基于介電特性預測蘋果的損傷體積

屠 鵬,邊紅霞

(甘肅農業大學理學院,甘肅蘭州 730070)

水果在采摘或運輸過程中往往會因受外力作用而發生機械損傷[1]。即使表皮無破裂,傷情亦會加速果實的衰老進程[2],造成營養物質流失[3],褐變嚴重[4],使果實品質下降[5]。傷果在貯藏過程中,容易被病菌侵入而腐爛。若正常水果與其一起貯藏,會被傷果的腐敗組織交叉感染,從而帶來巨大的經濟損失[6]。表皮破裂水果可直接挑揀并剔除,但是表皮無破裂的傷果與正常水果在表面顏色、紋理上非常相似,用肉眼無法區分。因此對受傷水果的及時檢測,有利于避免傷情傳遞,對提高其經濟效益具有重要的意義。

損傷體積是水果受傷程度的一個重要的評價指標,引起了科研人員的廣泛關注。喬斌[7]采用數字圖像處理技術,測定了蘋果受壓破壞時的損傷體積,并對蘋果變形與損傷之間的規律進行了研究。楊曉清等[8]通過對河套蜜瓜靜載破壞時損傷體積的測定和分析,建立了完整形河套蜜瓜準靜載機械特性參數、影響因素與其損傷體積的回歸方程,用于預測河套密瓜儲運過程中的靜載損傷。近年來,高光譜成像技術和X射線斷層掃描技術在快速檢測水果損傷中獲得了廣泛的關注。張保華等[9]以具有代表性的雙色紅富士蘋果為研究對象,提出了一種以高光譜成像和最低噪聲分離變換的蘋果輕微損傷識別檢測方法,利用該方法和選取的特征波段可以快速有效地識別蘋果的早期輕微損傷。Tollner等[10]研究了X射線斷層掃描圖像檢測蘋果含水量及密度的方法,發現利用X射線吸收率能預測蘋果的體積和含水量。

研究表明,水果的介電特性與其理化品質和生理狀態密切相關。Bhosale等[11]的研究表明,可以利用平行板電容傳感系統來評估蘋果硬度的變化。Thompson等[12]對蘋果的介電特性研究發現,成熟蘋果的相對介電常數隨頻率的增加而減少。Guo等[13]發現成熟期蘋果果肉和果汁的介質損耗角正切和果汁的損耗因數與SSC之間存在較好的線性相關性。水果受傷貯藏期間,其理化品質和生理狀態會發生變化,進而導致其介電特性不同。唐燕等[14]對碰傷蘋果介電特性的研究表明,受傷水果的介電特性與正常果明顯不同,并給出了判斷獼猴桃果實損傷與否的敏感電參數。郭文川等[15]對撞擊和靜壓損傷的富士蘋果傷后貯藏過程中電參數的變化情況研究表明,發生損傷后0.5 h內其相對介電常數和電阻率急劇變化,3 h后趨于穩定。但是,利用介電參數快速預測蘋果的損傷體積,進而用于評價其受傷程度還鮮見報道。

本研究擬對紅富士蘋果施加不同大小的壓力進行損傷,在常溫貯藏期間測定傷果介電參數和損傷體積,構建蘋果介電參數和損傷體積間的數學模型,用于蘋果損傷體積的快速預測,并對構建的模型進行驗證。有望為快速評價水果的受傷程度提供檢測方法,也將為利用介電特性法評價水果品質奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅富士蘋果 采自甘肅靜寧縣,在果實成熟階段在果園中選取樹齡、生長情況相同的果實采摘,采摘后露天預冷48 h,裝箱運回實驗室4 ℃冷藏。實驗前取出樣品靜置12 h,精選大小均一、成熟度好、色澤接近、無機械傷的果實待用,蘋果平均直徑75～80 mm。

TH2828A型精密LCR測試儀 常州同惠電子股份有限公司;CMT-2502型電子萬能實驗機 深圳新三思計量技術公司;02050123-1型游標卡尺 無錫錫工量具有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果的壓傷處理 采用萬能實驗機對蘋果果實施加壓力,將果實沿赤道方向置于平行板電極間,以2 mm/min的速率壓縮蘋果。預實驗表明,蘋果可承受的極限靜壓力(致表皮破裂)約450～480 N。基于此,實驗中設定壓力分別為100、200、300、350、400 N,壓力保持時間40 min,其中350 N做為驗證組。將不同壓傷程度蘋果常溫((22±1) ℃)貯藏,在1、8、15、22、29 d時分別取3個樣品測定其介電參數和損傷體積。每種損傷處理15個果實,共計75個。

