果蔬生物体电特性研究进展

郭文川，张蕾，王转卫西北农林科技大学机械与电子工程学院(712100)E-mail:[e-mail]摘要：生物体电特性在医学上的成功应用，使其在农业工程领域日趋受到青睐。在对国内外果蔬生物体电特性研究资料分析的基础上，本文概述了果蔬生物体的电特性;介绍了测试信号的频率和电压以及环境温度和湿度等测试条件对果蔬电特性的影响;综述了在果蔬成熟度、新鲜度、损伤和含水率等品质因素对电特性影响方面的研究进展;并为今后研究方向提出了意见和建议。本文对农产品电特性的进一步研究具有重要的指导意义。关键词：果蔬;电特性;研究进展;测试条件;品质1.引言许多研究表明，果蔬在采摘、包装、储运及加工等作业环节中的损失率高达30.45%，每年造成的经济损失在1亿元左右。其主要原因是不同成熟度的果蔬相互混杂，病害果蔬掺杂在正常者之间以及作业中受到各种力的作用而导致的损失。若能根据果蔬的不同物理特性对果蔬的品质进行严格的质量分级，既能保护消费者的利益，又能提高果蔬的经济价值。目前，果蔬品质检测技术成为国内外研究的热点，按照检测方法是否对果蔬有损伤分为有损检测和无损检测，其中，无损检测是发展的方向。常用的无损检测方法大致可分为近红外分析法、声学特性分析法、X射线分析法、计算机视觉检测方法、电、磁特性分析法以及可见光成熟度分析法、激光分析法等。对于每种方法皆开展了广泛的研究。在这些无损检测方法中，电特性检测方法所具有的方便、快捷、检测设备简单、数据的获取和处理较容易等优点使其日趋受到青睐。2.果蔬生物体的电特性生物体的电特性可以分为主动和被动两类。主动特性是指是生物体自身内部存在着某种能量而产生电位差，即生物电；被动特性是指影响物料所在空间的电磁场及电流分布的一些特性，它包括导电（传导）特性和介电特性。前着是组织内的自由电荷（可自由运动的电子和各种离子）对外加电场的响应特性，而后者是生物分子中的束缚电荷（只能在分子线度范围内运动的电荷）对外加电场的响应特性[1,2]。果蔬属于活性生物体，在微观结果上，果蔬内部存在大量带电粒子，外加电场将改变带电粒子在空间上的分布，从而在宏观上将表现出不同的电特性。通常用物体常数和物质常数表征果蔬的电特性。物体常数是指与被测对象的大小、外形等因素相关的量，例如电容C、电阻R等；而物质常数则与被测对象的物理尺寸等无关，例如相对介电常数'rε、电阻率ρ、电导率σ等。由于生物体兼有电阻和电容两种特性，因此常用物体常数――复阻抗*Z或复电容和物质常数－－复数相对介电常数来表示生物*C*rε1本课题得到西北农林科技大学校青年基金（编号04ZM016）和博士科研启动项目的资助。-1-体的电特性[3,4]。'*rrrjεεε−=（1）式中，为复数相对介电常数；为相对介电常数；*rε'rεrε为相对介电常数的虚部，反映电介质在交流电场中损耗的能量，也称介质损耗因子。理论上有：δεεtan'''rr=（2）式中，δ为损耗角，为损耗角正切，也是反映能量的损耗。δtan从二十世纪七十年代开始，国内外的学者开始致力于果蔬生物体电特性的研究，目的是寻找影响果蔬生物体电特性的内在和外在因素，探索各种因素对生物体电特性的影响规律；研究电特性在果蔬品质识别上的应用方法。3.测试条件对果蔬生物体电特性的影响影响果蔬电特性的因素较多，但概括起来主要包括两方面的因素：测试条件和果蔬品质。研究果蔬品质对电特性影响的目的在于寻找基于电特性识别果蔬品质的方法，是该研究的根本目的。为此，必须明确除了品质之外，测试中哪些因素影响果蔬的电特性，从而确定测试条件。从目前的研究来看，影响果蔬电特性的测试条件主要为测试信号和环境条件。3.1测试信号对果蔬电特性的影响测试信号的频率是影响果蔬生物体电特性的主要因素，除此之外，电压也对某些果蔬电特性有较大的影响。3.1.1频率的影响从上个世纪七十年代起，频率对果蔬电特性的影响一直受到受到关注。