黃曉鵬，熊世磊，王啟慧，孫晨歌，萬芳新

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

籽瓜[Citrullus lanatusssp.vulgarisvar.Megalaspermus]是我國西北地區(qū)種植面積較廣的瓜類作物之一，為葫蘆科一年生草本植物[1-2]。其長勢較弱，生長期較長，喜溫喜光，瓜蔓較細，分枝多；瓜葉多為掌狀，葉片呈灰綠色，表層多刺毛；果實多為中小型偏圓，表皮較硬；果肉一般為白色或淡黃色，柔軟順滑，粘性好，水分足[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)：籽瓜果皮含有豐富的果膠和礦物質(zhì)[5]，瓜皮提取物具有抑制細菌和抵制細胞癌變的作用[6-7]。長期以來，籽瓜果皮的益處卻鮮為人知，經(jīng)常在整瓜破碎取籽后被遺棄在田間地頭，不僅造成了資源浪費，又嚴重污染環(huán)境[8-10]。電學(xué)特性是果蔬類物質(zhì)的一種特有屬性，近年來對籽瓜的研究主要針對機械化收獲、破碎取籽和遺傳育種等方面，有關(guān)籽瓜果皮電學(xué)特性的研究卻鮮有報道。

電學(xué)檢測與其他檢測手段相比，具有迅速、靈敏、操作簡單等優(yōu)點[11]，目前，農(nóng)產(chǎn)品電學(xué)特性測定最常用的方法有同軸探頭檢測技術(shù)、平行極板檢測技術(shù)、傳輸線檢測技術(shù)、諧振腔檢測技術(shù)以及自由空間檢測技術(shù)等，其中平行極板檢測技術(shù)使用最為廣泛[12]。邊紅霞等[13]研究了50 Hz～1 MHz 頻率范圍內(nèi)不同等級的蘭州百合的電學(xué)特性，得出復(fù)阻抗、相對介電常數(shù)和電導(dǎo)可作為判斷百合等級的指示參數(shù)；張莉等[14]研究了柿果實頻率特性及電學(xué)參數(shù)隨果實成熟度變化的規(guī)律，得出了在100 Hz～5 MHz 范圍內(nèi)，隨著測試頻率升高，果實阻抗和電感呈冪函數(shù)下降，低頻電導(dǎo)呈冪函數(shù)迅速升高，電容呈緩慢下降、快速升高、急劇下降的波動性變化；杜光源等[15]研究了桃果實電特性的頻率變化，得出了除了品質(zhì)因子Q隨頻率變化無規(guī)律，其余13 個電參數(shù)都隨頻率呈有規(guī)律的變化。文獻檢索發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的瓜類果實主要以電學(xué)檢測研究內(nèi)部品質(zhì)特性為主，而對果皮電學(xué)特性的研究卻鮮有提及。

本研究利用平行極板檢測技術(shù)對不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性進行測定和分析，旨在明確不同部位籽瓜果皮各電學(xué)特性隨頻率的變化規(guī)律，探究不同部位果皮各電學(xué)特性之間的相關(guān)性，以期為籽瓜果皮電學(xué)檢測提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2020年9月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工實驗室進行。供試材料為靖遠1 號，于甘肅省靖遠縣某農(nóng)戶瓜園中收獲。隨機選取外觀一致、大小均一、品質(zhì)良好、無病蟲害的籽瓜150 個作為試驗材料。收獲后，當日包裝處理好運回實驗室進行低溫貯藏，以備待用。

1.2 試驗設(shè)備

IM3536 型LCR 測試儀，頻率范圍4 Hz ～ 8 MHz，9140-10 型四終端探頭，日本日置（上海）貿(mào)易有限公司；平行銅板電容器（自制）；電子游標卡尺，分辨率0.01 mm，日本三豐Mitutoyo 公司；圓柱形取樣器（自制）；小刀。

1.3 試驗方法

1.3.1 測試樣品制備 設(shè)計45 個試驗組，每3 個待測籽瓜為1 組，依次標號。制備樣本前1 天，將待測籽瓜進行回溫處理，隨后使用清水將其表面清洗干凈，晾干水分后進行樣本制備。利用自制的圓柱形取樣器（直徑為4 cm）分別從瓜梗部、中上部、赤道部、中下部和瓜尾部籽瓜果皮進行取樣，再使用小刀進行修整，直至修為直徑為3 cm、厚度為1.5 cm 左右的圓柱體樣品，每個部位重復(fù)取樣3 次，電子游標卡尺進行測量。

