基于果品介电特性的无损检测技术研究综述

周世平，张海红，李海峰，马奇虎

（宁夏大学农学院，宁夏银川750021）

基于果品介电特性的无损检测技术研究综述

周世平，张海红*，李海峰，马奇虎

（宁夏大学农学院，宁夏银川750021）

无损检测技术已成为果品品质检测的趋势。本文对基于介电特性的果品无损检测最新研究进行了综述，比较了常用测试技术及条件，分析了影响果品介电特性参数的频率、温度、贮藏时间等外界因素，比较了果品的成熟度、硬度、成分等内在因素对果品电参数的影响，并且指出了该领域的研究动向，为今后该技术的进一步的研究应用提供了借鉴。

果品；介电特性；无损检测

果品无损检测技术近年来受到了国内外学者的广泛关注[1-2]。无损检测技术（Nondestructive Determination Technology，NDT）是不破坏试验物料的前提下，评价其品质的方法。NDT检测技术一般有近红外光谱分析技术、高光谱检测技术、太赫兹光谱技术、计算机视觉检测技术、声学特性检测技术、力学特性检测技术、X射线检测技术、核磁共振检测技术、介电特性检测技术等。目前水果的无损检测主要是利用电学特性检测技术、声学特性检测技术、光学特性检测技术、声波振动特性、太赫兹光谱技术、核磁共振检测技术、X射线检测技术、电子鼻、机器视觉检测技术等对水果品质进行评价[3-5]。基于果品介电特性的无损检测主要是基于水果的介电常数、阻抗、电阻等电学参数，来判断其硬度、成熟度、糖度、水分等果品品质的检测技术。电学参数的测定快捷、灵敏、操作方便，对实现水果的内部品质综合指标的检测与分级、加工及贮藏都有很重要的价值，特别是在果品的分选上具有广阔的前景。

1 基于果品介电特性无损检测技术

1.1 基于果品介电特性无损检测理论基础

水果是介于导体和绝缘体之间的电介质，其内部存在大量带电粒子形成生物电场，在外加电场中水果内部分子中的束缚电荷（只能在分子线度范围内运动的电荷）的极化都伴随着内部电子、原子或分子随电场方向的移动或转动，这些极化现象决定了水果具有的介电特性。物质的复介电常数反应了其介电特性。其中相对介电常数εr′反应了物质贮存电场能量的能力，介质损耗因素εr″反应物质消耗电场能力的能力，损耗正切tanδ反应了能力损耗特性[6-7]。水果体内自身由于具有能量会产生生物电。水果所具有的生物电包括损伤电位（生物组织的完整部位与损伤部位的电位差）、膜电位（生物组织或细胞膜的内外电位差）、动作电位（当生物体受到刺激而兴奋时产生的电位变化）。在电场作用下，水果介电特性与其结构、组成成分以及品质等存在必然的联系。因此，水果介电特性为实现其品质的无损检测提供了可能[8-9]。

1.2 介电特性参数测试系统及比较

介电特性测量技术[10]主要有平行极板（电容器）技术、同轴探头技术、传输线技术、自由空间法和谐振腔技术等。测试技术系统的选择主要取决于测试材料，频率、精度以及操作的方便性及价格等[11]。常用介电特性测试技术系统比较如表1所示[10]。

表1 介电特性测试技术系统比较Table1 Comparation of dielectric properties testing technology systems

