发育后期苹果的介电特性与理化特性的关系

孔繁荣，郭文川*

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）

发育后期苹果的介电特性与理化特性的关系

孔繁荣，郭文川*

（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）

为了解发育后期苹果的介电特性、生理特性和内部品质的变化规律以及三者之间的关系，采用同轴探头技术测量发育后期3 个月内‘富士'苹果在20～4 500 MHz间的相对介电常数ε'和介质损耗因子ε″，同时测量苹果果实的生理特性（乙烯释放量和呼吸强度）和内部品质（可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）、硬度、pH值和含水率）。结果表明：ε'随频率的增加而减小，ε″在2 000 MHz附近存在极小值；随着果实逐渐发育成熟，ε'和ε″逐渐减小。整个发育后期，果实的SSC和果汁的pH值呈上升趋势，硬度呈下降趋势；乙烯释放高峰出现在2 个呼吸高峰之间。ε'和ε″与SSC、硬度和pH值在特定的频率范围内存在较好的线性相关性。研究说明，苹果的介电特性是生理特性与内部品质的综合反映，根据介电参数值判断苹果的成熟情况以及用单一频率下的介电参数值评价苹果的内部品质均可行。

苹果；发育后期；相对介电常数；介质损耗因子；生理特性；品质

中国是世界上最大的苹果生产国和消费国，其苹果种植面积和产量均占世界总量的40%以上，其中‘富士'苹果的栽培面积占全国苹果总栽培面积的约50%。若苹果采收的过早，果实的颜色和风味较差，并且易出现生理失调的问题；若采收过晚，则果实过熟变软，易发生机械损伤，同时易发生生理性病害［1］。虽然‘富士'苹果果皮颜色的变化能提供一些果实成熟情况的信息，但光照、温度、降雨量等因素均对苹果内部品质产生一定的影响，根据外观特征很难指导苹果的采收。因此提供判别果实是否发育成熟的量化参数将有助于指导果实的适时采收，从而获得较高的产量和最好的品质。

物质的介电特性常用相对介电常数ε'和介质损耗因子ε″描述，二者分别反映了物质贮存和消耗电场能量的能力。果蔬在发育过程中伴随一系列生理生化变化，导致其内部组织成分等发生变化，从而在外电场的作用下呈现出不同的介电特性［2］。郭文川等［3］采用平行极板技术对成熟期苹果果实电特性与生理特性进行了研究，发现频率对苹果介电特性的影响规律与成熟度无关，ε'和电阻率、pH值、可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）的变化转折点均在果实生长发育130 d左右；对西红柿电特性的研究发现，当测试信号的频率一定时，西红柿的ε'随着成熟度的提高而增大［4］。Bhosale等［5］的研究表明，可以利用平行板电容传感系统来评估苹果硬度的变化。Castro-Giráldez等［6］研究得出基于介电特性的苹果成熟度指标。此外，对苹果［7-8］、桃［9-10］、甜瓜［11］、芒果［12］、猕猴桃［13］和葡萄［14］的研究表明采用电参数反映果实的品质特性是可行的。但是这些研究均采用适用于测量平板型物质介电特性的平行极板技术测量果蔬的介电特性，导致测量误差大，测量精度低。目前，适应性广的同轴探头技术已经在测量果品介电特性的研究方面取得了较好的研究进展。例如，研究发现，成熟期苹果果肉和果汁的介质损耗角正切和果汁的ε″与SSC之间存在较好的线性相关性［15］；密瓜汁的介电参数与SSC在1.8 GHz条件下存在较好的线性相关性［16］。同时也发现，西瓜汁的介电参数与SSC的相关性较差［16］；不同成熟度桃的果肉和果汁的介电参数与内部品质间没有明显的线性关系［17］；贮藏期无损苹果的介电参数与品质参数间的相关性较弱［18-19］。为了探究基于介电谱技术无损预测水果内部品质的方法，Guo Wenchuan［20］和商亮［21］等将人工神经网络技术应用于预测多品种和单一品种苹果的SSC。但是，目前尚未见宽频范围内无损果品的介电特性与果实生理特性和内部品质关系的研究报道。

