張莉，韓愛華，黃云鈺，王瑞慶

(1.上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001；2.重慶市渝北區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全中心，重慶 401120)

我國(guó)是柿(DiospyroskakiT.)原產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量占全球70%以上(FAO，2016)，主要為澀柿品種.由于成熟期不一致，生產(chǎn)上往往將不同成熟度果實(shí)混合貯存，嚴(yán)重縮短了貯藏期，成為鮮柿商品化經(jīng)營(yíng)的主要限制性因素之一.如何利用無損方法區(qū)分柿果實(shí)成熟度，是目前柿產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)亟待解決的問題.

近年來，電學(xué)特性在果實(shí)無損傷檢測(cè)中表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.果實(shí)內(nèi)部含有大量水和離子，具有導(dǎo)電特性，細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)具有介電特性，宏觀上可以將果實(shí)作為非均質(zhì)電解質(zhì)或半導(dǎo)體材料，在外加交變電場(chǎng)中，表現(xiàn)出介電、感電、導(dǎo)電和電穿透等特性[1-2].在成熟衰老、病蟲害侵染等過程果實(shí)內(nèi)部發(fā)生顯著的生理生化變化，引起細(xì)胞結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和細(xì)胞膜透性的改變[3-4]，這些變化可引起宏觀電學(xué)參數(shù)的改變[5-6].目前，電學(xué)特性已經(jīng)應(yīng)用于果實(shí)品種識(shí)別[7-8]、生理病害[9]、新鮮度檢測(cè)[10-12]等方面的研究.由于柿果實(shí)采收后迅速軟化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分變化顯著，因而其電學(xué)特性也受到關(guān)注.在貯藏期間，其電學(xué)參數(shù)發(fā)生了顯著性變化[13-14].而柿果實(shí)采收以前，內(nèi)部理化指標(biāo)變化較采后平緩，商業(yè)采收時(shí)仍然保持較高硬度，成熟期間電學(xué)特性是否發(fā)生改變尚不清楚.

要實(shí)現(xiàn)基于電學(xué)特性對(duì)柿果實(shí)成熟度進(jìn)行分級(jí)，關(guān)鍵是找到與果實(shí)成熟過程相關(guān)的敏感電參數(shù)及其變化規(guī)律.本研究以‘火柿’為材料，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)對(duì)十余個(gè)電學(xué)指標(biāo)的測(cè)試，初選了阻抗、電容、電感和電導(dǎo)4個(gè)在成熟衰老過程變化顯著的電參數(shù)，在100 Hz～3.98 MHz頻率范圍，研究4個(gè)成熟時(shí)期柿果實(shí)電學(xué)指標(biāo)差異、頻率特性及其生物學(xué)與介電學(xué)機(jī)制，旨在探索柿果實(shí)成熟期間電學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，尋找能夠表征果實(shí)成熟過程的敏感電參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)基于電學(xué)特性柿果實(shí)成熟度分級(jí)提供理論和實(shí)踐依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試果實(shí)品種為‘火柿’(DiospyroskakiL.)，采于西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站.借鑒美國(guó)農(nóng)業(yè)部番茄成熟度分類標(biāo)準(zhǔn)(USDA 2005)，根據(jù)外觀顏色分為4個(gè)成熟時(shí)期：破色期(breakers)：果實(shí)整體綠色，頂部變黃；轉(zhuǎn)色期(turning)：果實(shí)呈黃綠色，頂部轉(zhuǎn)為橙色；橙紅期(orange)：果實(shí)大部分橙紅色，頂部變紅；紅熟期(red)：果實(shí)大部分紅色，但尚未軟化.各成熟期果實(shí)采摘15個(gè)，赤道面直徑4.9～5.6 cm，當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，待平衡至室溫(20 ℃)后，測(cè)定電學(xué)參數(shù).

1.2 試驗(yàn)方法與儀器

電學(xué)參數(shù)測(cè)試裝置與方法如圖1所示.平行板銅電極連接LCR儀(HIOKI 3532-50，日本)，后者與計(jì)算機(jī)相連，通過HIOKI軟件采集數(shù)據(jù).將‘火柿’置于平行板銅電極兩極板之間，施加1 N力使之接觸穩(wěn)定.在100 Hz～5 MHz，參照王瑞慶等[12]的方法，根據(jù)對(duì)數(shù)關(guān)系在24個(gè)頻率下測(cè)定電學(xué)參數(shù).根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，對(duì)14個(gè)電參數(shù)測(cè)定的基礎(chǔ)上，選取對(duì)果實(shí)生理變化反應(yīng)靈敏的4個(gè)電參數(shù)阻抗、并聯(lián)電容、并聯(lián)電感和電導(dǎo)進(jìn)行測(cè)定.阻抗是正交電路中電壓與電流的比值；電容指果實(shí)內(nèi)介電物質(zhì)容納電荷的能力；電感指果實(shí)在交流電場(chǎng)中磁通量與產(chǎn)生此磁通的電流之比；電導(dǎo)指果實(shí)的導(dǎo)電能力.成熟期間電學(xué)參數(shù)變化百分比通過∣E紅熟期-E破色期∣×100/E破色期計(jì)算，E表示電學(xué)參數(shù).

