雷紹良， 孫晨歌， 韓 晶， 王延梯， 許家源， 黃曉鵬*

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

籽用西瓜，簡稱籽瓜，又叫打瓜，屬于葫蘆科，是一年生草本植物，其具有多種營養(yǎng)價值和藥用價值[1]。籽瓜主要種植于西北部地區(qū)，是當(dāng)?shù)剌^為重要的經(jīng)濟作物，播種面積較大[2-3]。在實際生產(chǎn)活動中，機械化收獲、搬運和運輸都可能會造成籽瓜的各種機械損傷。依靠于果蔬電學(xué)特性的無損檢測技術(shù)可以測定果蔬的品質(zhì)和機械損傷程度[4]，因此可以利用籽瓜的電學(xué)特性來測定籽瓜的品質(zhì)以及衡量籽瓜的機械損傷程度，并以此來為籽瓜生產(chǎn)線中的分級篩選機械提供理論依據(jù)。已有大量研究人員對果蔬的電學(xué)特性做了相關(guān)研究，王瑞慶等[5]研究發(fā)現(xiàn)影響果實電特性測試的因素主要有測試頻率和溫度。唐玉榮等[6]研究發(fā)現(xiàn)測試頻率對待測材料的電學(xué)參數(shù)有極顯著影響。目前已有研究人員發(fā)現(xiàn)火柿[7]、紅巴梨[8]果實的阻抗和電感隨測試頻率的升高而單調(diào)遞減。嘎拉蘋果[9]果實的并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感和并聯(lián)等效電阻隨測定頻率的升高而一直減小。杜光源等[10]發(fā)現(xiàn)秦光二號油桃的多個電參數(shù)值隨頻率的變化呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。李騰飛[11]發(fā)現(xiàn)在特定測試頻率范圍內(nèi)，亞特獼猴桃的電抗、并聯(lián)等效電感和并聯(lián)等效電阻均隨頻率的升高而一直下降。

可見關(guān)于各種蔬菜、水果的電學(xué)特性相關(guān)研究成果較多，為這些蔬果在儲存運輸過程中防止損傷、保持質(zhì)量提供了較多的理論支撐。籽瓜作為一種重要的水果，在生產(chǎn)、加工以及儲存運輸方面也有相關(guān)的理論需求，但關(guān)于籽瓜的電學(xué)特性理論研究相關(guān)報道較少。因此，本研究采用平行板電極法對市場中較重要的大變小籽瓜品種果皮在163.28～8 000 kHz間49個頻率點下的阻抗、電導(dǎo)等8個電學(xué)特性進(jìn)行了測試，旨在探明其隨頻率變化而變化的規(guī)律，同時分析了大變小籽瓜果皮阻抗、電導(dǎo)等8個電學(xué)特性的相關(guān)性。以期為籽瓜無損檢測技術(shù)和籽瓜生產(chǎn)線中的分級篩選機械提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗選用的“大變小”籽瓜均采自甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣，成熟期在八月初到八月中下旬。選取大小形狀基本一致、達(dá)到商品成熟階段、無病蟲害的籽瓜，當(dāng)天運回實驗室，表面清洗干凈后低溫保存，用以實驗測定數(shù)據(jù)。

1.2 儀器設(shè)備

IM3536型LCR測試儀。

1.3 方法

實驗設(shè)計6個組，每組“大變小”籽瓜9個，依次標(biāo)清序號。

1.3.1 制取樣品

制備果皮樣品：用水果刀從大變小籽瓜瓜梗部、中上部、赤道部、中下部、瓜臍部五個測試部位分別切取厚約3 cm瓜片，之后將其制作成高1 cm，底面積3 cm2的圓柱形果皮樣品。依次標(biāo)清實驗組號、序號。

制備果肉樣品：用水果刀垂直于軸向，從大變小籽瓜瓜梗部、中上部、赤道部、中下部、瓜臍部5個部位切取厚約3 cm的瓜片，之后在各個瓜片的圓心部位取厚1 cm、直徑3 cm的圓柱形果肉樣品。依次標(biāo)清每個樣品的實驗組號、序號。

