3种籽瓜果肉电学特性的变化规律及其差异分析

熊世磊，王启慧，万芳新，黄晓鹏*

（1.甘肃农业大学机电工程学院，兰州 730070；2.甘肃农业大学食品科学与工程学院，兰州 730070）

籽瓜（Citrullus lanatus ssp.vulgaris var.Megala⁃spermus），又称“籽用西瓜”“打瓜”，属于葫芦科（Cu⁃curbitaceae）一年生草本植物，主要种植于我国甘肃、新疆、内蒙古、吉林和山西等地，是一种低糖低脂低热量的耐旱瓜种[1-5]。籽瓜种仁营养丰富，是优质的油料和蛋白质资源[6-7]；籽瓜果皮中约有10%～20%的果胶，是优质的果胶资源[8]；据《本草求真》记载“打瓜肉入心脾胃，肉有解心脾胃热，止消渴”，指出籽瓜肉可舒胃养肾、润肺活血和提高免疫力[9]。目前，国内外对籽瓜的研究主要集中于机械化采收、破碎取籽等方面[10-12]，而对籽瓜果肉电学特性的研究却鲜有报道。

果品运输过程中常存在不同程度的机械损伤，而不同程度的损伤可以用电学特性来加以区别。对于电学特性测定通常有平行板电极法、传输线法以及探针刺入法等几种。与传统的检测手段相比，电学特性的测定具有快速准确、操作简单和在线测量等优点，其中平行板电极法应用最为广泛[13]。果蔬的电学特性不仅与贮藏条件和贮藏时间有关，与测试条件也有一定关系，其中测试电激励的频率是影响果实生物学电特性的主要因素[14-15]。目前，国内外学者利用电学特性对苹果、梨、西瓜、甜瓜、猕猴桃的糖度和新鲜度等品质的检测和其他果蔬的电参数的频率特性研究均取得了一定进展，而籽瓜果肉采后电学特性是否发生变化尚不明确。为此，本研究以“靖远1号”“靖远2号”和“大变小”3种籽瓜为试验材料，在预实验基础上，利用平行板电极法测定了籽瓜果肉在49个频率点下8个电学特性的变化，旨在区分3种籽瓜果肉电学特性随频率的变化规律及其差异，以期为鲜食籽瓜电学特性的品质检测研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试的3种新鲜籽瓜（靖远1号、靖远2号、大变小）均采自甘肃省靖远县的某农户瓜园中，其成熟期集中于8月初至8月中下旬。其中靖远1号籽瓜整瓜平均质量约为3.5～5 kg，瓜皮厚度约为0.7～1.8 cm，单瓜纵横径约为17 cm×19 cm；靖远2号籽瓜整瓜平均质量约为3～5 kg，瓜皮厚度约为1.7～2.1 cm，单瓜纵横径约为17 cm×18 cm；大变小籽瓜整瓜平均质量约为3～5 kg，瓜皮厚度约为1.5～2 cm，单瓜纵横径约为18 cm×17 cm。随机选取成熟状况大致相同、质地品质良好和无病虫害的3种新鲜籽瓜各120个，当天运回实验室，低温（16℃～20℃）贮藏，以备待用。

1.2 试验方法

1.2.1 测试系统组成

果肉的电学特性测试系统主要是由IM3536型LCR测试仪和计算机组成，可在线测量多个电学特性。本次试验所采用的仪器为日本日置（上海）贸易有限公司生产的IM3536型LCR测试仪，该仪器可以同时在线无损检测多个电学特性，所能测试的频率范围为4 Hz～8 MHz。测试中所使用的测试探头为9140-10型四终端探头，电极采用铜制圆形平行板电极，极间距可调，自制防干扰箱，具体如图1a所示。

1.2.2 测试样品制备

本试验设计12个试验组，每个试验组包括靖远1号、靖远2号和大变小籽瓜各10个，依次标号备用。

先用清水将籽瓜表面清洗干净，待其表面水分全部晾干后，利用小刀分别从靖远1号、靖远2号和大变小籽瓜平行于轴向的瓜梗部位切取宽度约为4 cm的瓜片，之后利用自制圆柱形取样器（直径为3 cm）从瓜梗部向下贯穿至瓜尾部，从中均匀分布地取厚度为1 cm的圆柱形样品5个（若样品中有籽粒，则剔除），其中一组标号样品如图1b所示。

图1 试验装置和标号样品Figure 1 Test set and labeled samples

1.2.3 测定指标及方法

试验于2020年9月在甘肃农业大学机电工程学院农产品加工实验室进行。试验前一天，将检测籽瓜提前取出回温处理。试验分12批次进行，6日内检测完毕，当天完成同一试验批次籽瓜果肉各项电学特性的测定。

