伽师瓜介电特性与其糖度的关系

黄新成+楚合营+刘朝霞+熊英

摘要：为了解伽师瓜的糖度及成熟度对其介电特性的影响，研究了在10 kHz射电频率下不同成熟度样品的损耗角正切值、品质因数等介电特性参数与糖度值的关系。考虑其个体重量不同等因素，引入单重正切值和单重品质因数作为评价伽师瓜介电特性的新指标，分析并指出了伽师瓜的糖度与重量及其单重正切值和单重品质因数的关系，并进一步探讨了射电频率对其单重正切值和单重品质因数的影响。

关键词：伽师瓜；介电特性；糖度；无损检测

中图分类号：S666.52；S183 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）19-4622-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.19.030

Relationships between the Dielectric Property and the Brix of Jiashi Melon

HUANG Xin-chenga， CHU He-yinga， LIU Zhao-xiaa， Xiong yingb

（a. College of Mechanical and Electronic Engineering；

b. Key Laboratory of Modern Agricultural Engineering， Tarim University， Alar 843300， Xinjiang， China ）

Abstract： In order to investigate the influence of the Brix on the dielectric properties of the Jiashi melon， the loss tangent value， quality factor and other relative dielectric parameters of Jiashi melon with different maturity were studied at the radio frequency of 10 kHz. Considering the difference of the individual weight of Jiashi melon， the unit weight tangent value and unit weight quality factor were introduced as new indicators for evaluating the dielectric properties of them. The relationships between the unit weight tangent value and unit weight quality factor and the brix of Jiashi melon were analyzed subsequently. Further， the influences of radio frequencies on the unit weight tangent value and unit weight quality factor were discussed.

Key words： Jiashi melon； dielectric property； Brix； nondestructive testing

伽师瓜是新疆地区主要的瓜果品种之一，每年产量近百万吨。随着新疆瓜果业的发展，伽师瓜越来越多地走出新疆走向世界，成为全国乃至全世界消费者喜爱的瓜果之一。伴随伽师瓜不断走出新疆走向世界，新的问题成为影响瓜农收益的主要因素，例如瓜果品质的检测及保鲜等，目前发展起来的瓜果品质无损检测方法是一种非常有效的检测手段，其中基于介电特性的无损检测备受人们的关注，且已取得一定研究成果。研究发现影响瓜果品质的因素主要有含水率、成熟度及新鲜度等，这些主要因素与检测的频率[1-8]及温度[2，3]有一定的相关性。在瓜果品质的介电特性与糖度的研究中也有进展[5，6，9-11]，相关研究发现样品的介电特性和糖度——即可溶性固形物含量（SSC），具有很好的相关性——呈负相关的线性关系，而介质损耗因数与糖度呈正相关的线性关系，研究还发现样品介质损耗因数的对数与检测频率的对数也表现为正相关的线性特征[6，9，10，12]。这些研究在揭示介电特性与果品内部品质的关系方面都有很大的指导意义。为此，以伽师瓜为研究对象，研究了完整的伽师瓜的射频介电特性与果肉的糖度以及伽师瓜重量等参数之间的关系，旨在为伽师瓜品质的在线、快速检测提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

测试材料为新疆伽师县出产的伽师瓜，重量为2.55～5.06 kg，平均硬度为4 N/cm2，有效样品容量为100个，其中成熟样品60个，未成熟样品40个。

测试所使用的介电常数测试仪器为同惠2817型LCR数字电桥，糖度检测仪为京都电子KEM生产的RA-130型便携式折光率仪，称重仪器为ACS-30型电子计价秤。

1.2 试验方法

同惠2817型LCR数字电桥检测频率为10 kHz，测试用电0.3 V，由于伽师瓜的几何形状为椭球形，选取伽师瓜长轴的两端作为检测介电常数测量点。对伽师瓜糖度的测量采用多点采集取平均值，分别选取伽师瓜果肉内深度不同的位置，共7个点进行测量。为了排除因样品重量的不同而导致对结果的影响，引入了单重品质因数和单重正切值的概念，即单位重量样品的品质因数和正切值，它们分别定义为：