圖1 電學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the electrical parameters measurement system

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用PASW Statistics 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析.不同頻率下電學(xué)參數(shù)及不同成熟度間差異顯著性用Duncan’s多重比較進(jìn)行ANOVA檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 ‘火柿’果實(shí)電參數(shù)的頻率特性

‘火柿’電參數(shù)的頻率特性見圖2～5.在100 Hz～5 MHz，隨著測(cè)試頻率升高，阻抗(Z)和電感(Lp)均呈指數(shù)急劇下降(圖2、3；表1)，阻抗從100 Hz頻率時(shí)的1.1(紅熟期)～2.4 MΩ(破色期)下降至3.98 MHz頻率時(shí)的25.7(紅熟期)～45.3 Ω(破色期)，下降幅度大于99.998%.電感由1 680(紅熟期)～3 816 H(破色期)降至1.1(紅熟期)～1.9 μH(破色期)，下降幅度大于阻抗.測(cè)試頻率的對(duì)數(shù)分別與果實(shí)阻抗和電感的對(duì)數(shù)值呈線性負(fù)相關(guān)(r2≥0.995).各成熟度果實(shí)電容隨測(cè)試頻率變化趨勢(shì)相同(圖4)，呈緩慢下降(100 Hz～100 kHz)→快速上升(100 kHz～1 MHz)→急劇下降(1～3.98 MHz)的躍變過程，不同測(cè)試頻率下電容值在0.55(100 kHz，破色期果實(shí))～2.50 nF(1 MHz，紅色期果實(shí))波動(dòng).較低頻率范圍(低于10 kHz)，電導(dǎo)隨頻率升高呈冪函數(shù)關(guān)系上升，頻率大于10 kHz后，電導(dǎo)呈不規(guī)則上升趨勢(shì)(圖5，表1).

圖2 4個(gè)成熟期果實(shí)阻抗隨頻率的變化Figure 2 Variation of fruit impedance with frequency at 4 maturity stages

圖3 4個(gè)成熟期果實(shí)電感隨頻率的變化Figure 3 Variation of fruit inductance with frequency at 4 maturity stages

圖4 4個(gè)成熟期果實(shí)電容隨頻率的變化Figure 4 Variation of fruit capacitance with frequency at 4 maturity stages

圖5 4個(gè)成熟期果實(shí)電導(dǎo)隨頻率的變化Figure 5 Variation of fruit conductance with frequency at 4 maturity stages

2.2 ‘火柿’果實(shí)成熟過程電參數(shù)變化

‘火柿’果實(shí)電學(xué)參數(shù)隨成熟度的變化見圖2～5；不同成熟時(shí)期，各頻率下電學(xué)參數(shù)的最大差異(破色期與紅熟期之間)百分比見圖6.隨著果實(shí)從破色期到紅色期成熟度增加，各頻率下果實(shí)阻抗、電感、電容和電導(dǎo)均發(fā)生極顯著變化(P<0.01).阻抗和電感變化趨勢(shì)相似，均呈冪函數(shù)關(guān)系下降，下降幅度隨頻率變化有差異(圖6)，阻抗下降幅度為43.39%(3.98 MHz時(shí))～58.84%(158 kHz時(shí))；電感下降幅度為40.10%(3.98 MHz)～59.51%(2.51 kHz).當(dāng)測(cè)試頻率大于1 MHz，不同成熟度果實(shí)阻抗和電感差異呈減小趨勢(shì)(圖6).隨著果實(shí)成熟度增加，果實(shí)電容顯著增大(P<0.01，圖4)，破色期、轉(zhuǎn)色期和橙色期果實(shí)之間電容差異相對(duì)較小，隨著果實(shí)成熟，電容增大了12.90%(3.98 MHz)～51.09%(0.1 kHz).紅熟期‘火柿’果實(shí)電容迅速升高(圖4)，比破色期電容增大了67.28%(3.98 MHz)～147.63%(251 kHz).隨果實(shí)成熟度增加，電導(dǎo)顯著增大，在0.1～631 kHz范圍，紅熟期果實(shí)電導(dǎo)比破色期果實(shí)大41.01%(0.1kHz)～128.37%(63.1 kHz).不同成熟期果實(shí)間差異幅度隨頻率增大呈波動(dòng)性變化，差異極大值出現(xiàn)在3.98 kHz和63.1 kHz頻率.大于等于1 MHz頻率下，電導(dǎo)值變化不規(guī)律，但隨果實(shí)成熟度增加，電導(dǎo)仍呈增大趨勢(shì)(圖4).

