柿果实成熟期间电学参数变化

2019-06-01张莉韩爱华黄云钰王瑞庆

甘肃农业大学学报 2019年2期

张莉，韩爱华，黄云钰，王瑞庆

(1.上饶师范学院生命科学学院，江西上饶 334001；2.重庆市渝北区农产品质量安全中心，重庆 401120)

我国是柿(DiospyroskakiT.)原产国，产量占全球70%以上(FAO，2016)，主要为涩柿品种.由于成熟期不一致，生产上往往将不同成熟度果实混合贮存，严重缩短了贮藏期，成为鲜柿商品化经营的主要限制性因素之一.如何利用无损方法区分柿果实成熟度，是目前柿产业化生产亟待解决的问题.

近年来，电学特性在果实无损伤检测中表现出广阔的应用前景.果实内部含有大量水和离子，具有导电特性，细胞内膜系统具有介电特性，宏观上可以将果实作为非均质电解质或半导体材料，在外加交变电场中，表现出介电、感电、导电和电穿透等特性[1-2].在成熟衰老、病虫害侵染等过程果实内部发生显著的生理生化变化，引起细胞结构、化学成分和细胞膜透性的改变[3-4]，这些变化可引起宏观电学参数的改变[5-6].目前，电学特性已经应用于果实品种识别[7-8]、生理病害[9]、新鲜度检测[10-12]等方面的研究.由于柿果实采收后迅速软化，内部结构和成分变化显著，因而其电学特性也受到关注.在贮藏期间，其电学参数发生了显著性变化[13-14].而柿果实采收以前，内部理化指标变化较采后平缓，商业采收时仍然保持较高硬度，成熟期间电学特性是否发生改变尚不清楚.

要实现基于电学特性对柿果实成熟度进行分级，关键是找到与果实成熟过程相关的敏感电参数及其变化规律.本研究以‘火柿’为材料，根据预试验对十余个电学指标的测试，初选了阻抗、电容、电感和电导4个在成熟衰老过程变化显著的电参数，在100 Hz～3.98 MHz频率范围，研究4个成熟时期柿果实电学指标差异、频率特性及其生物学与介电学机制，旨在探索柿果实成熟期间电学参数的变化规律，寻找能够表征果实成熟过程的敏感电参数，为实现基于电学特性柿果实成熟度分级提供理论和实践依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试果实品种为‘火柿’(DiospyroskakiL.)，采于西北农林科技大学试验站.借鉴美国农业部番茄成熟度分类标准(USDA 2005)，根据外观颜色分为4个成熟时期：破色期(breakers)：果实整体绿色，顶部变黄；转色期(turning)：果实呈黄绿色，顶部转为橙色；橙红期(orange)：果实大部分橙红色，顶部变红；红熟期(red)：果实大部分红色，但尚未软化.各成熟期果实采摘15个，赤道面直径4.9～5.6 cm，当天运回实验室，待平衡至室温(20 ℃)后，测定电学参数.

1.2 试验方法与仪器

电学参数测试装置与方法如图1所示.平行板铜电极连接LCR仪(HIOKI 3532-50，日本)，后者与计算机相连，通过HIOKI软件采集数据.将‘火柿’置于平行板铜电极两极板之间，施加1 N力使之接触稳定.在100 Hz～5 MHz，参照王瑞庆等[12]的方法，根据对数关系在24个频率下测定电学参数.根据预试验，对14个电参数测定的基础上，选取对果实生理变化反应灵敏的4个电参数阻抗、并联电容、并联电感和电导进行测定.阻抗是正交电路中电压与电流的比值；电容指果实内介电物质容纳电荷的能力；电感指果实在交流电场中磁通量与产生此磁通的电流之比；电导指果实的导电能力.成熟期间电学参数变化百分比通过∣E红熟期-E破色期∣×100/E破色期计算，E表示电学参数.

图1 电学参数测量系统示意图Figure 1 Schematic diagram of the electrical parameters measurement system

1.3 数据处理与分析

用PASW Statistics 18.0软件进行数据处理与分析.不同频率下电学参数及不同成熟度间差异显著性用Duncan’s多重比较进行ANOVA检验.

