低频电场作用下库尔勒香梨电特性探讨

唐玉荣 安 静 刘文亮 李风娟 李 勇 兰海鹏

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

库尔勒香梨是新疆主产特色水果之一，以其翠嫩的果皮颜色、独具特色的浓郁香气、汁丰味美的特点驰名中外，享有“中华蜜梨”、“梨中珍品”的美誉。主要分布在巴州和阿克苏地区,种植面积88. 31万亩,年产量49万吨，排在全疆林果产量第三位, 并且面积和产量还将持续增长。目前90%的产量销往国内大中型城市，10%出口到美国、英国、澳大利亚等国际市场。目前香梨的采收时间的判定主要基于果农的生产经验，采后分级主要以手工方式为主，这对香梨的果品价值产生一定的不良影响，使目前香梨处于一流的产品，二流的包装，三流的价格的尴尬境地。

库尔勒香梨果肉脆嫩，果皮较薄、果汁含量较其他梨种丰富，在众多无损检测技术中，较适合于基于电学特性的无损检测手段。在果蔬电学特性研究方面，国内外学者做了大量的研究工作，研究对象主要集中于美洲核桃、椰子、丰水梨、苹果、番茄、西瓜、板栗等农业物料，而研究方法主要有电容测量法、介电常数测量法、复阻抗测量法等[1-5]。研究可以得到如下的共性结论，即不同的果蔬对应的最优电学表达参数存在明显的区别，且测量频率对测量结果存在显著影响[6-12]。而针对于库尔勒香梨，本课题组对成熟期库尔勒香梨的电学特性进行了初探，研究结论与前人的研究结论吻合，即测量频率对测量结果影响显著[13-14]，本文意在阐明低频电场条件下香梨电学特征，该方面的研究国内外尚未见报道。

本研究为提高测量结果精度，屏蔽外界对测试结果的干扰，在低频电场条件下选择针刺法进行电学参数的测量，表述在该种条件下电学参数变化规律。研究结果可为基于电学特性的库尔勒香梨无损检测技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

香梨实验样品选择：试验香梨采于新疆阿拉尔市塔里木大学校园内的香梨园。样品选择形状规则、无病虫害、无机械损伤，采样时间为2012年8月20日～2012年10月15日、2013年8月20日～2013年10月15日两个时间段取平均值。

电学参数测量装置：如图1所示，夹持装置采用两个直径为3. 5 mm的铜质探头，探头尖端锥角45度。测量刺入香梨的深度为15 mm，探头间距为35 mm。

图1 库尔勒香梨电学参数测量装置示意图

1.2 试验方法

低频电场作用下香梨电学参数测量试验：样品香梨采收后放置于相对湿度为55%，温度为25 ℃恒温恒湿箱内12小时后取出，应用自制的香梨电学参数测量装置进行电学参数测量实验。

试验设计方法：试验采用常规因子试验设计方法，试验因素为测试电压、测试频率、采摘时间；考核指标为电感、品质因数、电容、损耗角正切值、电阻和阻抗。因素水平编码见表1，考核指标见表2。

数据处理方法：应用SAS软件和Excel软件对所获得的试验数据进行处理分析，每组试验均多次重复取平均值。

表1 因素水平编码表

表2 检测指标编码表

1.3 仪器与设备

LCR数字电桥(TH2817，常州市同惠电子有限公司)、卡尺(0. 02 mm，桂林量具刃具厂)、恒温恒湿箱(CTHI-150(A)B型，施都凯仪器设备有限公司)等 。

2 结果与分析

2.1 测试电压、测试频率和采摘时间对测量参数的影响

通过SAS软件对试验数据进行分析，结果表明在试验参数范围内，采摘时间对电感和电容影响显著，对其他参数影响均不显著，测试电压对所有的测量参数影响均不显著，而测试频率对所有参数的影响均显著。

表3 检测指标显著性水平编码表

2.2 不同测试频率下，采摘时间对电学参数的影响

图2 测试电压为0. 1 V时，不同频率下成熟度与电感的关系

由图2可以看出当测试电压为0. 1 V时，当测试频率小于等于1 kHz时，随着采摘期的延长，香梨的电感逐渐增大，整体呈现S型的增长趋势，当采摘时间为第24天以后逐渐趋于稳定。因为当测试频率较小时，对于香梨细胞膜通透性的影响较小，细胞膜的通透能力主要表现为自身生理结构和成分的变化。随着香梨的不断成熟，香梨细胞膜的脂肪酸不饱和度下降，膜的流动性降低，同时细胞膜的磷脂含量下降，固醇含量增加，使膜更加刚性化，但在香梨的整个成熟期内，该种变化并不是以同一速率进行，而是在未熟期和过熟期变化较为平稳，在成熟期发生急剧的变化，该变化导致细胞内的电解质逐渐外渗，而香梨作为闭合回路中的一部分，对抗电流变化的能力逐渐增强，及容性逐渐减弱而感性逐渐增强，因此呈现如图2(a)和(b)的变化趋势。而当测试频率大于等于10 kHz时，随着采摘时间的延长，香梨的电感呈现无规则波动。因为当频率较高时，过高的能量干预了细胞膜通透性的的正常生理调控功能，使细胞膜的通透性变得杂乱。

图3 测试电压为0. 1 V时，不同频率下成熟度与电容的关系

由图3可以看出当测试电压为0. 1 V时，当测试频率小于等于1 kHz时，随着采摘期的延长，所采摘的香梨的电容逐渐减小，整体呈现反S型的减小趋势，当采摘时间为第24天以后逐渐趋于稳定。因为当测试频率较小时，对于香梨细胞膜通透性的影响较小，细胞膜的通透能力主要表现为自身生理结构和成分的变化。随着香梨的不断成熟，香梨细胞膜的脂肪酸不饱和度下降，膜的流动性降低，同时细胞膜的磷脂含量下降，固醇含量增加，是膜更加刚性化，但在香梨的整个成熟期内，该种变化并不是以同一速率进行，而是在未熟期和过熟期变化较为平稳，在成熟期发生急剧的变化，因细胞膜的生理调控能力逐渐变弱，电解质逐渐外渗，即对电荷的容纳束缚能力逐渐变弱，所以呈现如图3(a)和(b)的变化趋势。当测试频率大于等于10 kHz时，随着采摘时间的延长，香梨的电容呈现无规则波动。因为当频率较高时，过高的能量干预了细胞膜通透性的正常生理调控功能，使细胞膜的通透性变得杂乱。

3 结 论

在低频电场作用下，采摘时间、测试频率对电感和电容影响显著；

当测试频率≤1 kHz时，随着香梨的逐渐成熟，电感逐渐增大，电容逐渐减小；

当测试频率>1 kHz时，电感和电容变化皆呈现无规则状态。

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