基于電學(xué)特性的水果品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)研究進(jìn)展

尹勇 陳超 牛希躍 江陽(yáng) 劉揚(yáng) 牛浩 張宏

摘 要：基于電學(xué)特性的水果無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于水果品質(zhì)的定量評(píng)價(jià)和篩選分級(jí)，在果品品質(zhì)檢測(cè)方面已有了較多的研究報(bào)道。該文基于幾種常用的電學(xué)參數(shù)測(cè)定方法，綜述了利用電學(xué)特性檢測(cè)水果成熟度、硬度、含水率、可溶性固形物、損傷和病害的研究進(jìn)展，并對(duì)基于電學(xué)特性的果品檢測(cè)技術(shù)的研究方向和待解決的問(wèn)題進(jìn)行了分析，以期為果品無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：水果;電學(xué)特性;電學(xué)參數(shù);無(wú)損檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) S609.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2022）05-0153-04

Abstract： Quantitative evaluation and screening grading of fruit quality can be realized based on nondestructive testing technology of electrical characteristics， it has certain application in fruit quality inspection. This paper is based on several commonly used methods for measuring electrical parameters， the influence of voltage， frequency and temperature on electrical parameters is discussed， this paper reviews the research progress of fruit maturity， hardness， moisture content， soluble solids， damage and disease by using electrical characteristics， the research direction and problems to be solved of fruit detection technology based on electrical characteristics were analyzed， in order to provide reference for the development of fruit nondestructive testing technology

Key words： Fruit; Electrical characteristics; Electrical parameters; Nondestructive testing

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（NDT）是指在不破壞待測(cè)樣品的原始狀態(tài)情況下，對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的一種方法。由于其快速、簡(jiǎn)便、高效，特別是非破壞性的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已在果實(shí)品質(zhì)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)水果品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)、定量評(píng)價(jià)和品質(zhì)分級(jí)，有助于提高水果經(jīng)濟(jì)價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，基于光學(xué)特性、電子鼻、機(jī)器視覺(jué)、核磁共振、聲學(xué)特性及電學(xué)特性等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)果蔬品質(zhì)檢測(cè)的研究日益增多[1-5]。

基于電學(xué)特性的無(wú)損檢測(cè)可以測(cè)定水果的成熟度、硬度、損傷和病害等品質(zhì)，該檢測(cè)技術(shù)具有操作步驟簡(jiǎn)單、儀器反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)。從微觀結(jié)構(gòu)上看，水果整體是一個(gè)不均勻的電介質(zhì)、其內(nèi)部存在大量帶電粒子，形成生物電場(chǎng)，而水果在生長(zhǎng)成熟、發(fā)生損傷和病害的過(guò)程中都會(huì)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)，導(dǎo)致生物組織中各類(lèi)物質(zhì)所攜帶電荷的數(shù)量和空間分布發(fā)生變化，從而改變生物電場(chǎng)的強(qiáng)度和分布，從宏觀上影響著水果的電學(xué)特性[6]。基于電學(xué)特性可以測(cè)定水果成熟度、硬度、可溶性固形物（SSC）、損傷和病害等品質(zhì)指標(biāo)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)水果內(nèi)部品質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)、定量評(píng)價(jià)、分選分級(jí)、加工和貯藏等都有著重要意義。

本文基于2種常用的電學(xué)參數(shù)測(cè)定方法，對(duì)水果電學(xué)參數(shù)測(cè)定的影響因素以及電學(xué)特性檢測(cè)水果品質(zhì)方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，以期為采后果品電學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)提供依據(jù)。

1 電學(xué)參數(shù)的測(cè)定方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在水果品質(zhì)檢測(cè)的研究方面主要運(yùn)用平行板技術(shù)和同軸探頭技術(shù)[7]。自由空間法主要用于測(cè)量小麥的相對(duì)介電常數(shù)，在水果品質(zhì)中的檢測(cè)未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。諧振腔技術(shù)要求被測(cè)樣品是小顆粒狀物料，不適用于水果品質(zhì)的檢測(cè)。傳輸線技術(shù)因?yàn)橹苽錁悠愤^(guò)程較為繁雜，且其測(cè)試頻段窄，該技術(shù)主要在20世紀(jì)80—90年代被用于農(nóng)產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)中，2000年以后的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

