不同等級(jí)蘭州百合的電學(xué)特性

邊紅霞，屠 鵬，張小平

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

蘭州百合鱗莖碩大，顏色潔白，營養(yǎng)豐富，且有很高的食用、藥用、保健和觀賞價(jià)值，以名菜、良藥名甲天下，它不僅是中國百合中的上品，而且是中國甜百合中的佼佼者[1-4]。為促進(jìn)蘭州百合產(chǎn)業(yè)化更快發(fā)展，蘭州市政府已出臺(tái)分級(jí)定價(jià)等一系列辦法，現(xiàn)有的蘭州百合分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要從外部形態(tài)和內(nèi)部成分方面區(qū)分，存在人力成本高、檢測時(shí)間長等缺點(diǎn)。食品物性學(xué)已成為食品科學(xué)研究和食品工業(yè)發(fā)展必要的研究領(lǐng)域，包括力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)等[5]，其中電特性法因其方便快捷的特點(diǎn)越來越受到重視。關(guān)于果品成熟度和新鮮度對電特性影響的研究較多[6-11]，而關(guān)于蘭州百合電特性的研究較少，本實(shí)驗(yàn)對不同等級(jí)的百合測定其電學(xué)特性，期望通過電特性的測定為百合等級(jí)的分類提供依據(jù)。

1 材料與方法

百合：產(chǎn)自蘭州市西果園，采摘當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室采用保鮮袋封存于冰箱內(nèi)冷藏，第2天實(shí)驗(yàn)前3h取出。不同等級(jí)百合的分選采用2002年蘭州市發(fā)布的《蘭州百合品種標(biāo)準(zhǔn)》(DB62/T 410—2002)進(jìn)行，所選用的不同等級(jí)百合基本參數(shù)如表1所示。

表1 不同等級(jí)蘭州百合基本參數(shù)Table 1 Parameters of different grades of Lilium davidii var.unicolor

電特性參數(shù)的測定采用同惠TH2828A型LCR測試儀，挑選百合第3層葉片清洗晾干后水平置于自制的平行板電容器之間，電容器極板與LCR測試儀連接采用儀器自帶的TH26011B夾具。平行板電容器極板采用薄鐵皮自制(尺寸與百合葉片尺寸相近)，極板厚0.60mm、長30.38mm、寬15.06mm。測試前對LCR測試儀進(jìn)行開路和短路校準(zhǔn)，直流無偏置，測試電平1.00V，信號(hào)源輸出阻抗30.00Ω，平均次數(shù)3次，測試頻率(f)為50Hz～1MHz之間的44個(gè)頻率點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

對不同等級(jí)的百合進(jìn)行復(fù)阻抗(Z)、相對介電常數(shù)(ε’)、并聯(lián)等效電容(Cp)、并聯(lián)等效電感(Lp)、相位角(θ)、品質(zhì)因數(shù)(Q)、損耗因子(D)和電導(dǎo)(G)等參數(shù)的測定。分析發(fā)現(xiàn)，不同參數(shù)與百合等級(jí)的規(guī)律性關(guān)聯(lián)不同，所以將測試參數(shù)分為與百合等級(jí)有直接關(guān)系參數(shù)和與百合等級(jí)無關(guān)系參數(shù)兩類。

2.1 直接關(guān)系參數(shù)

2.1.1 不同頻率下百合等級(jí)與復(fù)阻抗之間的關(guān)系

圖1 不同等級(jí)百合頻率-復(fù)阻抗變化規(guī)律Fig.1 Relationship between equivalent impedance valve of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

