王興枝，任君安，任建武，姚洪軍，高榮孚

（北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

不同貯藏方式下黃瓜阻抗譜特性的研究

王興枝，任君安，任建武，姚洪軍，高榮孚

（北京林業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

應(yīng)用電阻抗譜（ElectricalimpedancespectroscopyEIS)技術(shù)研究果蔬貯藏過程中品質(zhì)變化。將電化學(xué)、植物生理的理論與果蔬貯藏相結(jié)合，從生理學(xué)的角度來探究果蔬品質(zhì)變化的過程。以黃瓜為試驗(yàn)材料，通過試驗(yàn)探討了黃瓜的貯藏條件、貯藏時(shí)間與阻抗譜特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，室溫和保鮮膜貯藏條件下黃瓜的阻抗值隨水分散失而升高，冷藏條件下阻抗值則降低。冷藏條件下的黃瓜會(huì)產(chǎn)生冷害，嚴(yán)重影響口感和品質(zhì)。比較發(fā)現(xiàn)用保鮮膜保鮮效果最為理想。

果蔬;貯藏;阻抗譜;黃瓜

測定植物組織和器官的電阻抗譜能夠獲得基本的生理學(xué)信息，在植物生理學(xué)研究方面的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展［1］。EIS法是用等效電路（equivalent electrical circuit)來表示所測定的組織樣本的電學(xué)特性，已被廣泛地用于估測植物活力［2］、果實(shí)受害程度［3］、抗寒性［4～6］、對(duì)含鹽量敏感度［7］、根系生長［8，9］等研究中。EIS法提供了非破壞性的測定胞內(nèi)電阻、胞外電阻和膜變化的手段［10］。

果蔬屬于電介質(zhì)，基于電學(xué)特性的無損檢測是對(duì)果蔬品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)的又一重要手段，已成為近年來的研究熱點(diǎn)之一［11，12］。阻抗譜法被應(yīng)用于獼猴桃的生理特性評(píng)估。研究表明獼猴桃在成熟的過程中，細(xì)胞壁內(nèi)的電解質(zhì)并沒有發(fā)生移動(dòng)，由此推測，影響組織阻抗特性發(fā)生變化的原因是果實(shí)內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)［13］。另外阻抗譜法還用于研究油桃在成熟過程中細(xì)胞壁，細(xì)胞膜以及液泡的阻抗值和容抗值所發(fā)生的變化來區(qū)分細(xì)胞胞內(nèi)電阻和胞外電阻的變化［14］。

本研究以黃瓜在不同貯藏條件下的阻抗譜特性變化為核心，闡述了不同貯藏方式對(duì)黃瓜品質(zhì)變化的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在北京林業(yè)大學(xué)菜市場購買新鮮的、大小均勻的黃瓜作為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

將黃瓜分為三組，每組6根，分別進(jìn)行室溫放置，冰箱冷藏，保鮮膜處理。室溫（24±2)℃，冰箱冷藏4～6℃，保鮮膜包覆后放置在室溫條件下貯藏，室溫條件下的空氣濕度為30%。

每組取3根黃瓜來做測定阻抗譜的平行試驗(yàn)，求平均值以減小實(shí)驗(yàn)材料個(gè)體差異帶來的誤差。阻抗譜的測定使用HIOKI 3532-50型LCR阻抗譜儀（日本日置;頻率范圍：42Hz～5MHz;基本精度：0.08%;測試電纜長度：1m)。將屏蔽線連接到保護(hù)端子（GUARD)后接地，以降低外界電磁信號(hào)干擾［15］。采用電極插入式測量，電極插入黃瓜的深度為3mm，使電極剛好位于表皮與種子之間的部分。測試條件：溫度（24±2)℃，測試電壓1.00V，兩電極間距1.5cm。選擇如下測量頻率：50Hz，100Hz，200Hz，500Hz，1kHz，5kHz，10 kHz，50kHz，100kHz，500kHz，1MHz，5MHz。測量時(shí)每個(gè)頻率之間時(shí)間間隔3s，于每天上午10：00測量一次，連續(xù)測量7d。本實(shí)驗(yàn)共重復(fù)5次。每次測定阻抗譜之前先用天平稱重，并記錄數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻抗譜的變化

