熊世磊，王啟慧，萬芳新，黃曉鵬*

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，蘭州 730070）

籽瓜（Citrullus lanatus ssp.vulgaris var.Megala?spermus），又稱“籽用西瓜”“打瓜”，屬于葫蘆科（Cu?curbitaceae）一年生草本植物，主要種植于我國甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、吉林和山西等地，是一種低糖低脂低熱量的耐旱瓜種[1-5]。籽瓜種仁營養(yǎng)豐富，是優(yōu)質(zhì)的油料和蛋白質(zhì)資源[6-7]；籽瓜果皮中約有10%～20%的果膠，是優(yōu)質(zhì)的果膠資源[8]；據(jù)《本草求真》記載“打瓜肉入心脾胃，肉有解心脾胃熱，止消渴”，指出籽瓜肉可舒胃養(yǎng)腎、潤肺活血和提高免疫力[9]。目前，國內(nèi)外對籽瓜的研究主要集中于機械化采收、破碎取籽等方面[10-12]，而對籽瓜果肉電學特性的研究卻鮮有報道。

果品運輸過程中常存在不同程度的機械損傷，而不同程度的損傷可以用電學特性來加以區(qū)別。對于電學特性測定通常有平行板電極法、傳輸線法以及探針刺入法等幾種。與傳統(tǒng)的檢測手段相比，電學特性的測定具有快速準確、操作簡單和在線測量等優(yōu)點，其中平行板電極法應(yīng)用最為廣泛[13]。果蔬的電學特性不僅與貯藏條件和貯藏時間有關(guān)，與測試條件也有一定關(guān)系，其中測試電激勵的頻率是影響果實生物學電特性的主要因素[14-15]。目前，國內(nèi)外學者利用電學特性對蘋果、梨、西瓜、甜瓜、獼猴桃的糖度和新鮮度等品質(zhì)的檢測和其他果蔬的電參數(shù)的頻率特性研究均取得了一定進展，而籽瓜果肉采后電學特性是否發(fā)生變化尚不明確。為此，本研究以“靖遠1號”“靖遠2號”和“大變小”3種籽瓜為試驗材料，在預實驗基礎(chǔ)上，利用平行板電極法測定了籽瓜果肉在49個頻率點下8個電學特性的變化，旨在區(qū)分3種籽瓜果肉電學特性隨頻率的變化規(guī)律及其差異，以期為鮮食籽瓜電學特性的品質(zhì)檢測研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試的3種新鮮籽瓜（靖遠1號、靖遠2號、大變?。┚勺愿拭C省靖遠縣的某農(nóng)戶瓜園中，其成熟期集中于8月初至8月中下旬。其中靖遠1號籽瓜整瓜平均質(zhì)量約為3.5～5 kg，瓜皮厚度約為0.7～1.8 cm，單瓜縱橫徑約為17 cm×19 cm；靖遠2號籽瓜整瓜平均質(zhì)量約為3～5 kg，瓜皮厚度約為1.7～2.1 cm，單瓜縱橫徑約為17 cm×18 cm；大變小籽瓜整瓜平均質(zhì)量約為3～5 kg，瓜皮厚度約為1.5～2 cm，單瓜縱橫徑約為18 cm×17 cm。隨機選取成熟狀況大致相同、質(zhì)地品質(zhì)良好和無病蟲害的3種新鮮籽瓜各120個，當天運回實驗室，低溫（16℃～20℃）貯藏，以備待用。

1.2 試驗方法

1.2.1 測試系統(tǒng)組成

果肉的電學特性測試系統(tǒng)主要是由IM3536型LCR測試儀和計算機組成，可在線測量多個電學特性。本次試驗所采用的儀器為日本日置（上海）貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的IM3536型LCR測試儀，該儀器可以同時在線無損檢測多個電學特性，所能測試的頻率范圍為4 Hz～8 MHz。測試中所使用的測試探頭為9140-10型四終端探頭，電極采用銅制圓形平行板電極，極間距可調(diào)，自制防干擾箱，具體如圖1a所示。