σD=■，σQ=■

其中D和Q分别为样品的正切值和品质因数，W为样品的重量。测量了在10 kHz频率下，不同样品的糖度及单重品质因数和正切值并分析。同时为了分析不同射电频率对样品单重品质因数和正切值的影响，选择0.10、0.12、1、10、100 kHz 5个射电频率进行试验。

2 结果与分析

2.1 伽师瓜成熟度与平均糖度的关系

图1为单重耗散角正切σD和单重品质因素σQ与伽师瓜平均糖度（SSC）的关系。从图1可以看出，未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以内，而成熟样品的糖度都在10%以上，而两者样品的单重耗散角正切曲线在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%区间内变化较为剧烈，成熟样品的单重正切值曲线存在一极小值，而未成熟样品却出现了一个极大值。

图2为成熟与未成熟样品的单重品质因数Q与平均糖度的关系。从图2可以看出，处于成熟期的伽师瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的区间内，单重品质因素随Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的区间范围内，单重品质因素随平均糖度Brix值的增大而减小，其单重品质因素与平均糖度的关系大致呈正态分布（在Brix为11.5%左右出现最大值），出现这种分布的原因可能在于，越趋于成熟的样品其品质因素的变化越趋于稳定，对于较重的样品，其单重品质因素自然就越小，但其平均随糖度Brix值的增大而减小；而未成熟的伽师瓜的单重品质因素随平均糖度的变化程度比较剧烈，这可能是因为影响未成熟的伽师瓜的单重品质因素较多，如伽师瓜的大小、形状及成熟度等，并且伽师瓜的平均糖度也可能因为生长环境不同而出现个体差异较大等问题。

2.2 伽师瓜单重品质因数和单重正切值与其平均糖度的关系

图3为频率10 kHz的单重正切值与平均糖度的关系。从图3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的区间内，样品的单重损耗角正切值随Brix的增大而减小，而在11.5%～13.5%的区间内，则正好相反，极小值出现在11.5%附近。

图4给出了伽师瓜单重品质因数与平均糖度的关系。从图4可以看出，单重品质因数随糖度Brix值的变化趋势与图3中的单重损耗角正切值的变化趋势相反，但与单重损耗角正切值相同的是，在Brix值为11.5%附近，曲线也出现了极值。这些极值的出现很可能意味着11.5%这个Brix值或为样品完全成熟的标志。

在图3和图4中，利用线性回归的方法对成熟样品的单重正切值和单重品质因数与平均糖度的关系进行了拟合，拟合结果显示总体上成熟样品的单重损耗角正切值随平均糖度的增加而趋于减小，而其单重正切值却随平均糖度增加而有趋于增加。

2.3 射电频率对伽师瓜介电常数的影响

图5和图6给出了近似相同大小和形状的伽师瓜样品在不同射电频率下的单重损耗角正切值和单重品质因数与频率的依赖关系。从图5和图6可以看出，样品的单重正切值随频率的增加而减小，对成熟样品来说在相同的频率条件下，其单重正切值要大于未成熟的样品；样品的单重品质因数的变化趋势与单重正切值相反，频率越高，样品的单重品质因数越大，从图6还可以看到，在相同的频率条件下，未成熟样品的单重品质因数要大于成熟样品的。

3 小结与讨论

伽师瓜的射频介电特性与其糖度的关系在其在线无损检测方面有着重要和基础性的应用。结果表明，成熟样品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射电频率下，伽师瓜的单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的变化并不是线性的，当Brix值小于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而减小，当Brix值大于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而增大，其单重品质因数的变化趋势与单重损耗角正切值的变化趋势正好相反。单重损耗角正切值和单重品质因数均在平均糖度Brix值为11.5%时出现极值，意味着11.5%的糖度值可能是伽师瓜完全成熟的衡量指标。研究还发现样品的单重损耗角正切值随射电频率的增加而减小，而样品的单重品质因数却随射电频率的增加而增加，此外在相同的频率条件下，成熟样品的单重损耗角正切值要大于未成熟样品的值，而其单重品质因数却总体上要小于未成熟样品的。