1.2.2 損傷體積 將受傷蘋果沿受壓部位橫向和縱向切開,損傷組織和未損傷組織間因褐變有明顯的界線[16],用游標卡尺在橫縱兩個方向分別測量其壓傷深度和寬度。損傷體積的計算采用單明徹等[17]的方法,依下式計算:

式中:VB(mm3)為損傷體積;D(mm)為蘋果直徑;W(mm)為褐變部位寬度;h(mm)為褐變部位深度。

1.2.3 介電參數測試 介電參數的測定采用平行板電極法[18]:平行板電極為厚1 mm、直徑85 mm的兩塊圓形紫銅片,將銅電極圓心位置與精密LCR測試儀通過四終端夾具(儀器自帶)連接。LCR測試儀內置信號發生器,輸出頻率選1 MHz,可測試電容、損耗角等電參數。

萬能實驗機和LCR測試儀由同一計算機控制,為了使用方便,將平行板電極置于萬能實驗機上下壓頭之間,并通過絕緣墊板與萬能實驗機壓頭隔開,實驗裝置如圖1所示。貯藏期間測試蘋果介電參數時,萬能實驗機不施加外力,只起固定平行板電極的作用。

圖1 果品壓傷處理及介電參數測試系統Fig.1 Schematic diagram of fruit static pressure and the system of electrical parameters testing

1.2.4 介電參數的計算 生物體的介電特性指生物分子中的束縛電荷(只能在分子限度范圍內運動的電荷)對外加電場的響應特性,介電特性的主要參數有相對介電常數(ε′)和損耗因數(ε″)。ε′等于以待測材料為介質制成的電容器電容C與以真空為介質同尺寸電容器電容量C0之比,即ε′=C/C0。ε′是表征介質材料的介電性質或極化性質的物理參數,該值也是材料貯電能力的表征[19-20],與物質的電容和它對電場能量的吸收能力有關[21]。介質損耗是指絕緣材料在電場作用下,由于介質電導和介質極化的滯后效應,在其內部引起的能量損耗。習慣上以損耗角正切(tanδ)表示電容器損耗的大小[22],稱為損耗因數。

1.3 數據處理及模型構建

所有實驗重復3次,結果以3次重復的算數平均值表示。繪圖采用Originpro 2016完成。數據的相關分析、差異顯著性分析和模型構建采用SPSS 22完成,其中模型構建中先對壓傷蘋果不同貯藏期的介電參數和損傷體積進行相關分析,進而構建預測模型并對模型進行驗證。

2 結果與分析

2.1 傷果貯藏期間損傷體積變化

圖2為傷果貯藏期間損傷體積的變化情況。隨貯藏時間的延長,損傷體積增大。不同壓力傷果8 d的VB較1 d略微增大,但是8 d后增速加快。400 N傷果29 d的VB為8 d時的1.72倍。貯藏時間相同時,受壓力越大其VB越大。表1是傷果貯藏期間的損傷體積和介電參數測定結果。由表1可知,VB的變化范圍是0.21～8.35 mm3,平均值2.31 mm3,變異系數100.52%。由變異系數可以看出,貯藏期間傷果的變化較大,建模數據豐富。由表2可知,不同壓傷程度與蘋果的VB間差異極顯著(p<0.01)。

圖2 傷果常溫貯藏期間損傷體積的變化Fig.2 Damage volume’s change of the damaged apple during room temperature storage

2.2 傷果貯藏期間介電參數變化

由圖3A可知,隨貯藏時間的延長,相對介電常數增大。300 N壓傷果在貯藏15 d后ε′快速增大,22 d較15 d增大18.38%,29 d較22 d增大22.97%。貯藏時間相同時,受壓力越大其ε′越大。貯藏8 d時，200 N壓傷果ε′較100 N增大77.71%；22 d時300 N壓傷果ε′是200 N的1.06倍；29 d時300 N壓傷果ε′是200 N的1.16倍。由表1可知,ε′的變化范圍是4.26～37.25,平均值16.19,變異系數58.13%。由表2可知,100 N壓傷果的ε′與200、400 N差異顯著(p<0.05),與300 N差異不顯著。