復(fù)阻抗(Z)是指由電阻、電容和電感組成的生物體等效復(fù)合電路中電阻與電抗的總和，，式中：R表示電阻，X表示電抗。由圖1可知，在50～1200Hz范圍內(nèi)隨著頻率的增加，復(fù)阻抗變化不大。在1.2kHz～1MHz范圍內(nèi)隨著頻率的增加，百合復(fù)阻抗呈下降趨勢，且頻率在1.2kHz～1MHz范圍內(nèi)變化時(shí)，lg|Z|與lgf之間呈明顯的線性關(guān)系，這與馬海軍等[12]在100Hz～3.98MHz條件下對蘋果電特性參數(shù)測定所得結(jié)論是一致的。百合葉片復(fù)阻抗的模|Z|與等級(jí)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，同一頻率下隨著百合等級(jí)的提高，其復(fù)阻抗的模|Z|呈下降趨勢，且有|Z|一級(jí)＜|Z|二級(jí)＜|Z|三級(jí)＜|Z|三級(jí)以下。表2給出了在1.2kHz～1MHz頻率范圍內(nèi)不同等級(jí)百合1g|Z|－1gf線性擬合方程。

表2 1.2kHz～1MHz頻率條件下不同等級(jí)百合1g|Z|－lgf線性擬合方程Table 2 lgZ－lgf liner relationship of different grades of Lilium davidii var.unicolor in the range of 1200 Hz–1 MHz

2.1.2 不同頻率下百合等級(jí)與相對介電常數(shù)之間的關(guān)系

相對介電常數(shù)是電介質(zhì)固有的一種物理屬性，表示物料貯存的電場能量，反映該物料提高電路模型電容器電容量的能力。通常利用LCR測量儀測出電容器在裝填物料前空電容器的電容C0和裝有物料時(shí)的電容Cs兩個(gè)參數(shù)，則相對介電常數(shù)(ε’)的計(jì)算公式為ε’=C0/Cs。由圖2可知，在測定頻率范圍內(nèi)隨著加載頻率的增加，百合相對介電常數(shù)呈減小趨勢，百合葉片相對介電常數(shù)與等級(jí)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，同一頻率下隨著百合等級(jí)的提高，其相對介電常數(shù)呈增大趨勢，且有ε’一級(jí)＞ε’二級(jí)＞ε’三級(jí)＞ε’三級(jí)以下。

圖2 不同等級(jí)百合頻率-相對介電常數(shù)變化規(guī)律Fig.2 Correlation between relative dielectric constant of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

2.1.3 不同頻率下百合等級(jí)與電導(dǎo)之間的關(guān)系

圖3 不同等級(jí)百合頻率-電導(dǎo)變化規(guī)律Fig.3 Correlation between electric conductance of different grades of Lilium davidii var.unicolor and frequency

電導(dǎo)是反映電介質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的參數(shù)，對于某一種導(dǎo)體而言電導(dǎo)指允許電流通過它的容易性的量度，是電阻的倒數(shù)，與生物體的電導(dǎo)率以及幾何形狀和尺寸有關(guān)。由圖3可知，在50～1200Hz范圍內(nèi)隨著頻率的增加，電導(dǎo)變化不大。在1.2kHz～1MHz范圍內(nèi)隨著頻率的增加，百合電導(dǎo)呈增大趨勢，百合葉片電導(dǎo)與等級(jí)之間有很強(qiáng)的相關(guān)性，同一頻率下隨著百合等級(jí)的提高，其電導(dǎo)呈增大趨勢，且有G一級(jí)＞G二級(jí)＞G三級(jí)＞G三級(jí)以下。

2.2 無關(guān)系參數(shù)

由圖4可知，在不同加載頻率下，百合等級(jí)與損耗因子(D)、品質(zhì)因數(shù)(Q)、并聯(lián)等效電感(Lp)、相位角(θ)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，沒有表現(xiàn)出隨百合等級(jí)提高而遞增或者遞減的規(guī)律。