试验研究了伽师瓜的糖度与其介电特性的关系，由于其介电特性与检测的射电频率有非常紧密的关系，试验只选取了几个相对较低的频率点作为测量频率，而关于伽师瓜的介电特性与高频射电场的关系还需进一步探讨。

参考文献：

[1] NELSON S O， FORBUS W JR， LAWRENCE K. Permittivities of fresh fruits and vegetables at 0.2 to 20GHz[J]. Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy，1994，29（2）：81-93.

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[4] IKEDIALA J N， TANG J， DRAKE S R， et al. Dielectric properties of apple cultivars and codling moth larvae[J]. Transactions of the ASAE-American Society of Agricultural Engineers， 2000， 43（5）：1175-1184.

[5] NELSON S O，TRABELSI S，KAYS S J.Dielectric spectroscopy of honeydew melons from 10MHz to 1.8GHz for quality sensing[J]. Transactions of the ASABE，2006，49（6）：1977-1981.

[6] 郭文川，STUART O N， SAMIR T，等.蜜瓜和西瓜果汁的射频介电特性及其与糖度的关系[J].农业工程学报，2008，24（5）：289-292.

[7] 张立彬，胥 芳，周国君，等.苹果的介电特性与新鲜度的关系研究[J].农业工程学报，1996，12（3）：186-190.

[8] 郭文川，朱新华，郭康权.采后苹果电特性与生理特性的关系及其应用[J].农业工程学报，2005，21（7）：143-146.

[9] 唐 燕，杜光源，张继澍.猕猴桃电特性与生理特性关系研究[J].农业机械学报，2012，43（3）：97-102.

[10] 唐 燕，杜光源，张继澍.桃的介电特性和品质关系[J].食品科学，2012，33（9）：68-71.

[11] 安慧珍，马惠玲，任小林.苹果果实贮藏期间电学参数与品质指标的关系[J].食品科学，2013，34（2）：298-302.

[12] 郭文川，商 亮，王铭海，等.基于介电频谱的采后苹果可溶性固形物含量无损检测[J].农业机械学报，2013，44（9）：132-137.

2 结果与分析

2.1 伽师瓜成熟度与平均糖度的关系

图1为单重耗散角正切σD和单重品质因素σQ与伽师瓜平均糖度（SSC）的关系。从图1可以看出，未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以内，而成熟样品的糖度都在10%以上，而两者样品的单重耗散角正切曲线在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%区间内变化较为剧烈，成熟样品的单重正切值曲线存在一极小值，而未成熟样品却出现了一个极大值。

图2为成熟与未成熟样品的单重品质因数Q与平均糖度的关系。从图2可以看出，处于成熟期的伽师瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的区间内，单重品质因素随Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的区间范围内，单重品质因素随平均糖度Brix值的增大而减小，其单重品质因素与平均糖度的关系大致呈正态分布（在Brix为11.5%左右出现最大值），出现这种分布的原因可能在于，越趋于成熟的样品其品质因素的变化越趋于稳定，对于较重的样品，其单重品质因素自然就越小，但其平均随糖度Brix值的增大而减小；而未成熟的伽师瓜的单重品质因素随平均糖度的变化程度比较剧烈，这可能是因为影响未成熟的伽师瓜的单重品质因素较多，如伽师瓜的大小、形状及成熟度等，并且伽师瓜的平均糖度也可能因为生长环境不同而出现个体差异较大等问题。

2.2 伽师瓜单重品质因数和单重正切值与其平均糖度的关系

图3为频率10 kHz的单重正切值与平均糖度的关系。从图3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的区间内，样品的单重损耗角正切值随Brix的增大而减小，而在11.5%～13.5%的区间内，则正好相反，极小值出现在11.5%附近。