1.3.2 測定指標和方法 參照郭文川等[16]測定西瓜和蜜瓜介電特性方法并予以改進。本次試驗分5次進行，室溫25 ℃下進行試驗，當日完成同批次試驗組的檢測。測試頻率（f）設(shè)定為163.28 ～ 8 000 kHz，頻率點選取49 個。將所制備的籽瓜果皮樣品晾去表面果汁后，水平置于自制的平行銅板電容器之間，施加2 N 夾持力使之接觸穩(wěn)定。測試前，將LCR 測試儀與計算機、平行極板電容器相連，同時進行開路和短路校正，預(yù)熱2 h，進行手動調(diào)零。分別測定籽瓜果皮瓜梗部、中上部、赤道部、中下部和瓜尾部5 個部位的阻抗Z、電抗X、并聯(lián)等效電阻Rp、并聯(lián)等效電感Lp、并聯(lián)等效電容Cp、損耗因子D、電導(dǎo)G、品質(zhì)因數(shù)Q等8 個電學(xué)參數(shù)，每個測試樣品檢測3 次，取平均值。

阻抗Z可以反映交流電電壓和電流之間的關(guān)系，是由電容、電阻和電感組成的生物體等效復(fù)合電路中的電阻和電抗組成，常表示為復(fù)數(shù)，即Z=Rp+jX；電容Cp 是指當外加電場存在電勢差時，電容器能夠儲存電荷的能力；電感Lp 指交流電場中磁通量與產(chǎn)生此磁通的電流之比；電導(dǎo)G指果實的導(dǎo)電能力；品質(zhì)因數(shù)Q用來衡量果蔬品質(zhì)的電參數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用WPS 2019 進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0 軟件進行皮爾遜相關(guān)性分析（pearson correlation analysis），Origin 2019b 軟件進行圖像繪制和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性的頻率變化

頻率是影響果蔬電學(xué)參數(shù)的主要因素，圖1 表示不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性隨頻率的變化。從圖1(a)可以看出，隨著頻率的增大，籽瓜5 個部位果皮的電導(dǎo)G均呈單調(diào)遞增的趨勢，但瓜梗部的上升趨勢比較緩慢。除瓜梗部外，其余4 個部位果皮G值比較相近，隨著頻率的增大，差異逐漸減小。在489.81～3 265.3 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮G值大小關(guān)系為：赤道部＞中上部＞中下部＞瓜尾部＞瓜梗部；在3 428.6～4 571.4 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮G值大小關(guān)系為：赤道部＞中上部＞瓜尾部＞中下部＞瓜梗部；在4 734.7～8 000 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮G值大小關(guān)系為：赤道部＞瓜尾部＞中上部＞中下部＞瓜梗部。由圖1(b)可知：隨著頻率的增大，除瓜梗部外，其他4 個部位果皮的損耗因子D均呈單調(diào)遞增的趨勢。在163.28～816.34 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮D值大小關(guān)系為：瓜梗部＞中上部＞中下部＞赤道部＞瓜尾部；在1 469.4～8 000 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮D值大小關(guān)系為：中上部＞中下部＞赤道部＞瓜尾部＞瓜梗部。

圖1 不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性的頻率變化Figure 1 Frequency variation of electrical properties of seed melon pericarp in different parts

由圖1(c)和1(d)可知：隨著頻率的增大，籽瓜5個部位果皮的并聯(lián)等效電阻Rp、并聯(lián)等效電容Cp均呈單調(diào)遞減的趨勢，其中瓜梗部果皮Rp 值顯著高于其他4 個部位，但隨著頻率的增大，差異逐漸減小。在163.28 ～ 653.07 kHz 范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，5 個部位果皮Rp 值和Cp 值下降趨勢均較快，而在816.34 ～ 8 000 kHz 范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，下降趨勢逐漸緩慢。