1.3.2 測定數(shù)據(jù)

進(jìn)行試驗前，將LCR測試儀預(yù)熱2小時，之后進(jìn)行手動調(diào)零。將待測籽瓜樣品放在平行板同電極間，平行板電極放在防干擾箱里。之后用計算機收集163.28～8 000 kHz 間49個頻率點下的電學(xué)特性阻抗、電導(dǎo)、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻、電抗、損耗因子8個電學(xué)特性，每個樣品測三次，求平均值。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel2016、Origin2019、SPSS25進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、圖像繪制和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻抗、電導(dǎo)的頻率特性

從圖1可見，在163.28～8 000 kHz頻率范圍內(nèi)，大變小籽瓜果皮的阻抗隨著頻率的增大單調(diào)遞減。頻率低于489.81 kHz時，大變小籽瓜果皮的阻抗隨頻率的增加而減小的幅度較大，當(dāng)頻率大于489.81 kHz，大變小籽瓜果皮的阻抗隨頻率的增加而減小的幅度較為緩慢。同樣由圖1和圖2可知大變小籽瓜果皮的電導(dǎo)隨頻率增大而變化的規(guī)律。其電導(dǎo)隨頻率的增大而單調(diào)遞增。

圖1 阻抗隨著頻率的變化

圖2 電導(dǎo)隨頻率的變化

2.2 品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電阻的頻率特性

由圖3可見，大變小籽瓜果皮的品質(zhì)因數(shù)隨頻率的增大而單調(diào)遞減，并且其減小幅度在1 500 kHz之前較大，在1 500 kHz之后其減小較緩慢。在圖4中，頻率小于1 000 kHz，大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電阻隨頻率的增大而單調(diào)遞減的幅度較大，而頻率大于1 000 kHz時，其隨頻率的增大單調(diào)遞減的幅度較為緩慢。整個測試頻率范圍內(nèi)，大變小籽瓜的并聯(lián)等效電阻是同頻率的增大而單調(diào)遞減的。

圖3 品質(zhì)因數(shù)隨頻率的變化

圖4 并聯(lián)等效電阻隨頻率的變化

2.3 并聯(lián)等效電感、電抗的頻率特性

圖5是大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電感隨頻率變化的圖。由圖可知在750 kHz之前大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電感隨頻率增加而遞增幅度較大，當(dāng)頻率大于750 kHz時，其隨頻率增加而單調(diào)遞增的幅度非常平緩。在整個測試頻率范圍之內(nèi)，其隨頻率的增加而單調(diào)遞增。圖6中，大變小籽瓜果皮的電抗隨頻率的增加呈單調(diào)遞增趨勢，其中800 kHz為一個臨界點，在其之前大變小籽瓜果皮電抗隨頻率的增加而遞增的程度較大，在其之后大變小籽瓜果皮電抗隨頻率的增加而遞增的幅度較緩慢。

圖5 并聯(lián)等效電感隨頻率的變化

圖6 電抗隨頻率的變化

2.4 并聯(lián)等效電容、損耗因子的頻率特性

由圖7可知，在測試的頻率范圍之內(nèi)，大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電容隨頻率的增加單調(diào)遞減。大變小籽瓜的并聯(lián)等效電容在2 250 kHz之前隨頻率的增加而減小的程度較大，在其之后隨頻率的增加而減小的程度較平緩。由圖8可見，在整個測試頻率范圍內(nèi)，大變小籽瓜果皮的損耗因子隨著測試頻率的升高先減小后一直增加，且其損耗因子最低值1.164對應(yīng)的頻率為653.07 kHz。

