基于介电特性预测苹果的损伤体积

屠 鹏,边红霞

(甘肃农业大学理学院,甘肃兰州 730070)

水果在采摘或运输过程中往往会因受外力作用而发生机械损伤[1]。即使表皮无破裂,伤情亦会加速果实的衰老进程[2],造成营养物质流失[3],褐变严重[4],使果实品质下降[5]。伤果在贮藏过程中,容易被病菌侵入而腐烂。若正常水果与其一起贮藏,会被伤果的腐败组织交叉感染,从而带来巨大的经济损失[6]。表皮破裂水果可直接挑拣并剔除,但是表皮无破裂的伤果与正常水果在表面颜色、纹理上非常相似,用肉眼无法区分。因此对受伤水果的及时检测,有利于避免伤情传递,对提高其经济效益具有重要的意义。

损伤体积是水果受伤程度的一个重要的评价指标,引起了科研人员的广泛关注。乔斌[7]采用数字图像处理技术,测定了苹果受压破坏时的损伤体积,并对苹果变形与损伤之间的规律进行了研究。杨晓清等[8]通过对河套蜜瓜静载破坏时损伤体积的测定和分析,建立了完整形河套蜜瓜准静载机械特性参数、影响因素与其损伤体积的回归方程,用于预测河套密瓜储运过程中的静载损伤。近年来,高光谱成像技术和X射线断层扫描技术在快速检测水果损伤中获得了广泛的关注。张保华等[9]以具有代表性的双色红富士苹果为研究对象,提出了一种以高光谱成像和最低噪声分离变换的苹果轻微损伤识别检测方法,利用该方法和选取的特征波段可以快速有效地识别苹果的早期轻微损伤。Tollner等[10]研究了X射线断层扫描图像检测苹果含水量及密度的方法,发现利用X射线吸收率能预测苹果的体积和含水量。

研究表明,水果的介电特性与其理化品质和生理状态密切相关。Bhosale等[11]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。Thompson等[12]对苹果的介电特性研究发现,成熟苹果的相对介电常数随频率的增加而减少。Guo等[13]发现成熟期苹果果肉和果汁的介质损耗角正切和果汁的损耗因数与SSC之间存在较好的线性相关性。水果受伤贮藏期间,其理化品质和生理状态会发生变化,进而导致其介电特性不同。唐燕等[14]对碰伤苹果介电特性的研究表明,受伤水果的介电特性与正常果明显不同,并给出了判断猕猴桃果实损伤与否的敏感电参数。郭文川等[15]对撞击和静压损伤的富士苹果伤后贮藏过程中电参数的变化情况研究表明,发生损伤后0.5 h内其相对介电常数和电阻率急剧变化,3 h后趋于稳定。但是,利用介电参数快速预测苹果的损伤体积,进而用于评价其受伤程度还鲜见报道。

本研究拟对红富士苹果施加不同大小的压力进行损伤,在常温贮藏期间测定伤果介电参数和损伤体积,构建苹果介电参数和损伤体积间的数学模型,用于苹果损伤体积的快速预测,并对构建的模型进行验证。有望为快速评价水果的受伤程度提供检测方法,也将为利用介电特性法评价水果品质奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红富士苹果 采自甘肃静宁县,在果实成熟阶段在果园中选取树龄、生长情况相同的果实采摘,采摘后露天预冷48 h,装箱运回实验室4 ℃冷藏。实验前取出样品静置12 h,精选大小均一、成熟度好、色泽接近、无机械伤的果实待用,苹果平均直径75～80 mm。

TH2828A型精密LCR测试仪 常州同惠电子股份有限公司;CMT-2502型电子万能实验机 深圳新三思计量技术公司;02050123-1型游标卡尺 无锡锡工量具有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果的压伤处理 采用万能实验机对苹果果实施加压力,将果实沿赤道方向置于平行板电极间,以2 mm/min的速率压缩苹果。预实验表明,苹果可承受的极限静压力(致表皮破裂)约450～480 N。基于此,实验中设定压力分别为100、200、300、350、400 N,压力保持时间40 min,其中350 N做为验证组。将不同压伤程度苹果常温((22±1) ℃)贮藏,在1、8、15、22、29 d时分别取3个样品测定其介电参数和损伤体积。每种损伤处理15个果实,共计75个。

1.2.2 损伤体积 将受伤苹果沿受压部位横向和纵向切开,损伤组织和未损伤组织间因褐变有明显的界线[16],用游标卡尺在横纵两个方向分别测量其压伤深度和宽度。损伤体积的计算采用单明彻等[17]的方法,依下式计算:

式中:VB(mm3)为损伤体积;D(mm)为苹果直径;W(mm)为褐变部位宽度;h(mm)为褐变部位深度。

1.2.3 介电参数测试 介电参数的测定采用平行板电极法[18]:平行板电极为厚1 mm、直径85 mm的两块圆形紫铜片,将铜电极圆心位置与精密LCR测试仪通过四终端夹具(仪器自带)连接。LCR测试仪内置信号发生器,输出频率选1 MHz,可测试电容、损耗角等电参数。

万能实验机和LCR测试仪由同一计算机控制,为了使用方便,将平行板电极置于万能实验机上下压头之间,并通过绝缘垫板与万能实验机压头隔开,实验装置如图1所示。贮藏期间测试苹果介电参数时,万能实验机不施加外力,只起固定平行板电极的作用。

图1 果品压伤处理及介电参数测试系统Fig.1 Schematic diagram of fruit static pressure and the system of electrical parameters testing