Mclendon等（1971）[3]测定了在500Hz~5kHz频率范围内梨的电特性。发现随着频率的增加，梨的介电常数和耗散角正切均呈下降趋势。Tran等（1984）[5]在室温下测量未加工的土豆、胡萝卜、苹果、桃核梨在0.1G~10.0GHz的频率范围内，介电特性的变化。结果说明介电常数和损耗因子是频率的函数。Nelson等（1994）[6]测量了23°C下23种新鲜水果和蔬菜含水率、组织密度和可溶性固形物含量以及200MHz～20GHz频段内41个频率点下的介电常数。结果说明介电常数随着频率的增加而稳定减小。指出：低频下导致果蔬组织介电特性差异的原因可能在于离子的传导率和束缚水的松弛，而在高端频率下，其原因在于自由水的松弛。2003年又测量了10MHz~1.8GHz下9种切片水果和蔬菜样品介电常数和损耗因子。以图像显示了苹果、鳄梨、香蕉、香瓜、胡萝卜、黄瓜、葡萄、橙子和土豆的介电数据。结果说明介电鳄梨107108109频率/Hz图1不通温度下频率对鳄梨介电常数的影响Fig.1Influenceoffrequencyondielectricconstantatdifferenttemperature-2-以下。在10MHz和100MHz之间存在一个点，当频率低于该点时，离子传导决定介电行为，但是当高于该点时，偶极子的松弛似乎控制者行为[7]。图1为频率对鳄梨介电常数的影响。笔者研究了频率对多种果品和蔬菜介电特性的影响，如图2所示。苹果、猕猴桃和梨的电容随着频率的增大而减小。但不同种类的果蔬，由于组织成份、组织结构和含水率的不同，使得随着频率的增大，电容减小的速率不同，该差异为基于电特性识别果蔬种类提供了可能[8]。3.1.2电压的影响除了测试信号频率对电特性的影响之外，笔者发现信号电压对果蔬电特性也有影响，且影响规律不同。图3为10kHz下，电压对苹果、梨和猕猴桃的损耗角正切的影响。结果表明：信号频率一定时，果品损耗角正切随信号电压而变，且存在电压临界值。当信号电压小于该临界值时，电容和损耗角正切值保持不变，当信号电压大于临界值时，电容值随电压的增加呈反比例减小，损耗角正切值随电压的增加呈正比例增大。根据电压临界值的不同，提出了基于电特性的果品种类识别方法[9]。另外，试验也发现，电压对番茄、桃子等果蔬的损耗角正切没有影响。图3电压对果品损耗角正切的影响Fig.3Influenceofvoltageonlosstangentoffruits0.000.050.100.150.200.2500.40.81.21.622.4电压/V损耗角正切tanδ苹果梨猕猴桃10152025020406080100120140160频率/kHz电容/pF苹果梨猕猴桃图2频率对果品电容的影响Fig.2Influenceoffrequencyoncapacitanceoffruits3.2环境温度和湿度的影响环境温度会影响果蔬组织内带电粒子的运动，而环境湿度会影响果蔬表面的水分状况，这些变化皆对电参数值有一定的影响。Funebo.T等（1999）[10]研究表明在2800MHz下，湿度和温度对苹果、草莓、山萝卜、蘑菇等果品和蔬菜的相对介电常数和相对损耗因子有影响。Nelson（2003）[7]的研究结果也表明在5°C~95°C下，介电损耗因子普遍随着温度的增加而增加。在低频下介电常数随着温度升高而增加，但是，在高频下随着温度而减小，如图1所示。该数据为介电加热特性提供了新的有用信息。测试条件对果蔬电特性的影响为研究果蔬品质与电特性关系奠定了基础。4.果蔬品质对电特性的影响为了能将电特性应用于果蔬品质的识别中，人们探索果蔬的各项品质，例：成熟度、新鲜度、损伤、含水率、含糖量和酸度等对果蔬电特性的影响，了解其影响规律，探索其应用-3-前景。