學，2013，34（2）：298-302.

[12] 郭文川，商 亮，王銘海，等.基于介電頻譜的采后蘋果可溶性固形物含量無損檢測[J].農業(yè)機械學報，2013，44（9）：132-137.

2 結果與分析

2.1 伽師瓜成熟度與平均糖度的關系

圖1為單重耗散角正切σD和單重品質因素σQ與伽師瓜平均糖度（SSC）的關系。從圖1可以看出，未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以內，而成熟樣品的糖度都在10%以上，而兩者樣品的單重耗散角正切曲線在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%區(qū)間內變化較為劇烈，成熟樣品的單重正切值曲線存在一極小值，而未成熟樣品卻出現(xiàn)了一個極大值。

圖2為成熟與未成熟樣品的單重品質因數(shù)Q與平均糖度的關系。從圖2可以看出，處于成熟期的伽師瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的區(qū)間內，單重品質因素隨Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的區(qū)間范圍內，單重品質因素隨平均糖度Brix值的增大而減小，其單重品質因素與平均糖度的關系大致呈正態(tài)分布（在Brix為11.5%左右出現(xiàn)最大值），出現(xiàn)這種分布的原因可能在于，越趨于成熟的樣品其品質因素的變化越趨于穩(wěn)定，對于較重的樣品，其單重品質因素自然就越小，但其平均隨糖度Brix值的增大而減小；而未成熟的伽師瓜的單重品質因素隨平均糖度的變化程度比較劇烈，這可能是因為影響未成熟的伽師瓜的單重品質因素較多，如伽師瓜的大小、形狀及成熟度等，并且伽師瓜的平均糖度也可能因為生長環(huán)境不同而出現(xiàn)個體差異較大等問題。

2.2 伽師瓜單重品質因數(shù)和單重正切值與其平均糖度的關系

圖3為頻率10 kHz的單重正切值與平均糖度的關系。從圖3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的區(qū)間內，樣品的單重損耗角正切值隨Brix的增大而減小，而在11.5%～13.5%的區(qū)間內，則正好相反，極小值出現(xiàn)在11.5%附近。

圖4給出了伽師瓜單重品質因數(shù)與平均糖度的關系。從圖4可以看出，單重品質因數(shù)隨糖度Brix值的變化趨勢與圖3中的單重損耗角正切值的變化趨勢相反，但與單重損耗角正切值相同的是，在Brix值為11.5%附近，曲線也出現(xiàn)了極值。這些極值的出現(xiàn)很可能意味著11.5%這個Brix值或為樣品完全成熟的標志。

在圖3和圖4中，利用線性回歸的方法對成熟樣品的單重正切值和單重品質因數(shù)與平均糖度的關系進行了擬合，擬合結果顯示總體上成熟樣品的單重損耗角正切值隨平均糖度的增加而趨于減小，而其單重正切值卻隨平均糖度增加而有趨于增加。

2.3 射電頻率對伽師瓜介電常數(shù)的影響

圖5和圖6給出了近似相同大小和形狀的伽師瓜樣品在不同射電頻率下的單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)與頻率的依賴關系。從圖5和圖6可以看出，樣品的單重正切值隨頻率的增加而減小，對成熟樣品來說在相同的頻率條件下，其單重正切值要大于未成熟的樣品；樣品的單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重正切值相反，頻率越高，樣品的單重品質因數(shù)越大，從圖6還可以看到，在相同的頻率條件下，未成熟樣品的單重品質因數(shù)要大于成熟樣品的。

3 小結與討論

伽師瓜的射頻介電特性與其糖度的關系在其在線無損檢測方面有著重要和基礎性的應用。結果表明，成熟樣品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射電頻率下，伽師瓜的單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的變化并不是線性的，當Brix值小于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而減小，當Brix值大于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而增大，其單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重損耗角正切值的變化趨勢正好相反。單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)均在平均糖度Brix值為11.5%時出現(xiàn)極值，意味著11.5%的糖度值可能是伽師瓜完全成熟的衡量指標。研究還發(fā)現(xiàn)樣品的單重損耗角正切值隨射電頻率的增加而減小，而樣品的單重品質因數(shù)卻隨射電頻率的增加而增加，此外在相同的頻率條件下，成熟樣品的單重損耗角正切值要大于未成熟樣品的值，而其單重品質因數(shù)卻總體上要小于未成熟樣品的。

試驗研究了伽師瓜的糖度與其介電特性的關系，由于其介電特性與檢測的射電頻率有非常緊密的關系，試驗只選取了幾個相對較低的頻率點作為測量頻率，而關于伽師瓜的介電特性與高頻射電場的關系還需進一步探討。

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[10] 唐 燕，杜光源，張繼澍.桃的介電特性和品質關系[J].食品科學，2012，33（9）：68-71.

