杜光源，唐 燕，郭靄光,*，張繼澍

溫度對‘嘎啦’蘋果電參數(shù)的影響

杜光源1,2，唐 燕1，郭靄光1,*，張繼澍1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

研究0℃貯藏‘嘎啦’蘋果溫度回升到室溫(25℃)條件下果實(shí)電參數(shù)的影響，測定并分析復(fù)阻抗等4個(gè)電參數(shù)隨果實(shí)溫度升高過程的變化。結(jié)果表明：在所測試的24個(gè)頻率下，在0～25℃內(nèi)，Z、Ls和Rs值的變化趨勢相同，都隨溫度的升高而減小。而Cs值變化與之相反。果實(shí)升溫到25℃與起始0℃相比，Z和Rs下降顯著(P＜0.05)，而Cs有顯著上升(P＜0.05)。

嘎啦蘋果；溫度；電特性

隨著對果實(shí)介電特性研究的不斷拓展和深入，發(fā)現(xiàn)除了電磁場的頻率[1]、電壓[2]、樣品溫度[3-4]影響介電特性外，成熟度[5]、損傷[6]和病害[7]等因素對果實(shí)的介電特性都有影響。國外對于溫度對果實(shí)電學(xué)特性影響研究開展的較早，但研究對象并不是整個(gè)果實(shí)，而是研究果肉切片。Nelson等[8]研究了蘋果、黃瓜等9種果實(shí)在頻率(10MHz～1.8GHz)范圍內(nèi)，電參數(shù)隨著果肉切片溫度(5～95℃)的變化進(jìn)行測試，在低頻下介電常數(shù)隨溫度升高而升高，高頻下隨溫度升高而降低，這種翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生在10～120MHz之間，基于介電特性的無損檢測溫度對完整果實(shí)電特性影響未見報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)以‘嘎啦’蘋果為研究試材，對整個(gè)蘋果果實(shí)電指標(biāo)的溫度特性進(jìn)行探索，并將一次性心電圖電極用于果實(shí)的無損檢測，研究果實(shí)低溫(0℃)冷藏轉(zhuǎn)入貨架期過程中溫度回升對電參數(shù)的影響，為果實(shí)電參數(shù)準(zhǔn)確檢測提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

測試蘋果品種為‘嘎啦’采自陜西省楊凌農(nóng)業(yè)高新示范區(qū)一管理良好的果園，果實(shí)的果肉硬度為8.75kg/cm2，可溶性固形物含量為12.9%。

1.2 儀器

3532-50型LCR測試儀 日本日置公司。

1.3 電學(xué)指標(biāo)測定

采用3532-50 LCR測試儀，測試頻率范圍42Hz～5MHz，實(shí)測頻率24個(gè)點(diǎn)(100、158、251、398、631Hz，1、1.58、2.51、3.98、6.31、10、15.8、25.1、39.8、63.1、100、158、251、398、631kHz，1、1.58、2.51、3.98MHz)。測試夾具為儀器自帶的9140-4終端測試夾具。電極采用一次性心電圖電極，將測定果實(shí)的對稱頰部各貼上1個(gè)一次性心電圖電極，一次性心電圖電極(由水刺布(圓形、尺寸50mm)、銀/氯化銀電極、金屬銅扣、導(dǎo)電膏等組成)。LCR測試儀自帶的兩個(gè)夾具分別夾在2個(gè)一次性心電電極的銅扣上。施加電壓恒為1V。測試環(huán)境溫度((25±1)℃)，測試結(jié)果通過電腦輸出。

將30個(gè)果實(shí)置于冷庫中，冷卻24h后果實(shí)果心溫度為0℃。每次從冷庫取出2個(gè)果實(shí)，放入25℃室溫條件下，其中1個(gè)果實(shí)用于監(jiān)測果實(shí)溫度變化，將果心溫度計(jì)插于監(jiān)測果實(shí)果心位置。另1個(gè)果實(shí)用于測定電參數(shù)。測定果實(shí)在0℃及溫度回升到5、10、15、20、25℃時(shí)果實(shí)電參數(shù)變化。回溫到對應(yīng)溫度時(shí)盡快測定果實(shí)在24個(gè)頻率下的復(fù)阻抗(Z)、串聯(lián)等效電感(Ls)、串聯(lián)等效電容(Cs)、串聯(lián)等效阻抗(Rs)值。重復(fù)此操作15次，即果實(shí)全部測定結(jié)束。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度的‘嘎啦’果實(shí)復(fù)阻抗隨頻率的變化

圖1 不同溫度下‘嘎啦’果實(shí)Z隨頻率的變化Fig.1 Effect of frequency on Z of Gala apple at different temperatures

由圖1可知，‘嘎啦’蘋果Z隨頻率呈逐漸下降變化。在低頻率下，不同溫度果實(shí)的Z值區(qū)分度好。在24個(gè)頻率下，果實(shí)的Z值隨溫度上升呈漸次下降變化，在同一頻率下，Z值隨溫度升高減小。

圖2 不同頻率下‘嘎啦’果實(shí)Z隨溫度的變化Fig.2 Effect of temperature on Z of Gala apple at different frequencies