1.1 平行極板技術(shù) 平行極板技術(shù)原理是用2塊極板填充滿待測(cè)農(nóng)業(yè)物料，形成電容器，利用電容容量變化，測(cè)量樣品的損耗角正切值（tanδ）、等效阻抗（Z）等電學(xué)參數(shù)，測(cè)量頻率范圍在100MHz以下。該技術(shù)在測(cè)定種子、水果等農(nóng)產(chǎn)品的電學(xué)特性方面已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，具有設(shè)備價(jià)格低廉、測(cè)量原理簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 同軸探頭技術(shù) 終端開(kāi)路的同軸探頭是同軸傳輸線的截面，當(dāng)探頭浸入液體樣品或接觸固體樣品的表面時(shí)，開(kāi)始測(cè)量樣品的電學(xué)參數(shù)。該方法操作簡(jiǎn)便、測(cè)量精度高，但要求被測(cè)材料具有較大的非磁性截面，而且測(cè)試頻率需要控制在500MHz～110GHz。對(duì)于相對(duì)介電常數(shù)（ε′）及介電損耗因數(shù)（ε″）較小的材料，其測(cè)試精度會(huì)受到一定限制。同軸探頭測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。

2 基于電學(xué)特性檢測(cè)技術(shù)在果品品質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)果品成熟度 水果的成熟度對(duì)水果分選、分級(jí)以及保鮮具有重要的意義，是水果品質(zhì)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一。在果實(shí)成熟過(guò)程中，其內(nèi)部的生理反應(yīng)會(huì)伴隨著物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致生物組織中各種物質(zhì)所攜帶電荷的強(qiáng)度和空間分布發(fā)生變化，在外加電場(chǎng)的作用下，不同成熟度的水果將呈現(xiàn)不同的電學(xué)特性。

王瑞慶等[8]利用平行板電極技術(shù)測(cè)量了頻率范圍在100Hz～5MHz內(nèi)紅巴梨的電學(xué)參數(shù)Z、電容（C）、電感（L）。在低頻區(qū)，不同成熟度果實(shí)的Z和L值存在顯著差異（P=0.01），隨成熟度的增大，果實(shí)Z和L值顯著降低。說(shuō)明利用紅巴梨的電學(xué)參數(shù)Z和L值在低頻區(qū)可以有效地區(qū)分出不同成熟度的紅巴梨果實(shí)。Chowdhury等[9]使用同軸探頭技術(shù)在50Hz～1MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量了香蕉成熟過(guò)程中的復(fù)阻抗幅值和相角，隨著香蕉的逐漸成熟，復(fù)阻抗實(shí)部和虛部均逐漸增加，結(jié)果表明，可以通過(guò)復(fù)阻抗值來(lái)判斷香蕉的成熟度。蘭海鵬等[10]用平行極板技術(shù)測(cè)量了香梨的電學(xué)參數(shù)，研究了不同成熟度香梨電學(xué)特性的變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在測(cè)試頻率大于1kHz時(shí)，香梨的C、L值隨成熟度變化呈現(xiàn)不規(guī)則變化，該研究則說(shuō)明無(wú)法通過(guò)C、L值來(lái)預(yù)測(cè)香梨的成熟度。

大量研究表明，可以通過(guò)水果的電學(xué)參數(shù)值變化來(lái)區(qū)分其成熟度，但當(dāng)前基于水果電感參數(shù)對(duì)成熟度的鑒別尚存在一些爭(zhēng)議。也學(xué)者研究表明，電感隨果實(shí)成熟度增加而降低，而有學(xué)者研究表明電感與果實(shí)的成熟度無(wú)相關(guān)性。造成這一現(xiàn)象的原因是被研究的水果品種不同，其生理特性不一樣，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不同，不同品種果實(shí)成熟度對(duì)電感的影響仍需進(jìn)一步研究。

2.2 檢測(cè)果品硬度 硬度同樣影響著水果的電學(xué)特性。硬度是反映果肉抗壓能力強(qiáng)弱的重要參數(shù)，可以作為判斷水果品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。唐玉榮等[11]使用平行極板技術(shù)測(cè)量了0.1kHz～1kHz下香梨的電學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，在測(cè)試頻率0.1kHz下，香梨的硬度與其tanδ、并聯(lián)等效電容（Cp）值呈極顯著負(fù)相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.960、