2 结果与分析

2.1 ‘火柿’果实电参数的频率特性

‘火柿’电参数的频率特性见图2～5.在100 Hz～5 MHz，随着测试频率升高，阻抗(Z)和电感(Lp)均呈指数急剧下降(图2、3；表1)，阻抗从100 Hz频率时的1.1(红熟期)～2.4 MΩ(破色期)下降至3.98 MHz频率时的25.7(红熟期)～45.3 Ω(破色期)，下降幅度大于99.998%.电感由1 680(红熟期)～3 816 H(破色期)降至1.1(红熟期)～1.9 μH(破色期)，下降幅度大于阻抗.测试频率的对数分别与果实阻抗和电感的对数值呈线性负相关(r2≥0.995).各成熟度果实电容随测试频率变化趋势相同(图4)，呈缓慢下降(100 Hz～100 kHz)→快速上升(100 kHz～1 MHz)→急剧下降(1～3.98 MHz)的跃变过程，不同测试频率下电容值在0.55(100 kHz，破色期果实)～2.50 nF(1 MHz，红色期果实)波动.较低频率范围(低于10 kHz)，电导随频率升高呈幂函数关系上升，频率大于10 kHz后，电导呈不规则上升趋势(图5，表1).

图2 4个成熟期果实阻抗随频率的变化Figure 2 Variation of fruit impedance with frequency at 4 maturity stages

图3 4个成熟期果实电感随频率的变化Figure 3 Variation of fruit inductance with frequency at 4 maturity stages

图4 4个成熟期果实电容随频率的变化Figure 4 Variation of fruit capacitance with frequency at 4 maturity stages

图5 4个成熟期果实电导随频率的变化Figure 5 Variation of fruit conductance with frequency at 4 maturity stages

2.2 ‘火柿’果实成熟过程电参数变化

‘火柿’果实电学参数随成熟度的变化见图2～5；不同成熟时期，各频率下电学参数的最大差异(破色期与红熟期之间)百分比见图6.随着果实从破色期到红色期成熟度增加，各频率下果实阻抗、电感、电容和电导均发生极显著变化(P<0.01).阻抗和电感变化趋势相似，均呈幂函数关系下降，下降幅度随频率变化有差异(图6)，阻抗下降幅度为43.39%(3.98 MHz时)～58.84%(158 kHz时)；电感下降幅度为40.10%(3.98 MHz)～59.51%(2.51 kHz).当测试频率大于1 MHz，不同成熟度果实阻抗和电感差异呈减小趋势(图6).随着果实成熟度增加，果实电容显著增大(P<0.01，图4)，破色期、转色期和橙色期果实之间电容差异相对较小，随着果实成熟，电容增大了12.90%(3.98 MHz)～51.09%(0.1 kHz).红熟期‘火柿’果实电容迅速升高(图4)，比破色期电容增大了67.28%(3.98 MHz)～147.63%(251 kHz).随果实成熟度增加，电导显著增大，在0.1～631 kHz范围，红熟期果实电导比破色期果实大41.01%(0.1kHz)～128.37%(63.1 kHz).不同成熟期果实间差异幅度随频率增大呈波动性变化，差异极大值出现在3.98 kHz和63.1 kHz频率.大于等于1 MHz频率下，电导值变化不规律，但随果实成熟度增加，电导仍呈增大趋势(图4).

表1 电学参数与频率关系(以破色期果实为例)

图6 各频率下成熟期间柿果实电学参数变化百分比Figure 6 Percentage difference of persimmon electrical parameters under different frequencies during maturation

3 讨论

3.1 成熟时期判断

目前，国际上尚未见柿果实成熟度的统一判定标准.由于柿成熟过程，表皮经历了明显颜色变化过程，且与内部成分变化密切相关，因而表皮颜色成为判定柿果实成熟时期的主要指标之一[15]，但划分方法各异.通常将柿果实颜色描述为绿、黄绿、橙、红，当颜色转变为橙色时，便进行商业化采收[15].这是根据果实整体颜色划分，未考虑到柿果实颜色局部变化的趋势和特点.‘火柿’成熟过程，颜色转变从顶部开始，向基部漫延，这种颜色变化特点与另一种浆果番茄类似.本研究借鉴美国农业部根据果皮颜色对番茄的分类标准，将成熟过程的‘火柿’分为破色期、转色期、橙色期、红熟期4个时期，更符合柿果实成熟过程颜色变化和本研究需要，且划分相对更精确(从顶部由绿变黄开始划分).尽管柿子软化后，电学参数变化更明显，由于变软后即失去鲜食果实商品化处理(脱涩等)及销售价值，本研究所选果实成熟时期均为软化前的果实.