生物組織的電阻抗隨著外加電信號(hào)頻率的不同而表現(xiàn)出很大的變化，這種現(xiàn)象稱之為生物電阻抗譜。一般認(rèn)為，細(xì)胞對(duì)低頻電流（＜1kHz)有較高的阻抗，低頻電流只在胞外間隙流動(dòng)，阻抗主要由胞外電阻組成。細(xì)胞的阻抗隨頻率的升高而下降，在足夠高的頻率下（＞100kHz)，電流能夠直接通過胞內(nèi)，總阻抗由胞內(nèi)和胞外電阻組成［16］。

經(jīng)過多次重復(fù)試驗(yàn)，比較每次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同貯藏條件下阻抗譜的變化趨勢(shì)一致。結(jié)果如下：

2.1.1 室溫放置

由圖1、圖2可以看出，黃瓜的阻抗值，容抗值均隨所加頻率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這正是所謂的阻抗特性。在室溫條件下，隨著貯藏時(shí)間的延長，失水程度逐漸加深，從第2天開始，黃瓜的阻抗值逐漸增大;容抗值從第3天開始逐漸減小，說明在前3天內(nèi)，黃瓜阻抗的變化主要是由胞外自由水的散失引起的。之后，隨著胞外自由水散失，細(xì)胞內(nèi)液經(jīng)過水孔蛋白運(yùn)輸?shù)桨?，引起?xì)胞結(jié)構(gòu)大小的變化，從而導(dǎo)致容抗值的變化。在各個(gè)頻率下容抗值都呈逐漸減小的趨勢(shì)，但是不同頻率變化幅度不同，低頻變化大，高頻變化小。通過對(duì)比容抗值和阻抗值的變化也可以看出，容抗值較阻抗值隨頻率變化更為明顯。

圖1 室溫下黃瓜阻抗值隨時(shí)間的變化Fig.1 The change of Rp with time at room temperature

2.1.2 保鮮膜

由圖3、圖4可以看出，在保鮮膜貯藏條件下，黃瓜的阻抗值在開始的4d內(nèi)變化相對(duì)較小。第5天阻抗值明顯增大，第6天之后又趨于平衡狀態(tài)。這與細(xì)胞內(nèi)水分的散失特性有關(guān)。前4天散失的水分主要是胞外的自由水，自由水散失的速率與胞內(nèi)水分運(yùn)輸?shù)桨獾乃俾侍幱趧?dòng)態(tài)平衡。隨著水分散失越來越多，動(dòng)態(tài)平衡被打破，胞內(nèi)水運(yùn)輸?shù)桨獾乃俾市∮诎馑⑹У乃俾?，?dǎo)致第5天阻抗值明顯增大。相對(duì)的容抗值減小，容抗值變化的大小受頻率影響較大，低頻下容抗值變化大。

圖2 室溫下黃瓜容抗值隨時(shí)間的變化Fig.2 The change of Cp with time at room temperature

圖3 保鮮膜條件下黃瓜阻抗值隨時(shí)間的變化Fig.3 The change of Rp with time by plastic wrap

圖4 保鮮膜條件下黃瓜容抗值隨時(shí)間的變化Fig.4 The change of Cp with time by plastic wrap

2.1.3 冰箱冷藏條件

由圖5、圖6可以看出，在冷藏條件下，黃瓜的阻抗值在前3天表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，這是由水分散失引起的。而從第3天開始隨水分的繼續(xù)散失，阻抗值反而減小，說明此時(shí)冷藏條件已經(jīng)對(duì)黃瓜細(xì)胞膜的透性造成了傷害，細(xì)胞膜透性增大導(dǎo)致大量細(xì)胞內(nèi)液外滲，阻抗值隨之下降。與室溫貯藏和保鮮膜貯藏條件相比，冷藏條件下的容抗值變化幅度最大。