與0℃果實(shí)相比，果實(shí)溫度升到25℃ Z值下降顯著(P＜0.01)，果實(shí)回溫過程中，其Z呈現(xiàn)規(guī)律性線性下降變化(圖2)，以100Hz和1MHz為例，線性方程分別為：y＝－1626x＋20134(R2＝0.989)，y＝－25.453x＋711.01(R2＝0.975)。與低頻率相比，高頻率下果實(shí)Z隨溫度升高下降幅度明顯減小。以100Hz和1MHz為例，果實(shí)溫度從0℃升溫到25℃時(shí)，果實(shí)Z值分別下降了43.8%和17.3%。

2.2 不同溫度的‘嘎啦’果實(shí)串聯(lián)等效電感隨頻率的變化

圖3 不同溫度下‘嘎啦’果實(shí)Ls隨頻率的變化Fig.3 Effect of frequency on Lsof Gala apple at different temperatures

圖3顯示，‘嘎啦’蘋果果實(shí)Ls隨頻率增加呈逐漸下降。在100Hz～10kHz頻率范圍內(nèi)，Ls隨頻率呈線性下降變化，以100Hz為例，線性方程為y＝－0.1509x＋1.595(R2＝0.982)。在同一頻率下，在0～25℃，Ls值隨溫度升高而減小(圖4)，與Z值的變化規(guī)律相似，低頻率下果實(shí)Ls下降幅度明顯大于高頻。

圖4 不同頻率下‘嘎啦’果實(shí)Ls隨溫度的變化Fig.4 Effect of temperature on Lsof Gala apple at different frequencies

2.3 不同溫度‘嘎啦’果實(shí)串聯(lián)等效電容隨頻率的變化

由圖5可知，‘嘎啦’蘋果果實(shí)Cs隨頻率增大呈逐漸下降的變化。在同一頻率下，隨著果實(shí)溫度的上升，Cs值變化與Z和Ls值的變化相反，呈逐漸增加的趨勢(圖6)。25℃果實(shí)和0℃果實(shí)相比，Cs值顯著升高(P＜0.05)。

圖5 不同溫度下‘嘎啦’果實(shí)Cs隨頻率的變化Fig.5 Effect of frequency on Csof Gala apple at different temperatures

圖6 不同頻率下‘嘎啦’果實(shí)Cs隨溫度的變化Fig.6 Effect of temperature on Csof Gala apple at different frequencies

由于果實(shí)Cs隨頻率變化其值下降幅度太大，為直觀看出果實(shí)Cs值在5個(gè)頻率梯度下的變化規(guī)律，將縱軸的Cs值取對數(shù)作圖(圖6)，果實(shí)從0℃升溫到25℃過程中，果實(shí)的lgCs值呈現(xiàn)線性上升變化，以100Hz為例，線性方程為y＝0.0811x－5.896(R2＝0.962)。

2.4 不同溫度的‘嘎啦’果實(shí)串聯(lián)等效阻抗隨頻率的變化

由圖7、8可知，‘嘎啦’蘋果果實(shí)Rs和Z隨頻率變化規(guī)律相似，果實(shí)溫度上升過程中的變化規(guī)律和Z的變化規(guī)律也相似。

圖7 不同溫度下‘嘎啦’果實(shí)Rs隨頻率的變化Fig.7 Effect of frequency on Rsof Gala apple at different temperatures

表1以25℃果實(shí)為例，反映醫(yī)用一次性心電圖電極用于果實(shí)介電特性的測定效果，可以看出重復(fù)數(shù)據(jù)的偏差小，說明該測試方法的穩(wěn)定性和可靠性都很好。

圖8 不同頻率下‘嘎啦’果實(shí)Rs隨溫度的變化Fig.8 Effect of temperature on Rsof Gala apple at different frequencies

表1 25℃不同頻率下‘嘎啦’蘋果果實(shí)Z、Ls、Cs和Rs的變化Table 1 Changes in Z, Ls, Csand Rsof Gala apple at 25 ℃ with frequency

3 討論與結(jié)論

Feng等[9]認(rèn)為溫度對果實(shí)電學(xué)特性影響的機(jī)理比較復(fù)雜，包括果實(shí)中自由水離散、束縛水離散和離子傳導(dǎo)等因素，當(dāng)測定頻率不同時(shí)，主導(dǎo)因素也有差異。

Wang Shaojin等[10-11]對鱷梨等多種水果的研究表明，鱷梨和柚子果肉在較低頻率下(27MHz)介電常數(shù)隨溫度(20～60℃)升高而升高，較高頻率下介電常數(shù)不變或降低。而蘋果和柿子等果實(shí)隨溫度升高均呈下降趨勢。因此，不同果實(shí)種類介電特性的溫度響應(yīng)規(guī)律并非一致。

郭文川等[12]對食用油介電特性的研究發(fā)現(xiàn)，溫度不影響介電參數(shù)的頻率特性，但溫度升高到90℃油的相對介電常數(shù)明顯低于20℃，而介質(zhì)損耗因子呈相反的規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，溫度不影響果實(shí)的介電特性，但溫度升高對果實(shí)復(fù)阻抗、電容、電感和電阻值有明顯的影響。