为了给便携式苹果成熟度检测仪以及内部品质无损检测仪的研发提供基础数据，本实验以‘富士'苹果为实验材料，测量发育后期3 个月内苹果在20～4 500 MHz间的介电参数（相对介电常数ε'和介质损耗因子ε″）、生理参数（乙烯释放量和呼吸强度）和内部品质参数（SSC、硬度、pH值和含水率），分析介电参数的变化机理以及介电参数与内部品质之间的相关性，提出可用于判断苹果成熟的介电参数及介电参数值。

1 材料与方法

1.1 材料

处于生长发育后期的‘富士'苹果。样品于实验前一天随机采摘于杨陵某果园的50多棵树龄为11 a的苹果树，采摘时综合考虑果树阳面和阴面对果实品质的影响。‘富士'苹果从开花到成熟，一般经过180 d左右。实验从苹果果树开花的第110天（2013年7月25日，已过细胞膨大期）持续到第197天（2013年10月20日），此段属于苹果的生长发育后期。每隔10 d左右采样一次，共采样9 次，采样时间分别为：7月25日、8月4日、8月15日、8月26日、9月8日、9月19日、9月28日、10月6日和10月20日。所用样品均为形状规则的无缺陷果。

1.2 仪器与设备

85070E-020末端开路同轴探头、E5071C型网络分析仪（配有Agilent Connection Expert和85070软件）马来西亚Agilent Technology公司；GY-3型硬度计中国艾德堡仪器有限公司；PR101a型数字折射仪 日本Atago公司；烘箱 天津泰斯特仪器有限公司；pHSJ-3F型pH计 上海精密科学仪器有限公司；台式电脑中国联想公司。

1.3 方法

1.3.1 指标测定

实验前用纸巾将果实表面擦拭干净，每次用样20～30 个。在室温（22±2） ℃条件下依次测量生理参数（乙烯释放量和呼吸强度）、介电参数（ε'和ε″）、硬度、SSC、含水率和pH值。

1.3.2 介电特性参数的测定

介电特性参数测试系统由85070E-020末端开路同轴探头、E5071C网络分析仪、85070C软件组成。在对网络分析仪预热1 h后，对其进行开路、短路和50 Ω负载校准；启动85070C软件，设定网络分析仪的测量频率为20～4 500 MHz，设定对数坐标下等间距采集点数为201。然后用开路（即空气）、短路子及25 ℃去离子水校准85070E探头。测量时，将一个完整无损的苹果横放在小型支架上，提升支架使苹果的赤道部位与垂直向下的探头密切接触，测量接触点处苹果的ε'和ε″，随后在赤道上相继间隔约90 °，选取另外3 个点测量。4 个测量点处介电参数的平均值作为该样品的测定结果。

1.3.3 生理参数的测定

［3］的测定方法，将选用的无损样品分为2 组，每组2～2.5 kg，分别放于体积约9.8 L的呼吸室中，密闭1 h后，对每组连续采样2 次，测量乙烯释放量和呼吸强度，测量数据的平均值作为该样品的测量结果。

1.3.4 内部品质的测定

硬度的测定：用水果削皮刀削去介电参数测量点处的果皮，然后用GY-3型硬度计测量果肉硬度，4 个点处硬度的平均值作为该样品的测量结果。

可溶性固形物含量的测定：在每个硬度点附近，取适量果肉放于家用压蒜器中，用数字折射仪测量挤出果汁的SSC。4 个点测量的平均值作为SSC测量结果。

含水率的测定：在果实赤道部位均匀切取完整果肉5～10 g，放于铝盒中，置于70 ℃的烘箱内干燥24 h。根据烘前质量和干燥后质量，计算果肉的含水率，每组实验重复3 次，取平均值为测量结果。

pH值的测定：将剩余果肉用压蒜器压汁并搅拌均匀后，测量每个样品的pH值，测量重复3 次，取平均值作为测量结果。

1.4 数据处理

采用SigmaPlot 10.0和SPSS 16.0软件进行数据分析与处理。

2 结果与分析

2.1 频率对发育后期苹果介电参数的影响

在室温下测定不同发育天数的苹果在20～4 500 MHz的频率范围内ε'和ε″的变化规律。由图1可知，ε'值随频率的增大而单调递减，尤其当频率小于100 MHz时，ε'值随频率的增大迅速减小。在整个测试频段内，ε″值随频率的增加先减小后增大，最小值在2 000 MHz左右。