2 果品内在品质对介电特性参数的影响

2.1 成熟度的影响

成熟度对水果分选、分级以及保鲜具有重要的意义，是水果品质评价的重要指标之一。果实成熟的过程中，内部都会发生一系列生理、生化变化，通常伴随着物质和能量的转换，从而导致水果生物组织中各类物质所带电荷在空间分布上的变化，在外加电场的作用下，将呈现不同的介电特性。刘亚平等[12]在0.1 kHz的最佳测试频率下，对经采后失水处理的红地球葡萄果实在冷藏中的电学参数进行了研究，结果表明，电学参数与质地参数呈现较高相关性，其中电抗X与硬度显著相关性（P﹤0.05）。安慧珍等[13]研究了苹果储藏期介电特性与生理特性之间的关系，在39.8、100、398、1 000、3 980 KHz5个频率点下，富士苹果的Z、X、Ls、Rs值与可滴定酸正相关，Z和X与可滴定酸相关性均达到极显著水平（P﹤0.01）。陈志远等[14]发现在番茄果实电参数的最佳测试频500 kHz～5MHz范围内，频率较低时，可根据等效电阻的差异来判断西红柿的成熟度；在合适的测试频率下，复阻抗（Z）和相对介电常数（ε）可作为判断番茄成熟度的指示参数。M.Soltani等[15]采用有效电容法去除电极板间空气间隙后利用平板（电容）技术对香蕉的成熟度进行了评价。结果表明，在100 kHz下能更好的用介电常数来预测香蕉的成熟度，并且随着频率的成熟度的增加，香蕉的介电常数不断减小。李元祥[16]用ANSYS仿真软件形象地模拟了平行板电容器边缘效应的存在，分析、计算得到了求解任意外形尺寸参数的被测样品（电介质）本身介电特性参数值的公式，提出一种准确测量被测样品本身介电特性参数值的算法。以此算法对苹果试验结果表明，利用介电特性无损检测方法来评定果品的品质在原理上和技术上都具有可行性。

2.2 水果硬度的影响

硬度（Firmness）同样影响着其水果的介电特性。硬度是反映果肉抗压力的强弱重要参数，可以作为判断水果品质的一个重要指标。传统的检测方法是M-T戳穿试验（Magness-Taylor puncture test）、组织压缩试验及固有频率测定，不仅会损伤待检样本，很难进行大量样本的逐个检测。唐燕等[17]研究表明油桃果实的电参数Cp和硬度之间的相关性达到极显著水平（P＜0.01），并对其建立了有效的预测模型。王瑞庆等[18]利用阻抗、电容、电感、电导模型对火柿硬度进行预测，决定系数（r2）分别可达到0.803、0.747、0.810和0.692，利用电感、电容建立的多元线性回归模型对硬度预测，r2=0.824，利用阻抗和电感线性分段预测模型对硬度预测，r2分别为0.823和0.829。邵晓蕾等[19]应用主成分分析方法，通过求取各相关系数的加权平均值，从而定量筛选出能够反映尖柿果实采后品质的特征频率（398 kHz），并以此频率研究了尖柿介电特性与品质的关系，发现阻抗可以反映果实的硬度。

2.3 组成成分的影响

水果的介电特性取决于其化学组成成分，其中水分为影响水果介电特性的主要因素。除受水的影响，水果中的其他成分如可溶性固形物含量同样影响着其介电特性。Nelson等[20]在10MHz～1.8GHz频率范围内对西瓜、甜瓜、苹果等多种果实的介电特性进行了研究，发现介电常数与相对介电常数与可溶性固形物的比值的相关性很大。马晓明等组成的研究小组[21]以LCR测试仪在90 KHz下对宁夏灵武长枣内部品质检测的结果表明串联等效电阻随糖度增加呈下降趋势随糖度增高而速率变化逐渐放缓，利用曲线拟合回归分析，得到的R2=0.561 9，说明糖度与串联等效电阻之间存在一定的相关性。郭文川等[22]利用末端开路的同轴探头和阻抗分析仪，研究了密瓜的射频介电特性及其与糖度的关系，结果显示，在1.8GHz下蜜瓜汁的损耗角正切与糖度有较好的相关性，该研究为基于介电特性的果汁糖度检测仪的开发提供了研究基础。Kato[23]通过实验测定了西瓜含糖量与等效电阻及含糖量与电导率之间的关系。Ryszard等[24]以获得粘稠苹果汁的浓度系数为目的，测定了等效电阻与等效电容，进而得到苹果的糖度。