表1 電學(xué)參數(shù)與頻率關(guān)系(以破色期果實(shí)為例)

圖6 各頻率下成熟期間柿果實(shí)電學(xué)參數(shù)變化百分比Figure 6 Percentage difference of persimmon electrical parameters under different frequencies during maturation

3 討論

3.1 成熟時(shí)期判斷

目前，國(guó)際上尚未見柿果實(shí)成熟度的統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn).由于柿成熟過程，表皮經(jīng)歷了明顯顏色變化過程，且與內(nèi)部成分變化密切相關(guān)，因而表皮顏色成為判定柿果實(shí)成熟時(shí)期的主要指標(biāo)之一[15]，但劃分方法各異.通常將柿果實(shí)顏色描述為綠、黃綠、橙、紅，當(dāng)顏色轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬珪r(shí)，便進(jìn)行商業(yè)化采收[15].這是根據(jù)果實(shí)整體顏色劃分，未考慮到柿果實(shí)顏色局部變化的趨勢(shì)和特點(diǎn).‘火柿’成熟過程，顏色轉(zhuǎn)變從頂部開始，向基部漫延，這種顏色變化特點(diǎn)與另一種漿果番茄類似.本研究借鑒美國(guó)農(nóng)業(yè)部根據(jù)果皮顏色對(duì)番茄的分類標(biāo)準(zhǔn)，將成熟過程的‘火柿’分為破色期、轉(zhuǎn)色期、橙色期、紅熟期4個(gè)時(shí)期，更符合柿果實(shí)成熟過程顏色變化和本研究需要，且劃分相對(duì)更精確(從頂部由綠變黃開始劃分).盡管柿子軟化后，電學(xué)參數(shù)變化更明顯，由于變軟后即失去鮮食果實(shí)商品化處理(脫澀等)及銷售價(jià)值，本研究所選果實(shí)成熟時(shí)期均為軟化前的果實(shí).

3.2 ‘火柿’果實(shí)電學(xué)參數(shù)的頻率特性

隨測(cè)試頻率升高，‘火柿’果實(shí)阻抗和電感呈冪函數(shù)關(guān)系下降，電容呈躍變性波動(dòng)變化，而電導(dǎo)呈劇烈波動(dòng)性不規(guī)則變化，這種頻率特性是由于電流在果實(shí)內(nèi)部傳播特點(diǎn)決定的.低頻率下，電流主要通過細(xì)胞間隙的溶液組成的細(xì)胞外通道傳播，阻力相對(duì)較大.而高頻率下，電流可以穿過細(xì)胞膜和液泡膜，同時(shí)在細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)通道傳播，阻力相對(duì)較小.測(cè)試頻率升高時(shí)，阻抗下降、電導(dǎo)升高，與在紅巴梨[16]、茄子[17]等果實(shí)研究結(jié)果相同.而當(dāng)植物組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，阻抗會(huì)降低，且隨著頻率變化幅度相對(duì)較小[17].本研究中果實(shí)電容隨頻率增加呈現(xiàn)躍變的趨勢(shì)(圖4)，是由于不同頻率范圍的介電特點(diǎn)決定的.本研究中，在100 Hz～100 kHz，電容呈下降趨勢(shì)，與紅巴梨[16]等果肉組織在該頻率范圍的研究結(jié)果類似，電容的下降是由于頻率升高后離子導(dǎo)電能力升高引起的[18].在100 kHz～1 MHz，電容迅速升高是由于此頻率范圍形成具有較大電容的帶點(diǎn)雙離子層，且雙電層和麥克斯韋介電損耗在此頻率范圍下降引起的.測(cè)試頻率大于1 MHz時(shí)，電容迅速下降，是由于高頻率下電導(dǎo)升高，束縛水松弛產(chǎn)生的介電損耗在這個(gè)頻段(1 MHz)開始出現(xiàn)所致[19].電導(dǎo)隨測(cè)試頻率的劇烈波動(dòng)不規(guī)則變化，主要是由于果實(shí)介電損耗隨激發(fā)頻率的不規(guī)則變化引起的[19].