由表1可知，虽然苹果的发育天数对介电参数的变化规律没有影响，但影响介电参数的值。当苹果的发育天数小于167 d时，随着苹果发育天数的增加，ε'和ε″逐渐减小；但在167 d之后，介电参数值随时间的推移不再有明显的减小趋势。

2.2 发育后期苹果内部品质的变化

由表2可知，随着果实成熟度的增加，硬度呈下降趋势，SSC和pH值呈上升趋势，但含水率的变化趋势不明显。

2.3 发育后期苹果生理特性的变化

测定发育后期苹果乙烯释放量和呼吸强度后，分析二者的变化规律。由图2可知，发育112 d的苹果比发育197 d的苹果具有更高的呼吸强度。在整个发育过程中出现了2 次呼吸高峰，一次是在发育第131天，另一次是在发育第167天，且第2次峰值弱于第1次。果实生长发育120 d之前乙烯释放量较小，随后快速增长，到第155天时达到峰值，随后又迅速减小，发育至第167天后乙烯释放量较小且有小幅变化。整个发育后期，乙烯释放高峰出现于第一次呼吸高峰之后的第23天，但出现在第二次呼吸高峰前的第13天。

当果实处于乙烯释放高峰和呼吸高峰之后，果实进入衰老阶段。由表1可知，当果实发育第167天之后，27、41、915、2 450 MHz条件下的ε'均无显著差异，说明完熟苹果果实的介电参数变化较小，但果实的SSC和硬度有减小趋势。SSC和硬度是衡量果实内部品质的主要指标，品质优良的苹果应该具有较高的SSC和硬度［22-23］。因此，本实验认为苹果的最佳采收期应该在开花后第167天左右。当苹果的开花发育时间未知时，对于‘富士'苹果，可以以发育第167天果实的介电参数值，如27 MHz或者41 MHz条件下的ε'（约为34和31）作为判断果实是否发育成熟的指标。

2.4 介电参数与内部品质的关系

为了了解发育后期苹果的介电参数与内部品质的关系，建立了201 个频率下SSC、硬度（firmness，F）、pH值和含水率（moisture content，MC）分别与ε'和ε″的线性关系式如下：

y=ax+b

式中：y为SSC、硬度、pH值和含水率；x为ε'和ε″；a和b为拟合系数。

图3表明，ε'和ε″与SSC和pH值之间存在负的线性相关性，而与硬度和含水率间存在正的线性相关性。由图3a可知，当频率小于100 MHz时，ε'与SSC相关系数的绝对值随频率的增大而增大，且均大于0.93，但当频率大于100 MHz时，该相关系数随频率的增大而减小。在测量频率的中间频段，即30～2 000 MHz的范围内，ε″与SSC存在较好的线性相关性，其相关系数的绝对值均大于0.89，最大值0.95出现在60～150 MHz的范围中。

由图3b可知，ε'与硬度的相关系数总体上随着频率的增大而增大，其最小值0.79 出现在100 MHz附近，最大值0.88出现在4 500 MHz。在30～2 000 MHz的范围内，ε″与硬度的相关系数均大于0.73，其最大值0.82出现在1 300 MHz左右。

ε'与pH值的线性相关系数绝对值均大于0.88，最大值0.96出现在270 MHz左右；ε″与pH值线性相关系数的绝对值在27～44 MHz之间达到0.98（图3c）。ε'和ε″与含水率的线性相关系数的最大值分别为100 MHz时的0.70和390 MHz时的0.73（图3d）。结果表明，除了含水率外，发育后期苹果的SSC、硬度和pH值间与ε'和ε″在某些频率下存在良好的线性相关性，可以以某一频率下的介电参数值预测苹果的内部品质（表3）。

3 结 论

在果实发育期间，生命活动的作用将果实内的淀粉转化为糖。随着时间的积累，果实的含糖量逐渐增加，且发育初期增加较快［3］。随着果实逐渐成熟，果实内的有机酸含量逐渐减少，导致pH值减小；细胞壁的组成成分（果胶、纤维素和半纤维素）含量减小，导致细胞间松弛、果实硬度下降。在生长发育过程中，果实的内部品质会受温度、光照、降雨量等环境因素的影响。果实的含水率一方面受降雨和自身呼吸作用的影响，使其内部水分含量增多；另一方面随着果实不断成熟，其内源乙烯含量增加，乙烯会增加细胞膜的通透性［24］使果实的蒸腾作用大大增强，消耗大量水分，这一系列因素使得发育后期果实的含水率未表现出明显的变化趋势（表2）。同一频率下介电参数值的显著性差异情况不同（表1）。尤其是最后4 次测量的ε'，其差异显著不明显，说明苹果果实内部成分的变化没有对其宏观的介电参数值产生显著的影响（P＜0.05）。