圖5 冷藏條件下黃瓜阻抗值隨時(shí)間的變化Fig.5 The change of Rp with time by refrigeration

圖6 冷藏條件下黃瓜容抗值隨時(shí)間的變化Fig.6 The change of Cp with time by refrigeration

為了比較不同貯藏條件下阻抗、容抗的變化大小，選取部分特征頻率下的阻抗特性并對(duì)其變化幅度進(jìn)行比較如下：

從圖7可以看出，對(duì)比同一頻率下室溫和保鮮膜貯藏時(shí)阻抗的變化幅度相近，而冷藏條件下的阻抗變化幅度相對(duì)較高。在頻率為0.05kHz、0.1 kHz、0.2kHz、0.5kHz、5kHz、50kHz時(shí)三種貯藏條件下的阻抗變化隨頻率的變化不大。

從圖8可以看出，三種貯藏條件下的容抗值在0.05kHz時(shí)變化最大，隨頻率升高變化幅度逐漸減小。對(duì)比三種不同的貯藏條件，同樣可以看出，不管在那一頻率下，冷藏條件下的容抗值變化都是最大的。

圖7 特殊頻率下阻抗值的變化幅度Fig.7 The change range of Rp under specific frequency

圖8 特殊頻率下容抗值的變化幅度Fig.8 The change range of Cp under specific frequency

2.2 黃瓜失水量的變化

由表1中數(shù)據(jù)可以計(jì)算出黃瓜在不同貯藏條件下，7d時(shí)間內(nèi)重量的變化，室溫：失重72.483 g，失重率達(dá)34.92%;保鮮膜：失重4.744g，失重率為 2.21%;冷藏：失重 16.919g，失重率為7.93%。其中室溫條件下失重率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保鮮膜和冷藏條件，而保鮮膜條件下重量的變化最小。室溫條件下，由于水分散失嚴(yán)重，黃瓜變軟且表皮與種子中間的部分變白。冷藏條件下水分散失雖然不是很嚴(yán)重，但是由于低溫冷害，黃瓜已經(jīng)變軟，顏色變深，嚴(yán)重影響了口感。保鮮膜條件下的黃瓜則相對(duì)比較新鮮，質(zhì)量最好。

表1 黃瓜重量變化Table 1 The change of cucumber weight

3 結(jié)論與討論

通過比較不同貯藏條件下黃瓜的阻抗譜變化可以看出，阻抗譜能及時(shí)地反映出黃瓜的品質(zhì)變化，具有快速、靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。室溫和保鮮膜貯藏條件下黃瓜的阻抗值隨貯藏時(shí)間的延長而升高，冷藏條件下阻抗值則降低。通過對(duì)比不同的貯藏方式發(fā)現(xiàn)，室溫條件下黃瓜失水速率快，而冷藏條件對(duì)黃瓜的細(xì)胞組織、口感、風(fēng)味都會(huì)造成一定的破壞。因此，在4～5d的貯藏期內(nèi)保鮮膜是最佳的選擇。

本試驗(yàn)在阻抗譜的測量中為了減少因黃瓜表面的凹凸不平帶來的誤差而選用的是電極插入式，雖然選用較細(xì)的針灸針作為電極，但對(duì)黃瓜仍有一定的損傷。對(duì)于新鮮的果蔬來說，無損傷檢測是非常重要的。因此，還需要對(duì)電極進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足果蔬無損檢測的要求。

目前，在水產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品腐敗動(dòng)態(tài)的研究領(lǐng)域，阻抗技術(shù)因自身快速、靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)得到許多研究人員的青睞［17］。阻抗譜法作為一種電化學(xué)測試技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，并在很多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。但是在食品科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)于果蔬阻抗特性的研究更少。如果能夠?qū)⒆杩棺V法應(yīng)用到果蔬保鮮中，可以根據(jù)果蔬在貯藏過程中阻抗特性的變化，更好地對(duì)貯藏條件進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。可以快速準(zhǔn)確地檢測到果蔬的腐敗界限，對(duì)即將腐敗的果蔬提前處理，從而減少損失。

［1］扈顯琦，梁成浩.交流阻抗技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.腐蝕與防護(hù)，2004，25（2)：57-60.

［2］MacDougall R C，Thompson R G，Piene H.Stem electrical capacitance and resistance measurements as related to total foliar biomass of balsam fir trees［J］.Canadian Journal of Forest Research，1987，17：1071-1074.