测试时，平行板电极连接LCR测试仪，后者与计算机相连，数据由特定的软件收集，LCR测试仪提前预热2小时后，进行手动调零。随后将籽瓜果肉样品置于平行板同电极之间，将平行板电极放置于自制防干扰箱中，测试实际采用频率（f）设定为163.28～8 000 kHz范围内的49个频率点，施加1N夹持力使之接触稳定。在预实验的基础上，选取8个电学特性阻抗、电导、品质因数、并联等效电容、并联等效电感、并联等效电阻、电抗和损耗因子进行测定，每个样品重复测量3次，取平均值。整个试验过程中，控制实验室温度为24℃～25℃。其中阻抗可以反映交流电电压和电流之间的关系，是由电容、电阻和电感组成的生物体等效复合电路中的电阻和电抗组成，即Z=Rp+jX，其中Rp代表并联等效电阻，X代表电抗；品质因数是损耗因子的倒数；电容表示生物体内介电物质容纳电荷的能力；电感表示生物体在交流电场中磁通量与产生此磁通的电流之比。

分别对所测定的3种籽瓜果肉8个电学特性之间的相关性进行分析，以探讨3种籽瓜果肉8个电学特性之间的相关关系；在特定的电学频率范围内，分别建立3种籽瓜果肉8个电学特性与电学频率之间的一元非线性回归模型，以衡量电学频率的变化对电学特性的影响。

1.3 数据分析

采用WPS 2019和Origin 2019进行数据分析与图像绘制，利用SPSS 25进行电学特性之间的皮尔逊相关性分析（Pearson correlation analysis）。

2 结果与分析

2.1 3种籽瓜果肉电学特性的频率特性

2.1.1 3种籽瓜果肉阻抗、电导的频率特性

由图2a可以看出：随着频率的增大，3种籽瓜果肉的阻抗均呈单调递减的趋势，且数值相差较大。从低频到高频阶段，总体大小表现均为：靖远2号>靖远1号>大变小，但随着频率的增大，差异逐渐减小。在163.28～489.81 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉阻抗下降趋势较快，而在489.81～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉阻抗下降趋势较缓慢。籽瓜果肉阻抗与籽瓜品种之间有较强的相关性，这是由于果肉中细胞组织的不均匀性所引起的。低频阶段，通电电流从细胞外液所流过，此时阻抗较大，随着频率的增大，通电电流从细胞外液和细胞内液均流过，此时阻抗明显减小。

由图2b可以看出：随着频率的增大，3种籽瓜果肉的电导均呈单调递增的趋势，且数值相差较大。从低频到高频阶段，总体大小表现均为：大变小>靖远1号>靖远2号，但随着频率的增大，差异逐渐减小。在163.28～489.81 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉电导上升趋势较快，而在489.81～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉电导上升趋势较缓慢。籽瓜果肉电导与籽瓜品种之间有较强的相关性，这是由于电导是反映电介质传输通电电流能力强弱的参数，与生物体的几何形状、尺寸和电导率有关。而本文中，所制作的试验样本的几何形状和尺寸是统一的，故该现象的产生与3种籽瓜果肉的电导率有关的。

图2 阻抗、电导随频率的变化Figure 2 Variation of impedance and conductance with frequency

2.1.2 3种籽瓜果肉品质因数、并联等效电容的频率特性

由图3a可以看出：随着频率的增大，靖远1号籽瓜和大变小籽瓜果肉的品质因数均呈单调递减的趋势，而靖远2号籽瓜果肉的品质因数呈先降低再缓缓升高，随后有降低的趋势。3种籽瓜果肉品质因数的值比较接近，而在163.28～1 632.7 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉品质因数值下降趋势均较快，靖远1号籽瓜果肉品质因数值高于靖远2号和大变小，差异显著性较小。而在1632.7～8000 kHz范围内，籽瓜果肉品质因数与籽瓜品种之间有较强的相关性，靖远2号籽瓜果肉品质因数值却高于靖远1号和大变小。

由图3b可以看出：随着频率的增大，3种籽瓜果肉的并联等效电容均呈单调递减的趋势。在163.28～979.6 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉并联等效电容值均下降趋势均较快，在1 632.7～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉并联等效电容值均下降趋势缓慢。3种籽瓜果肉并联等效电容的值比较接近，但在163.28～2 938.8 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电容关系为：靖远1号>大变小>靖远2号；在3 102～3 755.1 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电容关系为：靖远1号>靖远2号>大变小；在3 918.4～8 000 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电容关系为：靖远2号>靖远1号>大变小。

图3 品质因数、并联等效电容随频率的变化Figure 3 Variation of quality factor and shunt equivalent capacitance with frequency