3 外在条件对果品介电特性参数的影响

3.1 测试频率的影响

除了一些具有极低损耗的材料外，大多数材料的介电特性受其所在电场中频率的影响。在电场中介质的极化都伴随着内部电子、原子、分子跟随电场方向的移动或转动，而这种极化运动往往使材料的介电特性表现出频率依赖性[25]。在低频段（＜200MHz）离子导电性起主导作用，而在微波频段离子导电性与自由水的偶极子转动同时发挥重要作用。例如在200MHz下芒果的介电色散主要受离子导电性的影响，引起了其介电特性的频率依赖性[26]。Nelson[27-29]在10MHz～1.8GHz的频率范围内，用阻抗分析仪测量了胡萝卜、葡萄、香蕉、香瓜、苹果、黄瓜、和橙子等9种水果切片和蔬菜样品的介电常数和介电损耗因子，结果表明不同的水果其介电特性存在很大的差异，果蔬的介电常数从10MHz～1.8GHz范围内不断下降。研究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和束缚水的松弛，而在高端频率下出现差异的原因在于自由水的松弛。王瑞庆等[30]在100Hz～5MHz范围内通过实验发现，红巴梨的阻抗和电感随着测试频率升高呈幂函数关系递减，电容和电导呈不规则变化，最佳测试频率为1MHz。果实阻抗、电感和电容可以作为标志红巴梨果实成熟衰老的电学指标。Ikediala等[31]对苹果的研究表明，在30MHz～3GHz频率范围内，随着频率的增加，介电常数减小，最小的介质损耗因子出现在915MHz。马晓明等[21]组成的研究小组采用LCR电桥测量仪和平板电极系统对灵武长枣频率特性的研究表明，特征频率的筛选是果品电特性的测量的重要环节，果实组织结构不均一性，电场对果肉细胞穿透能力差异和介电损耗的主导因素变化是影响果实电参数频率特性的主要原因。

3.2 环境温度的影响

环境温度会影响果品组织内部带电粒子的运动，因而对其介电特性具有显著的影响[2]。温度对果品介电常数的影响取决于许多因素，如组成成分、水分、盐分以及频率[10]。这样受温度影响的被测样品的介电常数相当复杂。对于不同的测试样品，随着温度的变化介电常数或上升或下降。通常认为，随温度的升高，低频下损耗因子不断增加，在高频段下则不断减少。这主要是在低频段粒子传导决定机电行为，但是在高频段时，自有水中偶极子的松弛似乎控制着介电行为[2]。该结论在Nelson对9中果蔬在5℃～95℃环境下测试的结果得到了验证[27]。王瑞庆等[32]利用LCR仪和平板电极在100Hz～3.98MHz频率范围内测试了火柿果实电学参数的温度特性。结果表明，火柿果实阻抗、电容和电感在0℃～40℃范围随温度变化显著（P﹤0.01），呈线性相关，决定系数r2分别为0.995、0.992和0.995。杜光源等[33]研究了嘎拉苹果从0℃升温至室温（25℃）条件下果实电参数的影响。结果表明：在所测试的24个频率下，Z、Ls和Rs值的变化趋势相同，都随温度的升高而减小。而Cs值则随温度的升高而增大。

3.3 贮藏时间的影响

果品的贮藏时间及成熟进程会影响其介电特性[10]。Guo、Nelson等[34]以10MHz～1 800MHz的频率测试了新鲜苹果在24℃下以及在4℃贮藏环境，贮藏10周的介电特性，以期确定是否可以用介电特性参数评价苹果的品质。在冰箱贮藏期间，介电常数和损耗因素基本保持恒定。SoSa-Morales等[26]在21℃环境温度下，分别对芒果分别贮藏了0、4、8、16 d，并检测了芒果的介电特性。结果表明，随着贮藏时间的延长，εr′和εr″值均降低，降低的原因主要是由于随着贮藏时间的延长，芒果的水分在降低而pH在上升；在贮藏时间内，随着贮藏环境温度的上升，芒果的电导率在上升。王瑞庆等[30]在红巴梨上的研究表明，果实复阻抗、并联等效电感随贮藏时间的延长显著下降，而相对介电常数、电导显著上升。