3.1成熟度的影响果蔬在成熟过程中，其内部发生生理、生化变化。这些变化都反映和伴随着物质和能量的转换，导致生物组织内各类物质所带电荷在空间分布上的变化，从而影响果蔬的电特性。Thompson等（1971）[3]研究了苹果的电特性，发现在300k~900kHz的频率范围内，苹果的介电常数值与其成熟度关系密切。未成熟苹果的介电常数值在全频率范围内几乎不变，而成熟的苹果则在该频率范围内随着频率的增加从34左右下降到20附近。Melendon等（1971）[3]发现随着频率的增加，梨的介电常数和耗散正切的下降趋势与梨的成熟度有关。Derell等（1971）[11]利用介电参数研究了桃子的成熟度指标。Wolf等（1973）[12]在5MHz～900MHz频段发现，当苹果成熟时，相对介电常数和介质损耗因子有较为明显的变化。在果蔬成熟过程中，光照、降雨量、温度等多种自然因素会影响果蔬的生理特性，从而影响其电特性。因此，成熟过程中果蔬电特性的研究比较复杂，进展缓慢。3.2.新鲜度的影响采后果蔬最主要的代谢过程是呼吸作用。在呼吸作用下，淀粉、糖和有机酸等碳水化合物逐步被分解为二氧化碳、水或其它小分子物质[13]。水是影响果实电参数变化的主要因素。水以及果实内部其它一系列的生理生化变化皆导致果实内部空间电荷的变化，在外电场作用下，将影响果实的宏观电参数。对采后果蔬电特性的研究取得了较大的成绩。Kato.K(1987)[14]研究了利用果品的电阻抗特性无损检测果品的品质。加藤宏朗（1988）[15,16]对果蔬的试验研究发现，在100Hz～100kHz频段内，苹果新鲜度降低，但未腐烂时，其果肉阻抗趋于增加，相对介电常数和介质损耗因子下降。Nelson(1994)[6]研究了新鲜水果和蔬菜的微波介电特性。张立彬等（1996年）[17]用破坏法研究了金帅苹果切片组织的电特性与新鲜度的关系，得出在10k~100kHz的频率范围内，随着苹果的新鲜度的降低，等效阻抗增大，而相对介电常数和损耗因子下降。随后（2000年），又在LCR测试仪上利用非接触式无损检测方法在线测定了不同品质苹果介电特性的差异，得出用相对介电常数判断水果内部品质是可行的结论[18]。此后（2001年），又测定了苹果的等效电容，并以其作为苹果的分类变量[19]。胥芳等（1997年）[20]用无损检测方法测定桃子在储藏过程中电特性的变化。指出在12kHz~100kHz的频段内，桃子的最佳测试频段为15kHz以下，此时桃子随着储藏时间的增加，等效阻抗增大而相对介电常数和介电损耗减小，桃子在开始腐烂时，电特性有一个较大的反复。另外，研究了介电式水果品质分级机的原理[21]。叶齐政等（1999）[22]根据水果阻抗的特征频率变化判断水果成熟度。柯大观等（2002）[23]以苹果为材料，检测了等效电容、相对介电常数、损耗因子和等效阻抗几项介电特性参数。指出苹果的内部品质和外形尺寸与其介电特性之间均存在联系。笔者从生理生化角度分析了红富士苹果的电特性与生理特性的关系。发现采后苹果相对介电常数的变化规律与乙烯释放量变化规律相似，电阻率与乙烯释放量变化规律相反，在乙烯释放峰出现时，相对介电常数达到最大值，电阻率达到最小值[24]。研究采后果蔬电特性的变化，为研发基于电特性的果蔬品质识别设备具有重要的意义。-4-损伤的影响果蔬在采收后经常会发生腐烂，这些腐烂有些始自果蔬生长期间的侵染，有些则由于果蔬在采收和采后处理过程中造成的伤口被病源菌侵染而发生。产品腐烂产生的乙烯能加快一起储藏的其它产品后熟和衰老，同时污染其它健康的产品。因此，剔除损伤果是果实品质检测中的一道必不可少的工序。科技工作者试图了解损伤对果蔬电特性的影响，从而探索电特性在检测损伤果蔬中的应用。张立彬等（2000）[18]对秦冠苹果研究发现：在适当的频率范围内，相对介电常数与苹果的腐烂程度有较好的相关性，可以用于评价