2.1.3 3种籽瓜果肉并联等效电感、并联等效电阻的频率特性

由图4a可以看出：在163.28～4 734.7 kHz范围内，随着频率的增大，靖远1号籽瓜、靖远2号籽瓜和大变小籽瓜果肉的并联等效电感均呈单调递增的趋势，3种籽瓜果肉并联等效电感的值比较接近。在5 551～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，靖远1号和大变小籽瓜果肉并联等效电感表现无规律的峰值变化。在163.28～2 449 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电感关系为：大变小>靖远1号>靖远2号；在2 612.3～3 102 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电感关系为：靖远1号>大变小>靖远2号；在3 265.3～3 591.8 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电感关系为：靖远1号>靖远2号>大变小；在3 755.1～5 387.8 kHz范围内，3种籽瓜果肉并联等效电感关系为：靖远2号>靖远1号>大变小。

由图4b可以看出：随着频率的增大，靖远1号籽瓜、靖远2号籽瓜和大变小籽瓜果肉的并联等效电阻均呈单调递减的趋势。3种籽瓜果肉并联等效电阻的值相差较大，从低频到高频阶段，总体大小表现均为：靖远2号>靖远1号>大变小，但随着频率的频率的增大，差异逐渐减小。在163.28～489.81 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉并联等效电阻下降趋势较快，而在653.07～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉并联等效电阻下降趋势较缓慢，籽瓜果肉并联等效电阻与籽瓜品种之间有较强的相关性。

图4 并联等效电感、并联等效电阻随频率的变化Figure 4 Variation of parallel equivalent inductance and parallel equivalent resistance with frequency

2.1.4 3种籽瓜果肉电抗、损耗因子的频率特性

由图5a可以看出：随着频率的增大，3种籽瓜果肉的电抗均呈单调递增的趋势。低频阶段，3种籽瓜果肉电抗的值比较接近，高频阶段，3种籽瓜果肉电抗的值差距增大。从低频到高频，总体大小表现均为：大变小>靖远1号>靖远2号。在163.28～979.6 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉电抗上升趋势较快，而在979.6～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，3种籽瓜果肉阻抗上升趋势较缓慢，籽瓜果肉电抗与籽瓜品种之间有较强的相关性。

由图5b可以看出：在163.28～5 714.3 kHz范围内，随着频率的增大，靖远1号籽瓜、靖远2号籽瓜和大变小籽瓜果肉的损耗因子均呈单调递增的趋势，3种籽瓜果肉损耗因子的值比较接近，总体大小表现为：大变小>靖远1号>靖远2号。在5 877.6～8 000 kHz范围内，随着频率的增大，靖远1号和大变小籽瓜果肉损耗因子表现无规律的峰值变化。

图5 电抗、损耗因子随频率的变化Figure 5 Variation of reactance and loss factor with frequency

2.2 3种籽瓜果肉电学特性相关性分析

3种籽瓜果肉电学特性之间相关性结果如表1、表2、表3所示。从表1、表2和表3可以看出，3种籽瓜果肉的阻抗与电导、并联等效电感和电抗之间均呈极显著负相关，与并联等效电容、并联等效电阻之间呈极显著正相关；电导与并联等效电容、并联等效电阻之间呈极显著负相关，与电抗之间呈极显著正相关；并联等效电容与并联等效电感、电抗之间呈极显著负相关，与并联等效电阻呈极显著正相关；并联等效电感与并联等效电阻之间呈极显著负相关，与电抗之间呈极显著正相关；并联等效电阻与电抗之间呈极显著负相关。靖远1号籽瓜果肉的并联等效电容与损耗因子之间无显著相关性，靖远2号籽瓜果肉的品质因数与并联等效电容、并联等效电感、并联等效电阻、电抗和损耗因子之间均无显著相关性，大变小籽瓜果肉的损耗因子与阻抗、品质因数、并联等效电容、并联等效电感、并联等效电阻和电抗之间均无显著相关性。

表1 靖远1号籽瓜果肉电学特性之间的相关性Table 1 The correlation between the electrical parameters of Jingyuan No.1 seed melon pulp

表2 靖远2号籽瓜果肉电学特性之间的相关性Table 2 The correlation between the electrical parameters of Jingyuan No.2 seed melon pulp

表3 大变小籽瓜果肉电学特性之间的相关性Table 3 The correlation between the electrical parameters of Dabianxiao seed melon pulp

