跌落高度对红地球葡萄介电特性的影响

边红霞，屠鹏

(甘肃农业大学理学院，甘肃 兰州，730070)

果品在采收、包装、装卸、运输、贮藏和销售过程中都存在着静载、挤压、振动、碰撞、冲击等载荷形式，形成以塑性或脆性破坏形式为主的现时损伤和以黏弹性变形为主的延迟损伤，即机械损伤［1］。机械损伤是导致果品采后损耗的主要原因之一，由其引起的平均损耗约占总重量的30 % ～40 %［2］。机械损伤会造成果实生理状态的变化，电学特性与品质和生理状态密切相关［3－4］，可以通过电学特性的测定来反应这些变化。目前，国内外利用介电特性检测果蔬机械损伤方面的研究主要集中在一些抵抗能力较强的产品，其中最多的就是以苹果作为研究对象［5－6］，但是针对大量易产生机械损伤的浆果类水果(如葡萄)的研究相对很少。红地球葡萄又名红提、晚红，属晚熟葡萄品种，色泽艳丽，外观诱人，肉质肥厚，味甜爽口，品质极佳，其耐用性好，商品价值高。20 世纪70 年代由加州大学培育而成，1992 年开始在我国小面积栽培［7－8］。本文研究了从不同高度跌落红地球葡萄的介电参数变化情况，期望为通过介电参数反映果蔬机械损伤程度。

1 材料与方法

试验所用红地球葡萄产自甘肃河西地区，采摘当天运回实验室。精选大小均一、成熟度好、色泽接近的60 粒果实做为待测样品，采用保鲜袋封存于冰箱内冷藏，第2 天试验前取出静置4 h。将待测样品按每组15 粒分成4 组，试验前测定其平均横径和平均粒重(见表1)，然后将单粒葡萄分别从80、120、160和200 cm 高度跌落至水泥地面。跌落后将其在自然条件下(测定时间为7 月底，平均气温27℃)贮藏3 d后，测定其电特性参数值。电特性参数的测定通过与LCR 测试仪(常州同惠TH2828A 型)连接的平行板电极系统进行，葡萄果实横置于平行板电极之间且其赤道面与极板平行，电容器极板与LCR 测试仪采用仪器自带的TH26011B 四终端夹具连接。平行板电容器极板采用薄铁皮自制(尺寸与红地球尺寸相近)，极板厚0.60 mm 长34.92 mm 宽22.72 mm。介电参数测测试前对LCR 测试仪进行开路和短路校准，直流无偏置，测试电平1.000V，信号源输出阻抗100.00 欧，平均次数3 次，加载频率为50HZ ～1MHZ之间的44 个频率点。试验对不同高度跌落的红地球进行了复阻抗、并联等效电容、品质因数、损耗因子和电导等参数的测定，测试参数可由TH2828A 型LCR测试仪直接读出。

表1 不同高度跌落红地球葡萄的基本参数Table 1 Parameters of red-globe grape in various fall heights

2 结果与分析

2.1 跌落高度对红地球复阻抗的影响

由图1 可知，在50Hz ～1MHz 内随着频率的增加，样品复阻抗呈下降趋势，且lg|Z|与lgf之间呈明显的线性关系，这与张继澍在100Hz ～3.98MHz 下对苹果电特性参数测定［9］所得结论是一致的。表2 给出了在50Hz ～1MHz 频率范围内不同高度跌落红地球lg|Z|-lgf线性拟合方程，拟合方程的截距和斜率绝对值随跌落高度的增加呈先增大后减小的趋势，且120 cm 跌落时截距和斜率绝对值均最大。在80 ～200 cm 的跌落高度内，随跌落高度的增加其复阻抗的模|z|呈先增大后减小的趋势，即|Z|80cm＜|Z|120cm＞|Z|160cm＞|Z|200cm，且120 cm 跌落时复阻抗的模最大。

图1 不同高度跌落样品的复阻抗随频率变化规律Fig.1 Change rules of equivalent impedance value on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

表2 50Hz ～1MHz 频率下不同高度跌落红地球lg|Z|-lgf 线性拟合方程Table 2 lg|Z|-lgf liner equation various fall heights red-globe grape in 50Hz ～1MHz

2.2 跌落高度对红地球电导的影响

由图2 可知，在50Hz ～1MHz 范围内随着频率的增加，样品电导值G 呈增大趋势。在80 ～200 cm 的跌落高度范围内，随跌落高度的增加其电导G 呈先减小后增大的趋势，即G80cm＞G120cm＜G160cm＜Z200cm，且120 cm 跌落时电导值最小。