郭文川等[13]對不同成熟度西紅柿的介電特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在加載頻率一定時(shí)，隨著成熟度的提高，西紅柿的相對介電常數(shù)增大，復(fù)阻抗減小。在4kHz～150kHz的頻段內(nèi)，隨著加載頻率的增大，復(fù)阻抗減小，相對介電常數(shù)略有減小。本研究對百合的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論，在同一加載頻率下隨百合等級(jí)的提高，相對介電常數(shù)增大，復(fù)阻抗減小，且在加載頻率范圍內(nèi)隨頻率的增大復(fù)阻抗和相對介電常數(shù)均減小。陳志遠(yuǎn)等[14]在500kHz～5MHz的頻率范圍內(nèi)對不同成熟度番茄電特性的研究也具有相同的規(guī)律，即隨番茄成熟度的增加，果實(shí)的復(fù)阻抗值逐漸減小，而其相對介電常數(shù)值持續(xù)增加。由此可見，復(fù)阻抗和相對介電常數(shù)可作為判斷農(nóng)產(chǎn)品等級(jí)或成熟度的指示參數(shù)。

圖4 無關(guān)系參數(shù)變化規(guī)律圖Fig.4 Change of non-relevance parameters in different grades of Lilium davidii var.unicolor as the change of frequency

Feng等[15]在915MHz～2.45GHz的微波頻率范圍內(nèi)研究了介電常數(shù)和損耗因子隨蘋果含水率的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率處于高水平時(shí)(大于70%)，自由水和離子導(dǎo)電是影響蘋果電特性變化的主要因素；當(dāng)含水率適中時(shí)(23%)，則離子導(dǎo)電起主要作用；當(dāng)含水量處于低水平時(shí)(4%)，束縛水起著主要作用。Nelson等[16-19]在射頻與微波頻率范圍內(nèi)對果實(shí)的電特性深入研究發(fā)現(xiàn)：果實(shí)的介電常數(shù)基本上隨著頻率的升高而穩(wěn)定地下降，而損耗系數(shù)則隨頻率的增加呈起伏性變化；頻率較低時(shí)，各種果實(shí)和蔬菜組織樣品的介電特性主要受離子導(dǎo)電和束縛水的馳豫影響，頻率很高時(shí)，則主要受自由水的影響；在0.2～20GHz頻率范圍內(nèi)測試了處于3個(gè)不同成熟度的梨組織樣品的電特性，同樣發(fā)現(xiàn)介電常數(shù)與成熟度相關(guān)。本研究工作所加載的頻率較低，且鮮百合的含水率較高(＞60%)[20]，所以影響蘭州百合電特性變化的因素主要為自由水和離子導(dǎo)電，不同等級(jí)蘭州百合生理指標(biāo)存在一定的差異，導(dǎo)致了其電特性參數(shù)的不同。

隨著蘭州百合的規(guī)?；l(fā)展，品種混雜、退化的問題日趨嚴(yán)重，能夠符合市場要求的“牡丹頭”精品百合所占比例越來越小，大量“千字頭”劣質(zhì)百合流入市場，以次充優(yōu)，嚴(yán)重?fù)p害了蘭州百合的形象，造成市場萎縮，價(jià)格的大幅波動(dòng)。所以對蘭州百合進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地分級(jí)就成了一種必然要求。通過分析發(fā)現(xiàn)，通過百合復(fù)阻抗、相對介電常數(shù)和電導(dǎo)來評(píng)價(jià)其等級(jí)是可行的。同其他的無損檢測方法相比，電特性檢測方法能夠測定果蔬的綜合品質(zhì)，同時(shí)由于其所用的檢測設(shè)備相對簡單，信號(hào)的采集和處理比較容易，因而電特性無損檢測方法具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 論

3.1 在50Hz～1MHz頻率范圍內(nèi)，復(fù)阻抗、相對介電常數(shù)和電導(dǎo)可作為判斷百合等級(jí)的指示參數(shù)，并聯(lián)等效電感、相位角、品質(zhì)因數(shù)和損耗因子等參數(shù)則與百合等級(jí)的關(guān)聯(lián)性規(guī)律不強(qiáng)。

3.2 在同一加載頻率下，隨百合等級(jí)的提高，其相對介電常數(shù)和電導(dǎo)增大，復(fù)阻抗減小。

3.3 隨加載頻率的增大，復(fù)阻抗和相對介電常數(shù)均減小，電導(dǎo)增加。

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