4 结论与展望

1）基于介电特性方法评价果品品质在原理上和技术上都具有可行性。基于果品无损检测技术的研究，为实现果品品质的在线迅速检测提供了可能，在果品的加工分选、贮藏运输方面具有广阔的应用前进。由于水果种类繁多，而目前的研究仅集中于西瓜、甜柿、甜瓜、猕猴桃、葡萄、苹果、蜜瓜、芒果、尖柿、番茄等少数几种水果，不具有代表性。而同时每种水果品质品质间的差异和主要成分对介电特性的影响也是显而易见的，影响了这一技术的实用化进程。

2）研究水果的介电特性与内部品质的关系对于果品内部品质检测具有重要的意义。但是基于介电特性的水果无损检测系统还没有达到实用阶段，其分选精度和分选效率仍然受到很大的限制。特别是国内常用的平行板（电容器）测试系统，往往受边界效应、果品的形状个体差异等干扰因素影响，造成数据漂移，影响了测试精度。去除平行板电容器空气间隙、边界效应等对测试精度的影响，对于提高测试精度，促进果品无损检测技术的实用化具有积极的意义。

3）水果特征频率的筛选，直接影响着基于介电特性果品无损检测技术的应用。但是由于资金费用的限制，国内对水果介电特性的检测主要以平行板（电容器）技术为主，测试频率有限，一定程度上影响了研究结果。国外常用的同轴探头技术、谐振腔技术，尽管仪器的价格比较昂贵，但测试频率范围宽，而其研究结果对于射频技术及微波技术在食品和农产品中的应用具有直接的指导意义，因此，进一步的研究需采用更宽的频率范围包括射频频段以分析检测水果品质的可能性。

4）温度对果品的介电特性有较大的影响，因此，保持无损测试环境恒定的温度至关重要。温度影响着果蔬贮藏过程的生理变化、品质变化，基于果品介电特性的无损检测技术，为监督果品的贮藏保鲜过程的品质变化，实现果品采后后处理——射频加热、微波杀菌提供了技术支持。

5）果品的介电特性无损检测研究主要涉及到特征频率的确定、敏感电参数的确定和电参数与果品品质之间的关系研究方面。不同的测试频率、敏感电参数与果品品质的相关性存在较大的差异，主成分分析、相关系数法等数学统计方法的应用，使其评价更客观、更准确，提高了基于果品介电特性无损检测的科学性、可靠性和准确性。而用数学方法建立的果品介电特性数学模型，为开发设计果品品质的相关仪器设备奠定了基础。

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Review of Fruit Nondestructive Testing Technology Research Based on the Dielectric Characteristics

ZHOU Shi-ping，ZHANG Hai-hong*，LI Hai-feng，MA Qi-hu
（Agricultural College，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Nondestructive testing technology has become the developing trend of fruit quality detection.The latest research progresses on fruit nondestructive testing based on the dielectric properties were reviewed in this paper.The commonly used testing technologies and their conditions were compared.The external factors，such as frequency，temperature，storage time etc.，which influence fruit dielectric properties，were analyzed.The internal factors such as fruit ripeness，hardness，composition and so on，which influence fruit dielectric properties were compared.The research trends in this field were described and could provide the reference for the further research and application in the future.

fruit；dielectric characteristics；nondestructive testing

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.01.034

2013-07-15

国家科技支撑项目（2012BAF07B00）；国家自然科学基金（31160346）

周世平（1988—），男（回），宁夏大学在读硕士研究生。

*通信作者：张海红，女（汉），教授，硕士研究生导师，主要从事农产品的无损检测及食品物性方面的研究。