图4给出了伽师瓜单重品质因数与平均糖度的关系。从图4可以看出，单重品质因数随糖度Brix值的变化趋势与图3中的单重损耗角正切值的变化趋势相反，但与单重损耗角正切值相同的是，在Brix值为11.5%附近，曲线也出现了极值。这些极值的出现很可能意味着11.5%这个Brix值或为样品完全成熟的标志。

在图3和图4中，利用线性回归的方法对成熟样品的单重正切值和单重品质因数与平均糖度的关系进行了拟合，拟合结果显示总体上成熟样品的单重损耗角正切值随平均糖度的增加而趋于减小，而其单重正切值却随平均糖度增加而有趋于增加。

2.3 射电频率对伽师瓜介电常数的影响

图5和图6给出了近似相同大小和形状的伽师瓜样品在不同射电频率下的单重损耗角正切值和单重品质因数与频率的依赖关系。从图5和图6可以看出，样品的单重正切值随频率的增加而减小，对成熟样品来说在相同的频率条件下，其单重正切值要大于未成熟的样品；样品的单重品质因数的变化趋势与单重正切值相反，频率越高，样品的单重品质因数越大，从图6还可以看到，在相同的频率条件下，未成熟样品的单重品质因数要大于成熟样品的。

3 小结与讨论

伽师瓜的射频介电特性与其糖度的关系在其在线无损检测方面有着重要和基础性的应用。结果表明，成熟样品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射电频率下，伽师瓜的单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的变化并不是线性的，当Brix值小于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而减小，当Brix值大于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而增大，其单重品质因数的变化趋势与单重损耗角正切值的变化趋势正好相反。单重损耗角正切值和单重品质因数均在平均糖度Brix值为11.5%时出现极值，意味着11.5%的糖度值可能是伽师瓜完全成熟的衡量指标。研究还发现样品的单重损耗角正切值随射电频率的增加而减小，而样品的单重品质因数却随射电频率的增加而增加，此外在相同的频率条件下，成熟样品的单重损耗角正切值要大于未成熟样品的值，而其单重品质因数却总体上要小于未成熟样品的。

试验研究了伽师瓜的糖度与其介电特性的关系，由于其介电特性与检测的射电频率有非常紧密的关系，试验只选取了几个相对较低的频率点作为测量频率，而关于伽师瓜的介电特性与高频射电场的关系还需进一步探讨。

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[5] NELSON S O，TRABELSI S，KAYS S J.Dielectric spectroscopy of honeydew melons from 10MHz to 1.8GHz for quality sensing[J]. Transactions of the ASABE，2006，49（6）：1977-1981.

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[11] 安慧珍，马惠玲，任小林.苹果果实贮藏期间电学参数与品质指标的关系[J].食品科学，2013，34（2）：298-302.

[12] 郭文川，商 亮，王铭海，等.基于介电频谱的采后苹果可溶性固形物含量无损检测[J].农业机械学报，2013，44（9）：132-137.

2 结果与分析

2.1 伽师瓜成熟度与平均糖度的关系

图1为单重耗散角正切σD和单重品质因素σQ与伽师瓜平均糖度（SSC）的关系。从图1可以看出，未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以内，而成熟样品的糖度都在10%以上，而两者样品的单重耗散角正切曲线在平均糖度Brix值在11.0%～11.5%区间内变化较为剧烈，成熟样品的单重正切值曲线存在一极小值，而未成熟样品却出现了一个极大值。

图2为成熟与未成熟样品的单重品质因数Q与平均糖度的关系。从图2可以看出，处于成熟期的伽师瓜平均糖度值Brix都在10%以上，在糖度值Brix小于11.5%的区间内，单重品质因素随Brix的增大而增大，而在Brix值大于11.5%的区间范围内，单重品质因素随平均糖度Brix值的增大而减小，其单重品质因素与平均糖度的关系大致呈正态分布（在Brix为11.5%左右出现最大值），出现这种分布的原因可能在于，越趋于成熟的样品其品质因素的变化越趋于稳定，对于较重的样品，其单重品质因素自然就越小，但其平均随糖度Brix值的增大而减小；而未成熟的伽师瓜的单重品质因素随平均糖度的变化程度比较剧烈，这可能是因为影响未成熟的伽师瓜的单重品质因素较多，如伽师瓜的大小、形状及成熟度等，并且伽师瓜的平均糖度也可能因为生长环境不同而出现个体差异较大等问题。