［3］Cox M A，Zhang Min，Willison J H M.Apple bruise assessment through electrical impedance measurements［J］.Journal Horticultural Science，1993，68：393-398.

［4］Repo T，Zhang Min.Modelling woody plant tissues using a distributed electrical circuit［J］.Joumal of Experimental Botany，1993，44：977-982.

［5］Repo T，Leinonen M，Paakkonen T.Electrical impedance analysis of shots of Scots pine：intracellular resistance correlates with frost hardiness.Proceedings of the Finnish Japanese Workshop on Molecular and Physiological Aspects of Cold and Chilling Tolerance of Northem Crops［M］.Jokioinen，F(xiàn)inland，1997：27-30.

［6］Repo T，Zhang Gang，Ryypp A，et a1.Electrical impedance spectroscopy of Scots pine（Pinus flvestris L.)shots in relation to cold acclima tion［J］.Journal of Experimental Botany，2000，51：2095-2107.

［7］Mancuso S，Rinaldelli E.Response of young mycorrhizal and non-mycorrhizal plants of olive tree（Olea europaea L.)to saline conditions II.Dynamics of electrical impedance parameters of shoots and leaves［J］.Advances in Horticultural Sc ience，1996，10：135-145.

［8］Ozier Lafontaine H，Bajazet T.Analysis of root growth by impedance spectroscopy（EIS)［J］.Plant Soil，2005，277：299-313.

［9］Repo T，Lankkanen J，Silvennoinen R.Measurement of the tree rot growth using electrical impedance spectroscopy［J］.Silva Fennica，2005，39（2)：159-166.

［10］Mancuso S.Seasonal dynamics of electrical impedance parameters in shots and leaves relate to reoti～ability of olive（Olea europaea)cuttings［J］.Tree Physiology，1998，19：95-101.

［11］Komarov V，Wang S，Tang J.Encyclopedia of RF and microwave engineering［M］.NY：John Wiley and Sons，Inc.，2005：3693-3711.

［12］朱新華，郭文川，郭康權(quán)，等.電激勵(lì)信號(hào)對(duì)果品電參數(shù)的影響［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，32（11)：125-128.

［13］A.D.Bauchot et al.The use of electrical impedance spectroscopy to assess the physiological condition of kiwifruit［J］.Postharvest Biology and Technology，2000，18：9-18.

［14］F.Roger Harker et al.Ripening of Nectarine Fruit Changes in the Cell Wall，Vacuole，and Membranes Detected Using Electrical Impedance Measurements［J］.Plan Physiol，1994，106：165-171.

［15］張軍，李小昱，王為，等.用阻抗特性評(píng)價(jià)鯽魚鮮度的試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，23（6)：44-47.

［16］Schwan H.P，Takashima S，Electrical conduction and dielectric behavior in biologicalsystems［M］.Encyclopedia of Applied Physics，1993：177-182.

［17］Uwe Pliquett.Bioimpedance：A Review for Food Processing［J］.Food Eng Rev，2010，2：74-94.

Study on the Impedance Characteristics of Cucumber During Different Storages

WANG Xing-zhi，REN Jun-an，REN Jian-wu，YAO Hong－jun，GAO Rong-fu
（CollegeofBiologicalSciencesandBiotechnology，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China)

In this test，EIS（Electrical impedance spectroscopy)was referenced to the investigate the quality changes of vegetables and fruits during storage.The study combined electrochemistry and plant physiological theory to illustrate the quality changing process of products during storage.This paper established the relationship between impedance and storage conditions as well as time in cucumber storage.The results showed：the impedance of cucumber in plastic wrap increased with water loss at room temperature，but it reduced under refrigerated condition.Chilling injury of cucumber destroyed the cell structure and affected the taste and flavor of cucumber.Plastic wrap was the most satisfactory method by contrast.

Fruits and vegetables;Storage;Impedance spectroscopy;Cucumber

TS255.3

A

1671-8151（2011)06-0557-06

2011-11-07

2011-11-17

王興枝（1986-)，女（漢)，山東濰坊人，在讀碩士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工方面的研究。

姚洪軍，博士，副教授。Tel：010- 62337116;E-mail：yaohj2003＠163.com

（編輯：武英耀)