2.3 3种籽瓜果肉电学特性的回归分析

利用Origin 2019对所测得的3种籽瓜果肉电学特性进行回归分析，鉴于所使用的回归分析方法相同，3种籽瓜果肉电学特性回归分析结果一致，这里以靖远1号籽瓜果肉电学特性回归分析为例，具体结果见表4。从表4中可以看出，在163.28～8 000 kHz范围内，阻抗随频率的增加呈Expdec2模型分布，电导和并联等效电阻随频率的增加呈Polyno‐mial模型分布，品质因数和并联等效电容随频率的增加呈Allometricl1模型分布，电抗随频率的增加呈Expassoc模型分布；在163.28～5 387.8 kHz范围内，并联等效电感随频率的增加呈Expdec1模型分布；在163.28～5 714.3 kHz范围内，损耗因子随频率的增加呈Polynomial模型分布；决定系数均在0.93以上，回归分析结果可靠。该结果指明了靖远1号籽瓜果肉电学特性与频率之间的关系，为鲜食籽瓜电学特性的品质检测研究提供理论依据。

表4 电学特性与频率关系（以靖远1号籽瓜果肉为例）Table 4 Correlation between frequency and electrical parameters（with example of Jingyuan No.1 seed melon pulp）

以并联等效电容回归分析结果为例，对Allome‐tricl1模型进行验证，验证试验的频率范围仍在163.28～8 000 kHz之间，具体结果如图6所示。测试值与模拟值的误差小于3%，一致性较好，因此利用Allometricl1模型能较好地模拟并联等效电容与频率之间的关系。

图6 Allometricl1模型的验证Figure 6 Verification of Allometricl1 model

3 讨论

胡萝卜[13]、西 瓜[16-17]、蜜瓜[16]、马铃薯[13]、桃[18]、枣[19-21]和草莓[22]等果蔬室温贮藏时，均表现出介电损耗因子和介电常数随频率的变化而呈函数模型分布[23]。本研究发现：在特定的电激励频率段内，3种籽瓜果肉阻抗、电导以及品质因数等8种电学特性均随频率的变化呈不同的函数模型关系；在163.82～8 000 kHz范围内，随着频率的增加，3种籽瓜果肉的阻抗下降、电导升高，与茄子[24]、红巴梨[25]、兰州百合[26]、西红柿[27-28]和桃[18]等研究结果相似，该结果产生的原因是由于果肉中细胞组织的不均匀性和电导率不同所引起的，进一步说明了各种水果及蔬菜的电学特性的频率特性变化相似。随着频率的增加，3种籽瓜的并联等效电容均呈下降变化趋势，这与“嘎啦”苹果果实[29]、红巴梨[25]和柿果[30]等低频范围内的处理时研究结果相同，而与猕猴桃果实研究结果相反[31]，这可能与电容升高后离子的导电能力和所选择的电激励频率范围不同有关。在高频范围内，靖远1号籽瓜、大变小籽瓜果肉的并联等效电感和损耗因子均表现出无规律的峰值变化，该结果或许可能与两者的本质基因有关。

通过测定果实的电学特性，可为果实的电学检测和品质鉴定提供参考依据。郭文川等[32-33]研发现，介电频谱可用于检测“库尔勒”香梨的糖度和苹果的可溶性固形物；沈静波等[21]研究发现，BP神经网络可建立长枣的新鲜度预测模型，且新鲜度等级平均识别率可达81.67%；高亚平等[34]研究发现，基于介电特性预测干燥过程中青萝卜的含水率、糖度等是准确的；李冬冬等[22]研究发现，利用草莓的介电参数预测草莓的内在品质是可行的；屠鹏等[35]研究发现，介电特性法可快速评价果品的机械损伤。本研究建立了籽瓜果肉电学特性随频率变化的回归模型，可为后期建立电学特性与品质之间的模型提供理论基础。

相关性分析可以用来衡量两个变量因素的关系密切程度。本研究的相关性分析发现：3种籽瓜果肉的X与G、Lp和X之间均呈极显著负相关(P<0.01)，与Rp和Cp之间呈极显著正相关（P<0.01)；3种籽瓜果肉的D与Cp之间均无显著相关性。该结果的产生可能与3种籽瓜果肉内部含水率、结构特性有关。

4 结论

本研究以“靖远1号”“靖远2号”和“大变小”3种籽瓜为试验材料，在预试验基础上，利用平行板电极法测定了籽瓜果肉在49个频率点下8个电学特性，明确了3种籽瓜果肉电学特性随频率的变化规律，区分了3种籽瓜果肉电学特性之间的差异；在一定的频率范围内，利用特定的函数模型对3种籽瓜电学特性的试验结果进行回归分析，得到了较好的拟合结果；通过对Allometricl1模型进行验证，得出测试值与模拟值的一致性较好，表明利用Allome‐tricl1模型能较好地模拟并联等效电容与频率之间的关系，该结论可为鲜食籽瓜电学特性的品质检测研究提供理论依据。