2.2 伽师瓜单重品质因数和单重正切值与其平均糖度的关系

图3为频率10 kHz的单重正切值与平均糖度的关系。从图3可以看出，糖度Brix值在10.0%～11.5%的区间内，样品的单重损耗角正切值随Brix的增大而减小，而在11.5%～13.5%的区间内，则正好相反，极小值出现在11.5%附近。

图4给出了伽师瓜单重品质因数与平均糖度的关系。从图4可以看出，单重品质因数随糖度Brix值的变化趋势与图3中的单重损耗角正切值的变化趋势相反，但与单重损耗角正切值相同的是，在Brix值为11.5%附近，曲线也出现了极值。这些极值的出现很可能意味着11.5%这个Brix值或为样品完全成熟的标志。

在图3和图4中，利用线性回归的方法对成熟样品的单重正切值和单重品质因数与平均糖度的关系进行了拟合，拟合结果显示总体上成熟样品的单重损耗角正切值随平均糖度的增加而趋于减小，而其单重正切值却随平均糖度增加而有趋于增加。

2.3 射电频率对伽师瓜介电常数的影响

图5和图6给出了近似相同大小和形状的伽师瓜样品在不同射电频率下的单重损耗角正切值和单重品质因数与频率的依赖关系。从图5和图6可以看出，样品的单重正切值随频率的增加而减小，对成熟样品来说在相同的频率条件下，其单重正切值要大于未成熟的样品；样品的单重品质因数的变化趋势与单重正切值相反，频率越高，样品的单重品质因数越大，从图6还可以看到，在相同的频率条件下，未成熟样品的单重品质因数要大于成熟样品的。

3 小结与讨论

伽师瓜的射频介电特性与其糖度的关系在其在线无损检测方面有着重要和基础性的应用。结果表明，成熟样品的糖度Brix值一般在10%以上，而未成熟样品的糖度Brix值一般在11%以下。在一定的射电频率下，伽师瓜的单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的变化并不是线性的，当Brix值小于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而减小，当Brix值大于11.5%时，单重损耗角正切值随平均糖度Brix值的增大而增大，其单重品质因数的变化趋势与单重损耗角正切值的变化趋势正好相反。单重损耗角正切值和单重品质因数均在平均糖度Brix值为11.5%时出现极值，意味着11.5%的糖度值可能是伽师瓜完全成熟的衡量指标。研究还发现样品的单重损耗角正切值随射电频率的增加而减小，而样品的单重品质因数却随射电频率的增加而增加，此外在相同的频率条件下，成熟样品的单重损耗角正切值要大于未成熟样品的值，而其单重品质因数却总体上要小于未成熟样品的。

试验研究了伽师瓜的糖度与其介电特性的关系，由于其介电特性与检测的射电频率有非常紧密的关系，试验只选取了几个相对较低的频率点作为测量频率，而关于伽师瓜的介电特性与高频射电场的关系还需进一步探讨。

参考文献：

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[8] 郭文川，朱新华，郭康权.采后苹果电特性与生理特性的关系及其应用[J].农业工程学报，2005，21（7）：143-146.

[9] 唐 燕，杜光源，张继澍.猕猴桃电特性与生理特性关系研究[J].农业机械学报，2012，43（3）：97-102.

[10] 唐 燕，杜光源，张继澍.桃的介电特性和品质关系[J].食品科学，2012，33（9）：68-71.

[11] 安慧珍，马惠玲，任小林.苹果果实贮藏期间电学参数与品质指标的关系[J].食品科学，2013，34（2）：298-302.

[12] 郭文川，商 亮，王铭海，等.基于介电频谱的采后苹果可溶性固形物含量无损检测[J].农业机械学报，2013，44（9）：132-137.