1.2.2 測試樣品制備

本試驗設(shè)計12個試驗組，每個試驗組包括靖遠1號、靖遠2號和大變小籽瓜各10個，依次標號備用。

先用清水將籽瓜表面清洗干凈，待其表面水分全部晾干后，利用小刀分別從靖遠1號、靖遠2號和大變小籽瓜平行于軸向的瓜梗部位切取寬度約為4 cm的瓜片，之后利用自制圓柱形取樣器（直徑為3 cm）從瓜梗部向下貫穿至瓜尾部，從中均勻分布地取厚度為1 cm的圓柱形樣品5個（若樣品中有籽粒，則剔除），其中一組標號樣品如圖1b所示。

圖1 試驗裝置和標號樣品Figure 1 Test set and labeled samples

1.2.3 測定指標及方法

試驗于2020年9月在甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院農(nóng)產(chǎn)品加工實驗室進行。試驗前一天，將檢測籽瓜提前取出回溫處理。試驗分12批次進行，6日內(nèi)檢測完畢，當天完成同一試驗批次籽瓜果肉各項電學特性的測定。

測試時，平行板電極連接LCR測試儀，后者與計算機相連，數(shù)據(jù)由特定的軟件收集，LCR測試儀提前預熱2小時后，進行手動調(diào)零。隨后將籽瓜果肉樣品置于平行板同電極之間，將平行板電極放置于自制防干擾箱中，測試實際采用頻率（f）設(shè)定為163.28～8 000 kHz范圍內(nèi)的49個頻率點，施加1N夾持力使之接觸穩(wěn)定。在預實驗的基礎(chǔ)上，選取8個電學特性阻抗、電導、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、電抗和損耗因子進行測定，每個樣品重復測量3次，取平均值。整個試驗過程中，控制實驗室溫度為24℃～25℃。其中阻抗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合電路中的電阻和電抗組成，即Z=Rp+jX，其中Rp代表并聯(lián)等效電阻，X代表電抗；品質(zhì)因數(shù)是損耗因子的倒數(shù)；電容表示生物體內(nèi)介電物質(zhì)容納電荷的能力；電感表示生物體在交流電場中磁通量與產(chǎn)生此磁通的電流之比。

分別對所測定的3種籽瓜果肉8個電學特性之間的相關(guān)性進行分析，以探討3種籽瓜果肉8個電學特性之間的相關(guān)關(guān)系；在特定的電學頻率范圍內(nèi)，分別建立3種籽瓜果肉8個電學特性與電學頻率之間的一元非線性回歸模型，以衡量電學頻率的變化對電學特性的影響。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用WPS 2019和Origin 2019進行數(shù)據(jù)分析與圖像繪制，利用SPSS 25進行電學特性之間的皮爾遜相關(guān)性分析（Pearson correlation analysis）。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種籽瓜果肉電學特性的頻率特性

2.1.1 3種籽瓜果肉阻抗、電導的頻率特性

由圖2a可以看出：隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉的阻抗均呈單調(diào)遞減的趨勢，且數(shù)值相差較大。從低頻到高頻階段，總體大小表現(xiàn)均為：靖遠2號>靖遠1號>大變小，但隨著頻率的增大，差異逐漸減小。在163.28～489.81 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉阻抗下降趨勢較快，而在489.81～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉阻抗下降趨勢較緩慢。籽瓜果肉阻抗與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性，這是由于果肉中細胞組織的不均勻性所引起的。低頻階段，通電電流從細胞外液所流過，此時阻抗較大，隨著頻率的增大，通電電流從細胞外液和細胞內(nèi)液均流過，此時阻抗明顯減小。

由圖2b可以看出：隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉的電導均呈單調(diào)遞增的趨勢，且數(shù)值相差較大。從低頻到高頻階段，總體大小表現(xiàn)均為：大變小>靖遠1號>靖遠2號，但隨著頻率的增大，差異逐漸減小。在163.28～489.81 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉電導上升趨勢較快，而在489.81～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉電導上升趨勢較緩慢。籽瓜果肉電導與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性，這是由于電導是反映電介質(zhì)傳輸通電電流能力強弱的參數(shù)，與生物體的幾何形狀、尺寸和電導率有關(guān)。而本文中，所制作的試驗樣本的幾何形狀和尺寸是統(tǒng)一的，故該現(xiàn)象的產(chǎn)生與3種籽瓜果肉的電導率有關(guān)的。