本研究首次對整個(gè)果實(shí)電指標(biāo)的溫度特性進(jìn)行探索，果實(shí)從冷庫取出隨著溫度回升到室溫，果實(shí)的復(fù)阻抗、電感和電阻呈下降變化，電容呈相反規(guī)律變化。與Wang Shaojin等[10-11]對鱷梨、柚子等水果果肉組織低頻范圍測試結(jié)果相同。在低頻范圍，離子傳導(dǎo)對電學(xué)性質(zhì)起主導(dǎo)作用，隨溫度升高，離子導(dǎo)電性增強(qiáng)，引起阻抗下降。由于在低頻下，電流只能經(jīng)過質(zhì)外體途徑傳播，高頻下，電流既可通過質(zhì)外體模式傳播，也可通過共質(zhì)體模式傳播[13]，因此低頻下測定的是果實(shí)質(zhì)外體電參數(shù)，高頻下測定的是共質(zhì)體電參數(shù)。由于樣品溫度對果實(shí)電參數(shù)的測量結(jié)果有較大影響，因此在實(shí)際測定時(shí)，應(yīng)注意溫度的影響因素，測定冷藏果實(shí)電參數(shù)時(shí)應(yīng)等到果實(shí)恢復(fù)到室溫狀態(tài)后再進(jìn)行電特性的測定。

[1]NELSON S O. Frequency-and temperature-dependent permittivities of fresh fruits and vegetables from 0.01 to 1.8 GHz[J]. Transactions of the ASAE, 2003, 46(2)∶ 567-574.

[2]郭文川, 郭康權(quán), 王乃信. 電激勵(lì)信號的頻率和電壓對果品電特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2004, 20(2)∶ 63-65.

[3]SIPAHIOGLU O, BARRINGER S A. Dielectric properties of vegetables and fruits as a function of temperature, ash, and moisture content[J]. Journal of Food Science, 2003, 68(1)∶ 234-239.

[4]SHARMA G P, PRASAD S. Dielectric properties of garlic (Allium sativum L.) at 2450 MHz as function of temperature and moisture content [J]. Journal of Food Engineering, 2002, 52(4)∶ 343-348.

[5]郭文川, 朱新華. 西紅柿成熟度與電特性關(guān)系的無損檢測研究[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究, 2002, 23(6)∶ 458-460.

[6]唐燕, 杜光源, 張繼澍. 損傷對獼猴桃果實(shí)電特性的影響[J]. 食品科學(xué), 2011, 32(5)∶ 6-11.

[7]馬海軍, 宋長冰, 張繼澍, 等. 電激勵(lì)信號頻率對紅點(diǎn)病蘋果采后電學(xué)特性影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(10)∶ 97-01.

[8]NELSON S O, TRABELSI S, KAYS S J. Dielectric spectroscopy of honeydew melons from 10 MHz to 1.8 GHz for quality sensing[J]. Transactions of the ASABE, 2006, 49(6)∶ 1977-1981.

[9]FENG H, TANG J, CAVALIERI R P. Dielectric properties of dehydrated apples as affected by moisture and temperature[J]. Transactions of the ASAE, 2002, 45(1)∶ 129-135.

[10]WANG Shaojin, TANG Juming, JOHNSON J, et al. Dielectric properties of fruits and insect pests as related to radio frequency and microwave treatments[J]. Biosystems Engineering, 2003, 85(2)∶ 201-212.

[11]WANG Shaojin, 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.

[12]郭文川, 呂俊峰, 谷洪超. 微波頻率和溫度對食用油介電特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(8)∶ 124-129.

[13]HARKER F R, MAINDONALD J H. Ripening of nectarine fruit (changes in the cell wall, vacuole, and membranes detected using electrical impedance measurements)[J]. Plant Physiology, 1994, 106(1)∶ 165-171.

Effect of Temperature on Electric Parameters of Gala Apple

DU Guang-yuan1,2，TANG Yan1，GUO Ai-guang1,*，ZHANG Ji-shu1
(1. College of Life Science, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2. College of Science, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

The effect of temperature rise (up to 25 ℃) on electric parameters of Gala apples stored at 0 ℃ was investigated by determining the changes of four electric parameters including complex impedance (Z), equivalent serial inductance (Ls), equivalent serial capacitance (Cs) and equivalent serial resistance (Rs) with increasing temperature. At 24 frequency levels tested, Z, Lsand Rsshowed the same changing trend∶ a decrease with the increase in temperature from 0 to 25 ℃, while Cschanged in an opposite manner. Z and Rs were significantly lower at 25 ℃ than 0 ℃ (P ＜ 0.05), while a significant rise in Cs was found (P＜0.05).

Gala apple；temperature；electrical parameters

S183

A

1002-6630(2012)18-0294-04

2011-08-17

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(30471001)

杜光源(1979—)，男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)榉肿由飳W(xué)和生物物理。E-mail：duguangyuan@yahoo.com.cn

*通信作者：郭藹光(1942—)，女，教授，本科，研究方向?yàn)榉肿由飳W(xué)。E-mail：guoaiguang@yahoo.com.cn