-0.991;與并聯(lián)等效電阻（Rp）呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985。該研究為使用香梨的tanδ、Cp、Rp值的大小來(lái)預(yù)測(cè)硬度提供了理論依據(jù)?？追睒s等[12]使用同軸探頭技術(shù)測(cè)量貯藏期蘋(píng)果在測(cè)試頻率為20～4500MHz間的ε′、ε″值，結(jié)果表明，在蘋(píng)果發(fā)育后期果實(shí)的硬度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。電學(xué)參數(shù)ε′、ε″與硬度之間存在正線性相關(guān)性。ε′與硬度的相關(guān)系數(shù)隨著頻率的增大而增大，在頻率為4500MHz時(shí)相關(guān)系數(shù)出現(xiàn)最大值0.88。說(shuō)明在特征頻率4500MHz下用ε′來(lái)預(yù)測(cè)蘋(píng)果的硬度可以達(dá)到最佳效果。蔣寶[13]使用平行極板技術(shù)測(cè)量了不同貯藏期內(nèi)紅提葡萄在100Hz～150kHz頻率下8個(gè)頻率點(diǎn)的Z、L、Lp、Rp四個(gè)電學(xué)參數(shù)，研究葡萄不同硬度下其電學(xué)特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明，Z、L、Lp、Rp 4個(gè)電學(xué)參數(shù)均與硬度指標(biāo)顯著相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.938、0.968、0.972、0.927。試驗(yàn)為使用葡萄的電學(xué)參數(shù)Z、L、Lp、Rp來(lái)預(yù)測(cè)葡萄的硬度提供了理論依據(jù)。

目前，學(xué)者對(duì)果實(shí)硬度和電學(xué)特性的關(guān)系研究大多在蘋(píng)果、梨、桃等果實(shí)上，對(duì)果實(shí)硬度反應(yīng)最為敏感的電學(xué)參數(shù)是Rp、Lp，其他果實(shí)硬度和電學(xué)特性上是否存在相關(guān)關(guān)系有待進(jìn)一步研究。

2.3 檢測(cè)果品可溶性固形物含量 可溶性固形物是果實(shí)中水溶性化合物的總稱(chēng)，包括糖、酸、維生素和礦物質(zhì)等，是果實(shí)的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一，其含量是評(píng)價(jià)果實(shí)成熟與衰老的重要指標(biāo)。Nelson等[14]使用同軸探頭技術(shù)測(cè)量了哈密瓜的電學(xué)參數(shù)，研究哈密瓜電學(xué)特性和SSC含量之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，在10MHz頻率時(shí)，哈密瓜ε′值與SSC含量之間的相關(guān)系數(shù)為0.76;在1.8GHz頻率時(shí)，哈密瓜ε″值與SSC含量之間的相關(guān)系數(shù)為0.96。說(shuō)明在測(cè)試頻率1.8GHz時(shí)，可以用哈密瓜的ε″值的大小來(lái)預(yù)測(cè)其SSC含量，且預(yù)測(cè)效果較好。沈靜波等[15]采用同軸探頭技術(shù)測(cè)量了200MHz～18GHz頻率范圍內(nèi)101個(gè)頻率點(diǎn)下靈武長(zhǎng)棗ε′、ε″的頻譜，通過(guò)遺傳算法（GA）和關(guān)系數(shù)法（CC）提取有效ε′、ε″頻譜信息。采用偏最小二乘法（PLS）、主成分回歸法（PCR）和支持向量機(jī)法（SVM）分別建立了SSC的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明，以ε′、ε″頻譜建立的SSC含量的最優(yōu)預(yù)測(cè)模型為GA-PCR、其校正集相關(guān)系數(shù)為0.933，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)為0.925。說(shuō)明利用介電頻譜預(yù)測(cè)長(zhǎng)棗SSC含量是可行的。郭文川等[16] 使用同軸探頭技術(shù)測(cè)量了10MHz～1.8GHz頻率范圍內(nèi)密瓜汁的電學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)在頻率1.8GHz下，密瓜汁的SSC含量與tanδ值相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.973。該研究為使用tanδ值來(lái)預(yù)測(cè)蜜瓜汁SSC含量提供了理論依據(jù)。唐燕等[17]使用平行板電極技術(shù)測(cè)量了獼猴桃的電學(xué)參數(shù)，在特征頻率0.1kHz下探究了其電特性參數(shù)和SSC含量關(guān)系，結(jié)果表明，可用獼猴桃的電參數(shù)Z值、阻抗相角（θ）值量化果實(shí)SSC含量，在測(cè)試為頻率1MHz和1.58MHz下，可用獼猴桃Cp值量化其SSC含量。