圖2 阻抗、電導隨頻率的變化Figure 2 Variation of impedance and conductance with frequency

2.1.2 3種籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容的頻率特性

由圖3a可以看出：隨著頻率的增大，靖遠1號籽瓜和大變小籽瓜果肉的品質(zhì)因數(shù)均呈單調(diào)遞減的趨勢，而靖遠2號籽瓜果肉的品質(zhì)因數(shù)呈先降低再緩緩升高，隨后有降低的趨勢。3種籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)的值比較接近，而在163.28～1 632.7 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)值下降趨勢均較快，靖遠1號籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)值高于靖遠2號和大變小，差異顯著性較小。而在1632.7～8000 kHz范圍內(nèi)，籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性，靖遠2號籽瓜果肉品質(zhì)因數(shù)值卻高于靖遠1號和大變小。

由圖3b可以看出：隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉的并聯(lián)等效電容均呈單調(diào)遞減的趨勢。在163.28～979.6 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容值均下降趨勢均較快，在1 632.7～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容值均下降趨勢緩慢。3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容的值比較接近，但在163.28～2 938.8 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容關(guān)系為：靖遠1號>大變小>靖遠2號；在3 102～3 755.1 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容關(guān)系為：靖遠1號>靖遠2號>大變??；在3 918.4～8 000 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電容關(guān)系為：靖遠2號>靖遠1號>大變小。

圖3 品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容隨頻率的變化Figure 3 Variation of quality factor and shunt equivalent capacitance with frequency

2.1.3 3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻的頻率特性

由圖4a可以看出：在163.28～4 734.7 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，靖遠1號籽瓜、靖遠2號籽瓜和大變小籽瓜果肉的并聯(lián)等效電感均呈單調(diào)遞增的趨勢，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感的值比較接近。在5 551～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，靖遠1號和大變小籽瓜果肉并聯(lián)等效電感表現(xiàn)無規(guī)律的峰值變化。在163.28～2 449 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感關(guān)系為：大變小>靖遠1號>靖遠2號；在2 612.3～3 102 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感關(guān)系為：靖遠1號>大變小>靖遠2號；在3 265.3～3 591.8 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感關(guān)系為：靖遠1號>靖遠2號>大變??；在3 755.1～5 387.8 kHz范圍內(nèi)，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電感關(guān)系為：靖遠2號>靖遠1號>大變小。

由圖4b可以看出：隨著頻率的增大，靖遠1號籽瓜、靖遠2號籽瓜和大變小籽瓜果肉的并聯(lián)等效電阻均呈單調(diào)遞減的趨勢。3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電阻的值相差較大，從低頻到高頻階段，總體大小表現(xiàn)均為：靖遠2號>靖遠1號>大變小，但隨著頻率的頻率的增大，差異逐漸減小。在163.28～489.81 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電阻下降趨勢較快，而在653.07～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉并聯(lián)等效電阻下降趨勢較緩慢，籽瓜果肉并聯(lián)等效電阻與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性。

圖4 并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻隨頻率的變化Figure 4 Variation of parallel equivalent inductance and parallel equivalent resistance with frequency

2.1.4 3種籽瓜果肉電抗、損耗因子的頻率特性

由圖5a可以看出：隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉的電抗均呈單調(diào)遞增的趨勢。低頻階段，3種籽瓜果肉電抗的值比較接近，高頻階段，3種籽瓜果肉電抗的值差距增大。從低頻到高頻，總體大小表現(xiàn)均為：大變小>靖遠1號>靖遠2號。在163.28～979.6 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉電抗上升趨勢較快，而在979.6～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，3種籽瓜果肉阻抗上升趨勢較緩慢，籽瓜果肉電抗與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性。

由圖5b可以看出：在163.28～5 714.3 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，靖遠1號籽瓜、靖遠2號籽瓜和大變小籽瓜果肉的損耗因子均呈單調(diào)遞增的趨勢，3種籽瓜果肉損耗因子的值比較接近，總體大小表現(xiàn)為：大變小>靖遠1號>靖遠2號。在5 877.6～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增大，靖遠1號和大變小籽瓜果肉損耗因子表現(xiàn)無規(guī)律的峰值變化。