由圖1(e)可知：隨著頻率的增大，籽瓜5 個部位果皮的電抗X均呈單調(diào)遞增的趨勢。低頻階段，5 個部位果皮X值均上升趨勢均較快，高頻階段，瓜梗部X值上升趨勢顯著高于其他4 個部位。由圖1(f)可知：隨著頻率的增大，籽瓜5 個部位果皮的并聯(lián)等效電感Lp 均呈單調(diào)遞增的趨勢，但上升趨勢均逐漸變慢，差異逐漸減小。在163.28～7 020.4 kHz范圍內(nèi)，5 個部位果皮Lp 值大小關(guān)系為：瓜尾部＞赤道部＞中下部＞中上部＞瓜梗部。

由圖1(g)可知：隨著頻率的增大，籽瓜5 個部位果皮的阻抗Z均呈單調(diào)遞減的趨勢，其中瓜梗部果皮Z值顯著高于其他4 個部位，但隨著頻率的增大，差異逐漸減小。在163.28 ～ 816.34 kHz 范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，5 個部位果皮Z值下降趨勢較快，而在979.6 ～ 8 000 kHz 范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，下降趨勢逐漸緩慢。由圖1(h)可知：隨著頻率的增大，籽瓜5 個部位果皮的品質(zhì)因數(shù)Q均呈單調(diào)遞減的趨勢。除瓜梗部外，其余4 個部位果皮Q值比較相近。在1 469.4 ～ 8 000 kHz 范圍內(nèi)，5 個部位果皮Q值大小關(guān)系為：瓜梗部 ＞ 瓜尾部 ＞ 赤道部 ＞中下部 ＞ 中上部。

2.2 不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性相關(guān)性分析

由2.1 分析可知，除瓜梗部外，其他4 個部位果皮電學(xué)特性差異較小，因此，這里以瓜梗部和赤道部果皮為例，探究果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性。從表1 和表2 中可以看出，瓜梗部和赤道部果皮的Z與G、Lp、X之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01），與Q、Cp、Rp 之間均呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01)，而與D之間的相關(guān)性有明顯差異；D與Q之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01)，而與其他電學(xué)特性之間的相關(guān)性存在明顯不同；G與Q、Cp、Rp 之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01)，與Lp、X之間均呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01)；Q與Lp、X之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01)，與Cp、Rp 之間均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01)；Cp 與Lp 之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01)，與Rp 之間均呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01)，而與X之間的相關(guān)性存在明顯差異；Lp 與Rp 之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜ 0.01)，與X之間均呈極顯著正相關(guān)（P＜ 0.01)；Rp 與X之間均呈極顯著負相關(guān)（P＜0.01)。由此可知，瓜梗部果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性與赤道部存在顯著差異。

表1 瓜梗部果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性Table 1 Correlation between electrical properties of the pericarp of the melon stem part

表2 赤道部果皮電學(xué)特性之間的相關(guān)性Table 2 Correlation between electrical properties of the pericarp of the equatorial part

2.3 不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性回歸分析

由表3 和表4 可知：隨著測試頻率的變化，瓜梗部與赤道部果皮的Z、G、Cp、Rp、X和D的值均呈Polynomial 模型分布，且相關(guān)系數(shù)均在0.83 以上，回歸結(jié)果可靠；瓜梗部果皮的Q值隨頻率的變化呈Linear 模型分布，相關(guān)系數(shù)為0.991 9，而赤道部的Q值隨頻率的變化卻呈Polynomial 模型分布（R2=0.985 4）；瓜梗部果皮的Lp 值隨頻率的變化呈Expassoc 模型分布，相關(guān)系數(shù)為0.999 7，而赤道部的Lp 值隨頻率的變化卻呈Expdec1 模型分布（R2=0.985 4）。可見隨著測試頻率的變化，不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性各自呈特定的函數(shù)模型分布。該結(jié)果指明了不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性與頻率之間的關(guān)系，可為籽瓜果皮電學(xué)檢測提供理論依據(jù)。

表3 瓜梗部果皮電學(xué)特性函數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of electric characteristic function of melon stem pericarp

表4 赤道部果皮電學(xué)特性函數(shù)擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of electric characteristic function of equatorial part pericarp