[11] 安慧珍，馬惠玲，任小林.蘋果果實貯藏期間電學參數(shù)與品質指標的關系[J].食品科學，2013，34（2）：298-302.

[12] 郭文川，商 亮，王銘海，等.基于介電頻譜的采后蘋果可溶性固形物含量無損檢測[J].農業(yè)機械學報，2013，44（9）：132-137.

2 結果與分析

2.1 伽師瓜成熟度與平均糖度的關系

圖1為單重耗散角正切σD和單重品質因素σQ與伽師瓜平均糖度（SSC）的關系。從圖1可以看出，未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以內，而成熟樣品的糖度都在10%以上，而兩者樣品的單重耗散角正切曲線在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%區(qū)間內變化較為劇烈，成熟樣品的單重正切值曲線存在一極小值，而未成熟樣品卻出現(xiàn)了一個極大值。

圖2為成熟與未成熟樣品的單重品質因數(shù)Q與平均糖度的關系。從圖2可以看出，處于成熟期的伽師瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的區(qū)間內，單重品質因素隨Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的區(qū)間范圍內，單重品質因素隨平均糖度Brix值的增大而減小，其單重品質因素與平均糖度的關系大致呈正態(tài)分布（在Brix為11.5%左右出現(xiàn)最大值），出現(xiàn)這種分布的原因可能在于，越趨于成熟的樣品其品質因素的變化越趨于穩(wěn)定，對于較重的樣品，其單重品質因素自然就越小，但其平均隨糖度Brix值的增大而減小；而未成熟的伽師瓜的單重品質因素隨平均糖度的變化程度比較劇烈，這可能是因為影響未成熟的伽師瓜的單重品質因素較多，如伽師瓜的大小、形狀及成熟度等，并且伽師瓜的平均糖度也可能因為生長環(huán)境不同而出現(xiàn)個體差異較大等問題。

2.2 伽師瓜單重品質因數(shù)和單重正切值與其平均糖度的關系

圖3為頻率10 kHz的單重正切值與平均糖度的關系。從圖3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的區(qū)間內，樣品的單重損耗角正切值隨Brix的增大而減小，而在11.5%～13.5%的區(qū)間內，則正好相反，極小值出現(xiàn)在11.5%附近。

圖4給出了伽師瓜單重品質因數(shù)與平均糖度的關系。從圖4可以看出，單重品質因數(shù)隨糖度Brix值的變化趨勢與圖3中的單重損耗角正切值的變化趨勢相反，但與單重損耗角正切值相同的是，在Brix值為11.5%附近，曲線也出現(xiàn)了極值。這些極值的出現(xiàn)很可能意味著11.5%這個Brix值或為樣品完全成熟的標志。

在圖3和圖4中，利用線性回歸的方法對成熟樣品的單重正切值和單重品質因數(shù)與平均糖度的關系進行了擬合，擬合結果顯示總體上成熟樣品的單重損耗角正切值隨平均糖度的增加而趨于減小，而其單重正切值卻隨平均糖度增加而有趨于增加。

2.3 射電頻率對伽師瓜介電常數(shù)的影響

圖5和圖6給出了近似相同大小和形狀的伽師瓜樣品在不同射電頻率下的單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)與頻率的依賴關系。從圖5和圖6可以看出，樣品的單重正切值隨頻率的增加而減小，對成熟樣品來說在相同的頻率條件下，其單重正切值要大于未成熟的樣品；樣品的單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重正切值相反，頻率越高，樣品的單重品質因數(shù)越大，從圖6還可以看到，在相同的頻率條件下，未成熟樣品的單重品質因數(shù)要大于成熟樣品的。

3 小結與討論

伽師瓜的射頻介電特性與其糖度的關系在其在線無損檢測方面有著重要和基礎性的應用。結果表明，成熟樣品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟樣品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射電頻率下，伽師瓜的單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的變化并不是線性的，當Brix值小于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而減小，當Brix值大于11.5%時，單重損耗角正切值隨平均糖度Brix值的增大而增大，其單重品質因數(shù)的變化趨勢與單重損耗角正切值的變化趨勢正好相反。單重損耗角正切值和單重品質因數(shù)均在平均糖度Brix值為11.5%時出現(xiàn)極值，意味著11.5%的糖度值可能是伽師瓜完全成熟的衡量指標。研究還發(fā)現(xiàn)樣品的單重損耗角正切值隨射電頻率的增加而減小，而樣品的單重品質因數(shù)卻隨射電頻率的增加而增加，此外在相同的頻率條件下，成熟樣品的單重損耗角正切值要大于未成熟樣品的值，而其單重品質因數(shù)卻總體上要小于未成熟樣品的。

試驗研究了伽師瓜的糖度與其介電特性的關系，由于其介電特性與檢測的射電頻率有非常緊密的關系，試驗只選取了幾個相對較低的頻率點作為測量頻率，而關于伽師瓜的介電特性與高頻射電場的關系還需進一步探討。

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