苹果属于呼吸跃变型果实。本实验中，在生长发育第131天之前，果实幼嫩，呼吸旺盛；生长发育的131～155 d，随着果实细胞的不断膨大，其呼吸强度逐渐减弱；生长发育的第155天以后，果实开始成熟，并随着乙烯释放高峰的到来，呼吸强度突然上升，直至果实完熟时达到第二次呼吸高峰；随后呼吸强度开始下降，果实进入衰老阶段［24］。2013年7—8月，陕西地区出现的长时间连续降雨，导致气温降低，从而有可能抑制了果蔬的呼吸作用［25］，使得呼吸强度出现突然减弱的趋势（图2）。

在20～4 500 MHz的频率范围内，ε'随频率的增加而减小，ε″随频率的增加先减小后增大，最小值出现在约2 000 MHz处。发育时间对苹果介电参数随频率变化的规律没有影响，但却使果实的ε'和ε″值随发育时间的增加而减小。呼吸高峰之后ε'变化不显著。在苹果果实发育后期，总体上，硬度呈下降趋势，SSC和pH值呈上升趋势，但含水率变化不明显。SSC和pH值与ε'和ε″之间存在负的线性相关性，硬度和含水率与ε'和ε″间存在正的线性相关性。本实验说明苹果的介电特性与生理特性之间存在必然的联系，介电特性是内部物质成分变化的反映，可以依据介电参数值预测苹果内部品质，以及判断苹果是否发育成熟。实验结果可为开发基于介电特性的便携式水果品质及成熟度检测仪提供理论基础。

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Relationship between Dielectric Properties and Physicochemical Properties of Apples during Late Developmental Period

KONG Fanrong， GUO Wenchuan*
（College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

To understand the changing patterns of dielectric properties， physiological properties and internal qualities during the late developmental period of apples and to illustrate the relationship between them， open-ended coaxial-line probe technology was used to measure the dielectric constant ε' and dielectric loss factor ε″ of apples over the frequency range of 20-4 500 MHz during the last three months of fruit development， along with the physiological parameters （the amount of released ethylene and respiration intensity） and internal qualities （soluble solids content （SSC）， firmness， pH and moisture content）. The results showed that ε' decreased with increasing frequency， and ε″ had minimum values at around 2 000 MHz. During fruit development， the dielectric constant ε'， dielectric loss factor ε″ and firmness decreased， while SSC and pH increased with maturity. The peak of released ethylene was found between two respiration peaks. There were good linear relationships among dielectric constant ε'， dielectric loss factor ε″， SSC， firmness and pH in some frequency ranges. This study indicated that the dielectric properties were a comprehensive reflection of physiological properties and internal qualities. The maturity of apples could be judged by dielectric constant ε' and dielectric loss factor ε″. It is feasible to assess internal qualities of apples using a permittivity value at a given frequency.

apple； fruit development period； dielectric constant； dielectric loss factor； physiological properties； quality

10.7506/spkx1002-6630-201609003

S661.1；O472.4

A

1002-6630（2016）09-0013-05

孔繁荣， 郭文川. 发育后期苹果的介电特性与理化特性的关系［J］. 食品科学， 2016， 37（9）： 13-17. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201609003. http：//www.spkx.net.cn

KONG Fanrong， GUO Wenchuan. Relationship between dielectric properties and physicochemical properties of apples during late developmental period［J］. Food Science， 2016， 37（9）： 13-17. （in Chinese with English abstract） DOI：10.7506/ spkx1002-6630-201609003. http：//www.spkx.net.cn

2015-06-22

国家自然科学基金面上项目（31171720）

孔繁荣（1991—），女，硕士研究生，主要从事农产品的介电特性无损检测技术研究。E-mail：18700943588@163.com

*通信作者：郭文川（1969—），女，教授，博士，主要从事农产品和食品品质无损检测技术研究。E-mail：guowenchuan69@126.com