由圖3B可知,隨貯藏時間的延長,損耗因數呈波動變化。100 N壓傷果的ε″呈減小-增大-減小的趨勢,而400 N壓傷果的ε″呈先減小后增大的趨勢。貯藏時間相同時,ε″亦隨壓傷程度呈波動變化。貯藏1 d時100 N傷果的ε″是200 N的3.18倍,29 d時300 N傷果ε″是200 N的4.27倍。由表1可知,ε″的變化范圍是0.06～0.79,平均值0.29,變異系數70.57%。由表2可知,不同壓傷程度蘋果的ε″差異不顯著。

圖3 傷果常溫貯藏期間介電參數的變化 Fig.3 Changes of dielectric parameters during storage of fruit at normal temperature注:A為相對介電常數;B為損耗因數。

表1 建模組損傷體積和介電參數統計結果(mm3)Table 1 Modeling statistical result of damage volume and dielectric parameters(mm3)

表2 損傷體積和電參數的相關性分析Table 2 Correlation between damage volume and electrical parameters

2.3 利用介電參數預測傷果損傷體積

傷果貯藏期間VB、ε′、ε″的變異系數分別達100.52%、58.13%、70.57%,說明利用介電參數預測傷果損傷體積的建模數據豐富。綜合分析，對不同程度壓傷果的ε″和VB進行相關分析,發現二者的相關系數為0.744,且不同壓傷程度ε″差異不顯著,說明用損耗因數不能預測傷果的損傷體積。不同程度壓傷果的ε′和VB的相關系數為0.921,且不同壓傷程度蘋果的VB和ε′間差異顯著(p<0.05),說明可用相對介電常數預測損傷體積。圖4為傷果的相對介電常數和損傷體積關系圖,由圖可知二者之間呈正線性相關。用相對介電常數對損傷體積進行線性擬合,得到的擬合方程為VB=-1.374+0.227ε′,擬合方程的決定系數R2=0.848。

圖4 傷果相對介電常數與損傷體積的關系Fig.4 Relationship between relative dielectric constant and damage volume of damaged apple

2.4 模型的驗證與分析

由表3可知,驗證組350 N壓傷蘋果的VB、ε′變化范圍分別是3.32～3.96、17.42～31.65,變異系數分別為7.52%、25.10%,說明可用于模型的驗證。350 N壓傷的驗證組數據點見圖4,預測結果與測定結果間的平均偏差為23.37%。

表3 驗證組損傷體積和介電參數統計結果Table 3 Validation statistical result of damage volume and dielectric parameters

3 結論與討論

對受傷水果的及時檢測,有利于及時剔除傷果,避免傷情傳遞。喬斌[7]采用數字圖像處理技術,對損傷蘋果切片后計算其損傷體積,通過切片損傷體積的疊加計算出整個蘋果在機械損傷后的損傷體積,該方法雖然實現了對損傷體積的預測,但是需要將蘋果切開,不能進行無損檢測。關濟雨[16]基于可見/短波近紅外光譜分析技術,研究了蘋果損傷敏感性檢測方法,可用于蘋果受傷與否的檢測,但是并沒有給出損傷體積的預測模型。利用介電特性法預測蘋果的損傷體積具有成本低廉、操作簡單、數據獲取快等特點。利用介電參數預測蘋果的損傷體積有望為快速評價水果的受傷程度提供方法,并對提高水果的經濟效益具有重要的意義。

受傷蘋果的損傷體積和相對介電常數隨貯藏時間的延長而增大,且受壓力越大其損傷體積和相對介電常數越大;受傷蘋果在貯藏期間的損耗因數呈波動變化,且不同程度壓傷果ε″差異不顯著,用損耗因數不能預測傷果的損傷體積。傷果的相對介電常數和損傷體積間呈顯著正相關(r=0.921),用相對介電常數對損傷體積進行預測的方程為VB=-1.374+0.227ε′(R2=0.848)。對方程的驗證發現,預測結果與測定結果間的平均偏差為23.37%。