3.2 ‘火柿’果实电学参数的频率特性

随测试频率升高，‘火柿’果实阻抗和电感呈幂函数关系下降，电容呈跃变性波动变化，而电导呈剧烈波动性不规则变化，这种频率特性是由于电流在果实内部传播特点决定的.低频率下，电流主要通过细胞间隙的溶液组成的细胞外通道传播，阻力相对较大.而高频率下，电流可以穿过细胞膜和液泡膜，同时在细胞外和细胞内通道传播，阻力相对较小.测试频率升高时，阻抗下降、电导升高，与在红巴梨[16]、茄子[17]等果实研究结果相同.而当植物组织内部结构遭到破坏，阻抗会降低，且随着频率变化幅度相对较小[17].本研究中果实电容随频率增加呈现跃变的趋势(图4)，是由于不同频率范围的介电特点决定的.本研究中，在100 Hz～100 kHz，电容呈下降趋势，与红巴梨[16]等果肉组织在该频率范围的研究结果类似，电容的下降是由于频率升高后离子导电能力升高引起的[18].在100 kHz～1 MHz，电容迅速升高是由于此频率范围形成具有较大电容的带点双离子层，且双电层和麦克斯韦介电损耗在此频率范围下降引起的.测试频率大于1 MHz时，电容迅速下降，是由于高频率下电导升高，束缚水松弛产生的介电损耗在这个频段(1 MHz)开始出现所致[19].电导随测试频率的剧烈波动不规则变化，主要是由于果实介电损耗随激发频率的不规则变化引起的[19].

3.3 不同成熟时期果实电学参数差异

果实电学特性变化内因主要取决于其内部结构、成分及存在状态，包括带电粒子的束缚程度、极性、偶极矩、化学成分、水分含量变化、细胞完整性等.本研究中，‘火柿’果实随成熟度增加，阻抗、电感显著下降，电容、电导显著升高(P<0.05)，主要由于成熟过程果实内部产生了生理生化变化引起了电学参数变化.成熟过程，胶体周围束缚水转化为自由水，电容增大.淀粉等大分子物质水解，离子浓度增大，成熟过程细胞膜透性增大，更多的电解质渗出细胞外，降低了电流阻力，阻抗降低，电导增大.以往研究发现，柿果实随着贮藏期延长和采收后果实的迅速软化，电学参数发生了明显改变[13-14].本研究进一步表明，采收前树体原位成熟过程，柿果实电学参数已经历了显著的变化过程，因而利用电学参数对柿果实进行成熟度分级具有可行性.

不同种类果实在成熟过程中，电学参数变化的显著程度存在差异.Guo等[20]利用开放端路同轴电缆在10～4 500 MHz对不同成熟度的富士苹果进行测试，不同成熟度果实间电学参数未表现出明显差异，这可能由于苹果果实成熟期间内部结构和成分变化相对较小.此外，还可能与测试方法有关.目前用于无损测定果实电学特性的传感器主要为两种：开放端路同轴电缆和平行板电极.前者通常用于较高频率(数十至数千MHz)下电参数的测定，且仪器价格较高，而测试精度有限[1].后者通常测试频率低于5 MHz，低频对材料的穿透距离更大，且对果实内部变化的响应更显著.本研究使用的平行板电极，在施予相等压力时，电学参数阻抗、电感和电容均表现出较好的稳定性，此类装置结合基于机器手结构进行机械化分级操作中具有较好应用前景.

在100 Hz～5 MHz，随测试频率增大，不同成熟期果实间阻抗、电感和电容差异呈增大趋势，差异最大值在251～398 kHz产生，随着频率继续增大，差异减小.因而，251～398 kHz可作为利用阻抗、电感和电容区分柿果实成熟度的适宜频率范围.不同成熟时期果实电导在3.98 kHz和63.1 kHz下差异相对较大，可作为利用电导区分成熟度的适宜频率.此外，4个电学参数中，不同成熟度果实间电容差异幅度最大，因而是区分柿果实成熟度最具潜力的电学参数.电导在不同测试频率下的数值及差异幅度均呈现较大的不稳定性，因而不建议作为优先考虑的电学参数(图6).