前人研究結(jié)果表明，電學(xué)參數(shù)ε″、Z、Lp、Cp對(duì)果實(shí)SSC含量反應(yīng)敏感，為今后研究者選擇那些電參數(shù)指標(biāo)檢測(cè)果實(shí)SSC含量提供了參考，為利用電學(xué)特性檢測(cè)水果SSC含量的新儀器研制提供了理論依據(jù)。

2.4 檢測(cè)果品損傷 果實(shí)損傷引起的細(xì)胞破裂，使結(jié)合水變成自由水，流失到細(xì)胞間隙，導(dǎo)致細(xì)胞間含水量增加，從而反映出正常果實(shí)與損傷果實(shí)電學(xué)參數(shù)的差異。

Phillipa等[18]使用平行板電極技術(shù)測(cè)量損傷蘋(píng)果的電學(xué)參數(shù)，對(duì)損傷蘋(píng)果的Z值的變化規(guī)律，結(jié)果表明，可以用Z值來(lái)評(píng)估水果的損傷程度。邊紅霞等[19]使用平行板電極法同步監(jiān)測(cè)了蘋(píng)果在受靜壓過(guò)程中的電學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，在受壓時(shí)間一定的情況下，隨著靜壓力的增大，果實(shí)的ε′值增大;在果實(shí)承受靜壓力大小相同時(shí)，隨著靜壓時(shí)間的延長(zhǎng)，果實(shí)的ε′值增大。電學(xué)參數(shù)ε′能夠預(yù)測(cè)蘋(píng)果的損傷程度。范修文等[20]對(duì)庫(kù)爾勒香梨進(jìn)行靜壓損傷試驗(yàn)，通過(guò)平行極板技術(shù)測(cè)量其電學(xué)參數(shù)，構(gòu)建了庫(kù)爾勒香梨電學(xué)參數(shù)值與損傷面積的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，隨著香梨的損傷面積逐漸增大，Rp值逐漸減小，導(dǎo)納逐漸增大。通過(guò)測(cè)量香梨損傷前后電學(xué)參數(shù)Rp和導(dǎo)納值，即可量化評(píng)價(jià)庫(kù)爾勒香梨的損傷程度。

以上研究表明，電學(xué)參數(shù)ε′對(duì)果實(shí)損傷的檢測(cè)效果最佳。當(dāng)前學(xué)者對(duì)果實(shí)的顯性損傷研究較多，而對(duì)果實(shí)的隱形損傷是今后電學(xué)特性檢測(cè)果實(shí)損傷的重點(diǎn)。