圖5 電抗、損耗因子隨頻率的變化Figure 5 Variation of reactance and loss factor with frequency

2.2 3種籽瓜果肉電學特性相關(guān)性分析

3種籽瓜果肉電學特性之間相關(guān)性結(jié)果如表1、表2、表3所示。從表1、表2和表3可以看出，3種籽瓜果肉的阻抗與電導、并聯(lián)等效電感和電抗之間均呈極顯著負相關(guān)，與并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電阻之間呈極顯著正相關(guān)；電導與并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電阻之間呈極顯著負相關(guān)，與電抗之間呈極顯著正相關(guān)；并聯(lián)等效電容與并聯(lián)等效電感、電抗之間呈極顯著負相關(guān)，與并聯(lián)等效電阻呈極顯著正相關(guān)；并聯(lián)等效電感與并聯(lián)等效電阻之間呈極顯著負相關(guān)，與電抗之間呈極顯著正相關(guān)；并聯(lián)等效電阻與電抗之間呈極顯著負相關(guān)。靖遠1號籽瓜果肉的并聯(lián)等效電容與損耗因子之間無顯著相關(guān)性，靖遠2號籽瓜果肉的品質(zhì)因數(shù)與并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻、電抗和損耗因子之間均無顯著相關(guān)性，大變小籽瓜果肉的損耗因子與阻抗、品質(zhì)因數(shù)、并聯(lián)等效電容、并聯(lián)等效電感、并聯(lián)等效電阻和電抗之間均無顯著相關(guān)性。

表1 靖遠1號籽瓜果肉電學特性之間的相關(guān)性Table 1 The correlation between the electrical parameters of Jingyuan No.1 seed melon pulp

表2 靖遠2號籽瓜果肉電學特性之間的相關(guān)性Table 2 The correlation between the electrical parameters of Jingyuan No.2 seed melon pulp

表3 大變小籽瓜果肉電學特性之間的相關(guān)性Table 3 The correlation between the electrical parameters of Dabianxiao seed melon pulp

2.3 3種籽瓜果肉電學特性的回歸分析

利用Origin 2019對所測得的3種籽瓜果肉電學特性進行回歸分析，鑒于所使用的回歸分析方法相同，3種籽瓜果肉電學特性回歸分析結(jié)果一致，這里以靖遠1號籽瓜果肉電學特性回歸分析為例，具體結(jié)果見表4。從表4中可以看出，在163.28～8 000 kHz范圍內(nèi)，阻抗隨頻率的增加呈Expdec2模型分布，電導和并聯(lián)等效電阻隨頻率的增加呈Polyno‐mial模型分布，品質(zhì)因數(shù)和并聯(lián)等效電容隨頻率的增加呈Allometricl1模型分布，電抗隨頻率的增加呈Expassoc模型分布；在163.28～5 387.8 kHz范圍內(nèi)，并聯(lián)等效電感隨頻率的增加呈Expdec1模型分布；在163.28～5 714.3 kHz范圍內(nèi)，損耗因子隨頻率的增加呈Polynomial模型分布；決定系數(shù)均在0.93以上，回歸分析結(jié)果可靠。該結(jié)果指明了靖遠1號籽瓜果肉電學特性與頻率之間的關(guān)系，為鮮食籽瓜電學特性的品質(zhì)檢測研究提供理論依據(jù)。

表4 電學特性與頻率關(guān)系（以靖遠1號籽瓜果肉為例）Table 4 Correlation between frequency and electrical parameters（with example of Jingyuan No.1 seed melon pulp）

以并聯(lián)等效電容回歸分析結(jié)果為例，對Allome‐tricl1模型進行驗證，驗證試驗的頻率范圍仍在163.28～8 000 kHz之間，具體結(jié)果如圖6所示。測試值與模擬值的誤差小于3%，一致性較好，因此利用Allometricl1模型能較好地模擬并聯(lián)等效電容與頻率之間的關(guān)系。