3.3 不同成熟時(shí)期果實(shí)電學(xué)參數(shù)差異

果實(shí)電學(xué)特性變化內(nèi)因主要取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分及存在狀態(tài)，包括帶電粒子的束縛程度、極性、偶極矩、化學(xué)成分、水分含量變化、細(xì)胞完整性等.本研究中，‘火柿’果實(shí)隨成熟度增加，阻抗、電感顯著下降，電容、電導(dǎo)顯著升高(P<0.05)，主要由于成熟過程果實(shí)內(nèi)部產(chǎn)生了生理生化變化引起了電學(xué)參數(shù)變化.成熟過程，膠體周圍束縛水轉(zhuǎn)化為自由水，電容增大.淀粉等大分子物質(zhì)水解，離子濃度增大，成熟過程細(xì)胞膜透性增大，更多的電解質(zhì)滲出細(xì)胞外，降低了電流阻力，阻抗降低，電導(dǎo)增大.以往研究發(fā)現(xiàn)，柿果實(shí)隨著貯藏期延長(zhǎng)和采收后果實(shí)的迅速軟化，電學(xué)參數(shù)發(fā)生了明顯改變[13-14].本研究進(jìn)一步表明，采收前樹體原位成熟過程，柿果實(shí)電學(xué)參數(shù)已經(jīng)歷了顯著的變化過程，因而利用電學(xué)參數(shù)對(duì)柿果實(shí)進(jìn)行成熟度分級(jí)具有可行性.

不同種類果實(shí)在成熟過程中，電學(xué)參數(shù)變化的顯著程度存在差異.Guo等[20]利用開放端路同軸電纜在10～4 500 MHz對(duì)不同成熟度的富士蘋果進(jìn)行測(cè)試，不同成熟度果實(shí)間電學(xué)參數(shù)未表現(xiàn)出明顯差異，這可能由于蘋果果實(shí)成熟期間內(nèi)部結(jié)構(gòu)和成分變化相對(duì)較小.此外，還可能與測(cè)試方法有關(guān).目前用于無損測(cè)定果實(shí)電學(xué)特性的傳感器主要為兩種：開放端路同軸電纜和平行板電極.前者通常用于較高頻率(數(shù)十至數(shù)千MHz)下電參數(shù)的測(cè)定，且儀器價(jià)格較高，而測(cè)試精度有限[1].后者通常測(cè)試頻率低于5 MHz，低頻對(duì)材料的穿透距離更大，且對(duì)果實(shí)內(nèi)部變化的響應(yīng)更顯著.本研究使用的平行板電極，在施予相等壓力時(shí)，電學(xué)參數(shù)阻抗、電感和電容均表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，此類裝置結(jié)合基于機(jī)器手結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械化分級(jí)操作中具有較好應(yīng)用前景.

在100 Hz～5 MHz，隨測(cè)試頻率增大，不同成熟期果實(shí)間阻抗、電感和電容差異呈增大趨勢(shì)，差異最大值在251～398 kHz產(chǎn)生，隨著頻率繼續(xù)增大，差異減小.因而，251～398 kHz可作為利用阻抗、電感和電容區(qū)分柿果實(shí)成熟度的適宜頻率范圍.不同成熟時(shí)期果實(shí)電導(dǎo)在3.98 kHz和63.1 kHz下差異相對(duì)較大，可作為利用電導(dǎo)區(qū)分成熟度的適宜頻率.此外，4個(gè)電學(xué)參數(shù)中，不同成熟度果實(shí)間電容差異幅度最大，因而是區(qū)分柿果實(shí)成熟度最具潛力的電學(xué)參數(shù).電導(dǎo)在不同測(cè)試頻率下的數(shù)值及差異幅度均呈現(xiàn)較大的不穩(wěn)定性，因而不建議作為優(yōu)先考慮的電學(xué)參數(shù)(圖6).

4 結(jié)論

1) 柿果實(shí)成熟過程，阻抗、電感、電容和電導(dǎo)發(fā)生了顯著變化，是可以反映果實(shí)不同成熟時(shí)期的敏感電參數(shù).

2) 柿果實(shí)電參數(shù)隨頻率變化顯著.利用阻抗、電感和電容區(qū)分柿果實(shí)成熟度的適宜頻率范圍為251～398 kHz；利用電導(dǎo)判斷柿果實(shí)成熟度的適宜頻率為3.98 kHz和63.1 kHz.

3) 電學(xué)特性具有無損傷檢測(cè)柿果實(shí)成熟度的應(yīng)用前景.電容為區(qū)分柿果實(shí)成熟度最具潛力的電參數(shù)，而電導(dǎo)不作為優(yōu)先考慮的電參數(shù).