3種籽瓜果肉電學(xué)特性的變化規(guī)律及其差異分析

熊世磊，王啟慧，萬芳新，黃曉鵬*

（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)食品科學(xué)與工程學(xué)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(xué)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(xué)特性來加以區(qū)別。對于電學(xué)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(xué)特性的測定具有快速準(zhǔn)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(xué)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(xué)電特性的主要因素[14-15]。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用電學(xué)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(xué)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(yù)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(xué)特性的變化，旨在區(qū)分3種籽瓜果肉電學(xué)特性隨頻率的變化規(guī)律及其差異，以期為鮮食籽瓜電學(xué)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(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)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(biāo)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(biāo)號樣品如圖1b所示。

圖1 試驗裝置和標(biāo)號樣品Figure 1 Test set and labeled samples

1.2.3 測定指標(biāo)及方法

試驗于2020年9月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)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(dāng)天完成同一試驗批次籽瓜果肉各項電學(xué)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(yù)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(yù)實驗的基礎(chǔ)上，選取8個電學(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、電抗和損耗因子進行測定，每個樣品重復(fù)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(fù)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(xué)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(xué)特性之間的相關(guān)關(guān)系；在特定的電學(xué)頻率范圍內(nèi)，分別建立3種籽瓜果肉8個電學(xué)特性與電學(xué)頻率之間的一元非線性回歸模型，以衡量電學(xué)頻率的變化對電學(xué)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(xué)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(xué)特性的頻率特性

2.1.1 3種籽瓜果肉阻抗、電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)上升趨勢較緩慢。籽瓜果肉電導(dǎo)與籽瓜品種之間有較強的相關(guān)性，這是由于電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率有關(guān)的。

圖2 阻抗、電導(dǎo)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(xué)特性相關(guān)性分析

3種籽瓜果肉電學(xué)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(dǎo)、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(dǎo)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)特性的回歸分析

利用Origin 2019對所測得的3種籽瓜果肉電學(xué)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(xué)特性回歸分析結(jié)果一致，這里以靖遠1號籽瓜果肉電學(xué)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(dǎo)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(xué)特性與頻率之間的關(guān)系，為鮮食籽瓜電學(xué)特性的品質(zhì)檢測研究提供理論依據(jù)。

表4 電學(xué)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(dǎo)以及品質(zhì)因數(shù)等8種電學(xué)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(dǎo)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(dǎo)率不同所引起的，進一步說明了各種水果及蔬菜的電學(xué)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(dǎo)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(xué)特性，可為果實的電學(xué)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(yù)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(yù)測干燥過程中青蘿卜的含水率、糖度等是準(zhǔn)確的；李冬冬等[22]研究發(fā)現(xiàn)，利用草莓的介電參數(shù)預(yù)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(xué)特性隨頻率變化的回歸模型，可為后期建立電學(xué)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(yù)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(xué)特性，明確了3種籽瓜果肉電學(xué)特性隨頻率的變化規(guī)律，區(qū)分了3種籽瓜果肉電學(xué)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(xué)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(xué)特性的品質(zhì)檢測研究提供理論依據(jù)。