圖6 Allometricl1模型的驗證Figure 6 Verification of Allometricl1 model

3 討論

胡蘿卜[13]、西 瓜[16-17]、蜜瓜[16]、馬鈴薯[13]、桃[18]、棗[19-21]和草莓[22]等果蔬室溫貯藏時，均表現(xiàn)出介電損耗因子和介電常數(shù)隨頻率的變化而呈函數(shù)模型分布[23]。本研究發(fā)現(xiàn)：在特定的電激勵頻率段內(nèi)，3種籽瓜果肉阻抗、電導以及品質(zhì)因數(shù)等8種電學特性均隨頻率的變化呈不同的函數(shù)模型關(guān)系；在163.82～8 000 kHz范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，3種籽瓜果肉的阻抗下降、電導升高，與茄子[24]、紅巴梨[25]、蘭州百合[26]、西紅柿[27-28]和桃[18]等研究結(jié)果相似，該結(jié)果產(chǎn)生的原因是由于果肉中細胞組織的不均勻性和電導率不同所引起的，進一步說明了各種水果及蔬菜的電學特性的頻率特性變化相似。隨著頻率的增加，3種籽瓜的并聯(lián)等效電容均呈下降變化趨勢，這與“嘎啦”蘋果果實[29]、紅巴梨[25]和柿果[30]等低頻范圍內(nèi)的處理時研究結(jié)果相同，而與獼猴桃果實研究結(jié)果相反[31]，這可能與電容升高后離子的導電能力和所選擇的電激勵頻率范圍不同有關(guān)。在高頻范圍內(nèi)，靖遠1號籽瓜、大變小籽瓜果肉的并聯(lián)等效電感和損耗因子均表現(xiàn)出無規(guī)律的峰值變化，該結(jié)果或許可能與兩者的本質(zhì)基因有關(guān)。

通過測定果實的電學特性，可為果實的電學檢測和品質(zhì)鑒定提供參考依據(jù)。郭文川等[32-33]研發(fā)現(xiàn)，介電頻譜可用于檢測“庫爾勒”香梨的糖度和蘋果的可溶性固形物；沈靜波等[21]研究發(fā)現(xiàn)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可建立長棗的新鮮度預測模型，且新鮮度等級平均識別率可達81.67%；高亞平等[34]研究發(fā)現(xiàn)，基于介電特性預測干燥過程中青蘿卜的含水率、糖度等是準確的；李冬冬等[22]研究發(fā)現(xiàn)，利用草莓的介電參數(shù)預測草莓的內(nèi)在品質(zhì)是可行的；屠鵬等[35]研究發(fā)現(xiàn)，介電特性法可快速評價果品的機械損傷。本研究建立了籽瓜果肉電學特性隨頻率變化的回歸模型，可為后期建立電學特性與品質(zhì)之間的模型提供理論基礎(chǔ)。

相關(guān)性分析可以用來衡量兩個變量因素的關(guān)系密切程度。本研究的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：3種籽瓜果肉的X與G、Lp和X之間均呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與Rp和Cp之間呈極顯著正相關(guān)（P<0.01)；3種籽瓜果肉的D與Cp之間均無顯著相關(guān)性。該結(jié)果的產(chǎn)生可能與3種籽瓜果肉內(nèi)部含水率、結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究以“靖遠1號”“靖遠2號”和“大變小”3種籽瓜為試驗材料，在預試驗基礎(chǔ)上，利用平行板電極法測定了籽瓜果肉在49個頻率點下8個電學特性，明確了3種籽瓜果肉電學特性隨頻率的變化規(guī)律，區(qū)分了3種籽瓜果肉電學特性之間的差異；在一定的頻率范圍內(nèi)，利用特定的函數(shù)模型對3種籽瓜電學特性的試驗結(jié)果進行回歸分析，得到了較好的擬合結(jié)果；通過對Allometricl1模型進行驗證，得出測試值與模擬值的一致性較好，表明利用Allome‐tricl1模型能較好地模擬并聯(lián)等效電容與頻率之間的關(guān)系，該結(jié)論可為鮮食籽瓜電學特性的品質(zhì)檢測研究提供理論依據(jù)。