2.5 檢測(cè)果品病害 果實(shí)發(fā)生病害時(shí)其生物代謝及生理結(jié)構(gòu)都發(fā)生了很大變化，從而導(dǎo)致其電學(xué)特性也發(fā)生了變化。黃良妹[21]使用平行板電極技術(shù)測(cè)量在100Hz～1MHz頻率下重度褐變果、輕度褐變果、無(wú)褐變果的電學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，3.98MHz頻率下褐變重度果、褐變輕度果與無(wú)褐變果的電學(xué)參數(shù)Z值差異顯著，隨著褐變程度加深，電學(xué)參數(shù)Z值越大。嚴(yán)重褐變果和無(wú)褐變果的Ls、Cs值在任何頻率下都存在顯著差異，褐變?cè)絿?yán)重，Ls值越大，Cs值越小。0.1～10KHz范圍內(nèi)蘋(píng)果內(nèi)部褐變最嚴(yán)重時(shí)tanδ值達(dá)到高峰，研究表明可用Ls、Cs、Z值預(yù)測(cè)蘋(píng)果褐變的嚴(yán)重程度，當(dāng)褐變最嚴(yán)重時(shí)，tanδ值最大。Sinica等[22]使用平行板電極技術(shù)測(cè)量了菠蘿的電學(xué)參數(shù)，研究了菠蘿黑心病對(duì)果肉組織電阻的影響，結(jié)果表明，黑心病果實(shí)電阻低于正常果實(shí)，病害越嚴(yán)重，電阻越低。王若琳等[23]采用平行板電極技術(shù)測(cè)量了100Hz～3.98MHz之間對(duì)數(shù)值呈均勻分布的13個(gè)頻率點(diǎn)下的11個(gè)電學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，介電損耗系數(shù)（D）和deg隨頻率的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì);在特征頻率100～25100Hz的低頻區(qū)內(nèi)水心病果的D、deg值高于好果。Cs、Cp隨頻率的增加呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì);在100～10000Hz的低頻區(qū)病果Cs、Cp高于好果，在高頻區(qū)域則趨于一致。ε′值隨著頻率的增加而降低，ε″先隨頻率的降低而迅速下降，后逐漸處于平穩(wěn);在100～10000Hz頻率區(qū)域內(nèi)，病果的ε′、ε″值均明顯高于好果。利用ε″結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在100～25100Hz下對(duì)水心病的識(shí)別正確率均為100%，說(shuō)明ε″是簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確識(shí)別蘋(píng)果水心病的電學(xué)參數(shù)。李芳等[24]運(yùn)用平行板電極技術(shù)在100～3.98MHz頻率測(cè)量了霉心病果和好果的電學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明，各頻率點(diǎn)下霉心病果的Z對(duì)數(shù)值均小于好果，并在頻率100Hz～1MHz區(qū)間達(dá)差異顯著性水平（P≤0.05）;各頻率點(diǎn)下霉心病果的B對(duì)數(shù)值均大于好果，并在1580Hz～1MHz區(qū)間均達(dá)到差異顯著性水平（P≤0.05）;各頻率點(diǎn)下霉心病果的Cp對(duì)數(shù)值均大于好果，并且在631～1.0MHz區(qū)間達(dá)到差異顯著性水平（P≤0.05）。表明Z、B、Cp可以作為區(qū)分病果和好果的特征參數(shù)。

果實(shí)發(fā)生病害往往引起多項(xiàng)理化和生理指標(biāo)的變化，相應(yīng)地，電學(xué)特性改變也會(huì)以一整套參數(shù)觀測(cè)值的變化表現(xiàn)出來(lái)。另外，不同的果實(shí)生理變化引起同步變化的電學(xué)參數(shù)會(huì)有所不同。因此，找出一種快速篩選敏感參數(shù)的方法是今后利用電學(xué)特性進(jìn)行果實(shí)病害檢驗(yàn)的研究方向。對(duì)病害水果實(shí)現(xiàn)可視化分析，仍需進(jìn)一步研究。

3 存在問(wèn)題與展望

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水果電學(xué)特性的研究雖已取得了一定的成果，但仍存在以下方面的問(wèn)題：

（1）研究主要針對(duì)水果品質(zhì)對(duì)其電學(xué)參數(shù)的影響及是否存在相關(guān)性，而對(duì)其影響機(jī)理的探究較少，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究;（2）研究?jī)H局限在蘋(píng)果、梨、甜瓜、獼猴桃、尖柿、葡萄等少數(shù)幾種水果，電特性和其品質(zhì)的相關(guān)性關(guān)系是否適用于其他類(lèi)型水果有待探究;（3）電特性檢測(cè)的精度和效率因?yàn)閮x器設(shè)備的原因受到一定限制，且現(xiàn)有儀器過(guò)于龐大，檢測(cè)儀器的小型化、自動(dòng)化和系統(tǒng)化是必然趨勢(shì)，對(duì)檢測(cè)儀器的優(yōu)化研究是下一步研究的重點(diǎn);（4）不同水果其品質(zhì)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的敏感電學(xué)參數(shù)不同，需要準(zhǔn)確地檢測(cè)出水果的品質(zhì)，就必須先找到其敏感電學(xué)參數(shù)與之相匹配，并建立果品電學(xué)特性信息數(shù)據(jù)庫(kù);（5）研究集中在運(yùn)用電學(xué)特性對(duì)水果品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，今后用電學(xué)特性對(duì)水果品質(zhì)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)應(yīng)是研究重點(diǎn)內(nèi)容;（6）因電學(xué)特性檢測(cè)不具備可視化，所以應(yīng)當(dāng)與其他檢測(cè)手段聯(lián)合起來(lái)從而全面地檢測(cè)出水果的內(nèi)外部品質(zhì)。

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（責(zé)編：張宏民）