2.4 不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性回歸模型的驗證

鑒于所使用的回歸方法相同，這里以瓜梗部、赤道部果皮的Z和Lp 為例，進行回歸模型驗證。瓜梗部和赤道部籽瓜果皮Z、Lp 回歸模型驗證結(jié)果（圖2 和圖3）顯示，在頻率范圍為163.28 ～ 8 000 kHz 范圍內(nèi)，試驗值與模型預(yù)測值的一致性較好。因此，利用Polynomial 模型可較好地反映瓜梗部和赤道部籽瓜果皮Z值隨頻率變化而變化的規(guī)律，利用Expassoc 模型可準確反映瓜梗部籽瓜果皮Lp 值隨頻率變化而變化的規(guī)律，利用Expdec1 模型可準確反映赤道部籽瓜果皮Lp 值隨頻率變化而變化的規(guī)律。

圖2 瓜梗部籽瓜果皮Z、Lp 回歸模型驗證Figure 2 Validation of Z and LP regression model of stem seed pericarp

圖3 赤道部籽瓜果皮Z、Lp 回歸模型驗證Figure 3 Validation of Z and Lp regression model of equatorial part pericarp

3 討論與結(jié)論

相比其他電學(xué)檢測方法而言，基于平行極板法檢測果品組分電學(xué)特性變化是比較普遍的，如蘋果[17]、葡萄[18]、桃[15]等果品中均有應(yīng)用。籽瓜作為一種營養(yǎng)豐富的瓜種，其電學(xué)特性研究基本空白，而現(xiàn)有的瓜類電學(xué)檢測中，僅有郭文川等[16]對西瓜、蜜瓜的研究，對于籽瓜果皮電學(xué)特性的探討相對較少。因此，本研究采用平行極板法對不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性進行檢測，參考郭文川等[16]檢測西瓜的方法并作改進，對籽瓜果皮8 個電學(xué)參數(shù)之間的變化規(guī)律進行探究，以彌補這方面的不足。

果品的電學(xué)特性與測試頻率之間有密切關(guān)系，這是由于當分子周圍存在電場時，由于不同的極化作用而產(chǎn)生極化子、偶極子、離子等，進一步直接影響到果品的電學(xué)特性[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，籽瓜果皮在電場中的電學(xué)特性與所測試的電學(xué)頻率密切相關(guān)，檢測頻率的高低對籽瓜果實采后的電學(xué)參數(shù)有明顯影響。果皮組織結(jié)構(gòu)存在不均勻性，而果皮組織一般是由不同的細胞間隙和薄壁細胞所組成，其中細胞間隙稱作胞外，存在少量的液體和大量的氣體，而薄壁細胞內(nèi)部貯存了大量的細胞液及離子，細胞膜的電阻及電容相對較大，細胞液的電阻較小，因此，造成樣品在低電學(xué)頻率檢測下，測試電流不能通過細胞膜和細胞內(nèi)部的液泡膜，只能經(jīng)過細胞外，測試電流的阻力也比較大[21-22]。當在高電學(xué)頻率檢測下，測試電流不僅可以穿過細胞間隙，也可以穿過細胞膜經(jīng)過細胞質(zhì)進行傳輸，并且此時測試電流阻力變小。從本研究結(jié)果可以看出，在163.82 ～8 000 kHz 范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，籽瓜果皮Z值下降、G值升高，與茄子[23]、紅巴梨[24]、蘭州百合[13]、西紅柿[25-26]等果品研究結(jié)果相似，這一結(jié)果表明果蔬類的電學(xué)特性的頻率特性變化相似。

果品的檢測部位不同，其電學(xué)特性之間存在顯著差異。本研究中，隨著測試頻率的變化，瓜梗部籽瓜果皮電學(xué)特性與其他部位之間存在顯著差異，而其他部位果皮電學(xué)特性差異程度較小，該結(jié)果的產(chǎn)生可能是由于瓜梗部皮質(zhì)較為緊湊，先于其他部位獲取瓜藤所帶來的養(yǎng)分和光照情況不同所導(dǎo)致的。與此同時，不同部位籽瓜果皮各電學(xué)特性隨頻率變化均呈特定模型分布，瓜梗部的Q值回歸分析結(jié)果呈Linear 模型與其他部位明顯不同，進一步驗證了以上結(jié)果產(chǎn)生的可能性。

本研究利用平行極板檢測技術(shù)對不同部位籽瓜果皮電學(xué)特性進行了測定和分析，區(qū)分了不同部位籽瓜果皮各電學(xué)特性隨頻率的變化規(guī)律，明確了不同部位果皮各電學(xué)特性之間的相關(guān)性。該結(jié)果可為籽瓜果皮電學(xué)檢測提供理論依據(jù)。