2.3 跌落高度对红地球损耗因子的影响

图2 不同高度跌落样品的电导随频率变化规律Fig.2 Change rules of electric conductance on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

图3 不同高度跌落样品的损耗因子随频率变化规律Fig.3 Change rules of loss factor on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

由图3 可知，在50Hz ～1MHz 内随着频率的增加，样品损耗因子D呈先减小后增大的趋势。损耗因子约在25 kHz 时最小，这与在不同常温贮藏时间下对红地球葡萄测得的介电特性结论［10］是一致的。在80 ～200 cm 的跌落高度范围内，随跌落高度的增加其损耗因子D呈先减小后增大的趋势，即D80cm＞D120cm＜D160cm＜D200cm，且120 cm 跌落时损耗因子最小。

2.4 跌落高度对红地球等效电容的影响

由图4 可知，在50Hz ～1MHz 内随着频率的增加，红地球样品并联等效电容CP 呈减小的趋势。在80 ～200 cm 的跌落高度范围内，随跌落高度的增加其并联等效电容CP 呈先减小后增大的趋势，即C80cm＞C120cm＜C160cm＜C200cm，且120 cm 跌落时并联等效电容最小。

2.5 跌落高度对红地球品质因数的影响

由图5 可知，在50Hz ～1MHz 内随着频率的增加，样品品质因数Q呈先增大后减小的趋势。品质因数约在25kHz 时最小，这与在不同常温贮藏时间下对红地球葡萄测得的介电特性结论［10］是一致的。在80 ～200 cm 的跌落高度内，随跌落高度的增加其品质因数Q值呈先增大后减小的趋势，即Q80cm＜Q120cm＞Q160cm＞Q200cm，且120 cm 跌落时品质因数最大。

图4 不同高度跌落样品的并联等效电容随频率变化规律Fig.4 Change rules of equivalent capacitance on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

图5 不同高度跌落样品的品质因数随频率变化规律Fig.5 Change rules of quality factor on the red-globe grapes fell from various heights with frequency

3 分析

机械损伤会造成果实生理状态的变化，电学特性与品质和生理状态密切相关［11－12］，可以通过电学特性的测定来反应这些变化。唐燕［13］以猕猴桃为研究对象，经50 cm 高处自由落体碰伤处理，测定了果实的介电参数变化情况，发现复阻抗可作为区分其损伤与否的敏感电参数。在100 kHz 和251 kHz 2 个特征频率下损耗系数可作为区分猕猴桃果实损伤与否的敏感电参数。果蔬电学特性的影响因子包括频率、含水率、温度、成熟度和有机组成等［14］。Nelson［15－16］等在射频与微波频率范围内对果实的电特性深入研究发现:频率较低时，各种果实和蔬菜组织样品的介电特性主要受离子导电和束缚水的驰豫影响，频率很高时，则主要受自由水的影响。葡萄的主要化学成分是可溶性糖、有机酸、淀粉、纤维素、果胶、维生素和酶等，并且在成熟时果肉中含有大量水分，水分可分为自由水和束缚水，自由水比例较大。从不同高度跌落的红地球葡萄所受到的机械损伤程度不同，跌落高度大于160 cm 时，葡萄表面出现了裂口，导致其在贮藏过程更容易损失这部分水分，而影响果实电学参数变化最主要的因素就是果实内部的自由水。试验发现，导致葡萄表皮破裂的临界高度在120 ～160 cm 左右，而从120 cm 高度跌落贮藏3 d 时红地球葡萄复阻抗的模和品质因数值最大，电导、并联等效电容和损耗因子值最小，说明葡萄的介电参数大小与跌落高度导致的果品破裂与否有关，可用介电参数的变化标志其损伤程度。此外，跌落高度对其贮藏期间的其它生理品质也会有影响，这也导致了其电特性参数的变化。

4 结论

(1)从同一高度跌落的红地球葡萄，在50Hz ～1MHz 内，随加载频率的增加其复阻抗的模和并联等效电容值呈减小趋势，电导值呈增大趋势，损耗因子呈先减小后增大、品质因数呈先增大后减小趋势，且损耗因子和品质因数在25KHZ 时存在极值;

(2)在80 ～200 cm 的跌落高度内，随跌落高度的增加红地球葡萄复阻抗的模和品质因数呈先增大后减小的趋势，电导、并联等效电容和损耗因子呈先减小后增大的趋势，且120 cm 跌落时其复阻抗的模和品质因数最大，电导、并联等效电容和损耗因子最小;

(3)通过葡萄介电参数的变化可反映其所受到的机械损伤程度，且其介电特性与电场频率有很强的相关性。

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