圖7 并聯(lián)等效電容隨頻率的變化

圖8 損耗因子隨頻率的變化

2.5 電學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

表1顯示的是大變小籽瓜果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性分析。相關(guān)性分析可以衡量兩個變量因素的相關(guān)密切程度。由表1可知，大變小籽瓜果皮的阻抗與品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電阻均呈正相關(guān)，且均達(dá)到極顯著水平，與電導(dǎo)、并聯(lián)等效電感、電抗、損耗因子均呈負(fù)相關(guān)，都達(dá)到了極顯著水平；大變小籽瓜果皮的電導(dǎo)與并聯(lián)等效電感、電抗均呈極顯著正相關(guān)，與損耗因子呈顯著正相關(guān)，與品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電阻均呈極顯著負(fù)相關(guān)；大變小籽瓜果皮的品質(zhì)因數(shù)與并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電阻均呈正相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)到極顯著水平，與并聯(lián)等效電感、損耗因子均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與電抗呈顯著負(fù)相關(guān)；大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電容與并聯(lián)等效電阻呈正相關(guān)，達(dá)極顯著水平，與并聯(lián)等效電感、電抗和損耗因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且均達(dá)到極顯著水平；大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電感與并聯(lián)等效電阻呈極顯著負(fù)相關(guān)，與電抗呈極顯著正相關(guān)，與損耗因子呈顯著正相關(guān)；大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電阻與電抗和損耗因子均呈負(fù)相關(guān)，均達(dá)到極顯著水平；大變小籽瓜果皮的電抗與損耗因子呈正相關(guān)，達(dá)極顯著水平。

表1 大變小籽瓜果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性

3 討論

本研究利用平行板電極法在163.28～8 000 kHz間49個頻率點對大變小籽瓜果皮的阻抗、電導(dǎo)等8個電學(xué)特性下進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)了其隨頻率的變化而變化的規(guī)律。分析了大變小籽瓜果皮阻抗、電導(dǎo)等8個電學(xué)特性的相關(guān)性。本研究發(fā)現(xiàn)在測試頻率范圍內(nèi)，大變小籽瓜果皮的阻抗隨頻率的增大而一直減小，其電導(dǎo)隨頻率的增大一直增大。張莉[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著測試頻率提高，火柿的阻抗一直下降而電導(dǎo)一直升高。王瑞慶等[13]發(fā)現(xiàn)紅巴梨的阻抗隨著測試頻率的提高而遞減。蘭州百合的電導(dǎo)隨測試頻率的升高而單調(diào)遞增[14]。這些發(fā)現(xiàn)都與本研究的結(jié)果相似。出現(xiàn)這種情況的原因是：在較低頻率下，電流在果實內(nèi)流過的通道主要只有細(xì)胞間隙的液體，所以其流通渠道少，受阻較大；較高頻率下，電流可以從細(xì)胞膜和液泡膜間流動，即可以同時在細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)流動，流通渠道變多，受到阻力較小。本研究發(fā)現(xiàn)在測試頻率范圍內(nèi)，大變小籽瓜果皮的并聯(lián)等效電容和并聯(lián)等效電阻都隨著頻率的增加而單調(diào)遞減，其并聯(lián)等效電感隨頻率的增加先減小后一直增加。唐玉榮等[15]研究發(fā)現(xiàn)在試驗頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的增加庫爾勒香梨的并聯(lián)等效電阻、并聯(lián)等效電感和并聯(lián)等效電容均一直減小，并聯(lián)等效電感隨頻率增加的變化與本研究發(fā)現(xiàn)不同。蔣寶[16]研究發(fā)現(xiàn)，在一定頻率范圍內(nèi)紅提葡萄的并聯(lián)等效電阻和并聯(lián)等效電感隨頻率的增加而不斷減小，其中并聯(lián)等效電感隨頻率變化的特性與本研究結(jié)果不同。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究采用平行板電極法在一定頻率范圍內(nèi)對大變小籽瓜果皮進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)了大變小籽瓜果皮阻抗、電導(dǎo)等8個電學(xué)特性在特定頻率范圍內(nèi)隨頻率的升高而變化的規(guī)律，同時對這8個電學(xué)特性的相關(guān)性進(jìn)行了分析，區(qū)分了大變小籽瓜果皮各電學(xué)特效之間的相關(guān)性。本研究結(jié)果以期為籽瓜無損檢測技術(shù)和籽瓜生產(chǎn)線中的分級篩選機械提供理論依據(jù)。