1.2.4 介电参数的计算 生物体的介电特性指生物分子中的束缚电荷(只能在分子限度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,介电特性的主要参数有相对介电常数(ε′)和损耗因数(ε″)。ε′等于以待测材料为介质制成的电容器电容C与以真空为介质同尺寸电容器电容量C0之比,即ε′=C/C0。ε′是表征介质材料的介电性质或极化性质的物理参数,该值也是材料贮电能力的表征[19-20],与物质的电容和它对电场能量的吸收能力有关[21]。介质损耗是指绝缘材料在电场作用下,由于介质电导和介质极化的滞后效应,在其内部引起的能量损耗。习惯上以损耗角正切(tanδ)表示电容器损耗的大小[22],称为损耗因数。

1.3 数据处理及模型构建

所有实验重复3次,结果以3次重复的算数平均值表示。绘图采用Originpro 2016完成。数据的相关分析、差异显著性分析和模型构建采用SPSS 22完成,其中模型构建中先对压伤苹果不同贮藏期的介电参数和损伤体积进行相关分析,进而构建预测模型并对模型进行验证。

2 结果与分析

2.1 伤果贮藏期间损伤体积变化

图2为伤果贮藏期间损伤体积的变化情况。随贮藏时间的延长,损伤体积增大。不同压力伤果8 d的VB较1 d略微增大,但是8 d后增速加快。400 N伤果29 d的VB为8 d时的1.72倍。贮藏时间相同时,受压力越大其VB越大。表1是伤果贮藏期间的损伤体积和介电参数测定结果。由表1可知,VB的变化范围是0.21～8.35 mm3,平均值2.31 mm3,变异系数100.52%。由变异系数可以看出,贮藏期间伤果的变化较大,建模数据丰富。由表2可知,不同压伤程度与苹果的VB间差异极显著(p<0.01)。

图2 伤果常温贮藏期间损伤体积的变化Fig.2 Damage volume’s change of the damaged apple during room temperature storage

2.2 伤果贮藏期间介电参数变化

由图3A可知,随贮藏时间的延长,相对介电常数增大。300 N压伤果在贮藏15 d后ε′快速增大,22 d较15 d增大18.38%,29 d较22 d增大22.97%。贮藏时间相同时,受压力越大其ε′越大。贮藏8 d时，200 N压伤果ε′较100 N增大77.71%；22 d时300 N压伤果ε′是200 N的1.06倍；29 d时300 N压伤果ε′是200 N的1.16倍。由表1可知,ε′的变化范围是4.26～37.25,平均值16.19,变异系数58.13%。由表2可知,100 N压伤果的ε′与200、400 N差异显著(p<0.05),与300 N差异不显著。

由图3B可知,随贮藏时间的延长,损耗因数呈波动变化。100 N压伤果的ε″呈减小-增大-减小的趋势,而400 N压伤果的ε″呈先减小后增大的趋势。贮藏时间相同时,ε″亦随压伤程度呈波动变化。贮藏1 d时100 N伤果的ε″是200 N的3.18倍,29 d时300 N伤果ε″是200 N的4.27倍。由表1可知,ε″的变化范围是0.06～0.79,平均值0.29,变异系数70.57%。由表2可知,不同压伤程度苹果的ε″差异不显著。

图3 伤果常温贮藏期间介电参数的变化 Fig.3 Changes of dielectric parameters during storage of fruit at normal temperature注:A为相对介电常数;B为损耗因数。

表1 建模组损伤体积和介电参数统计结果(mm3)Table 1 Modeling statistical result of damage volume and dielectric parameters(mm3)

表2 损伤体积和电参数的相关性分析Table 2 Correlation between damage volume and electrical parameters

2.3 利用介电参数预测伤果损伤体积

伤果贮藏期间VB、ε′、ε″的变异系数分别达100.52%、58.13%、70.57%,说明利用介电参数预测伤果损伤体积的建模数据丰富。综合分析，对不同程度压伤果的ε″和VB进行相关分析,发现二者的相关系数为0.744,且不同压伤程度ε″差异不显著,说明用损耗因数不能预测伤果的损伤体积。不同程度压伤果的ε′和VB的相关系数为0.921,且不同压伤程度苹果的VB和ε′间差异显著(p<0.05),说明可用相对介电常数预测损伤体积。图4为伤果的相对介电常数和损伤体积关系图,由图可知二者之间呈正线性相关。用相对介电常数对损伤体积进行线性拟合,得到的拟合方程为VB=-1.374+0.227ε′,拟合方程的决定系数R2=0.848。

图4 伤果相对介电常数与损伤体积的关系Fig.4 Relationship between relative dielectric constant and damage volume of damaged apple

2.4 模型的验证与分析

由表3可知,验证组350 N压伤苹果的VB、ε′变化范围分别是3.32～3.96、17.42～31.65,变异系数分别为7.52%、25.10%,说明可用于模型的验证。350 N压伤的验证组数据点见图4,预测结果与测定结果间的平均偏差为23.37%。

表3 验证组损伤体积和介电参数统计结果Table 3 Validation statistical result of damage volume and dielectric parameters

3 结论与讨论

对受伤水果的及时检测,有利于及时剔除伤果,避免伤情传递。乔斌[7]采用数字图像处理技术,对损伤苹果切片后计算其损伤体积,通过切片损伤体积的叠加计算出整个苹果在机械损伤后的损伤体积,该方法虽然实现了对损伤体积的预测,但是需要将苹果切开,不能进行无损检测。关济雨[16]基于可见/短波近红外光谱分析技术,研究了苹果损伤敏感性检测方法,可用于苹果受伤与否的检测,但是并没有给出损伤体积的预测模型。利用介电特性法预测苹果的损伤体积具有成本低廉、操作简单、数据获取快等特点。利用介电参数预测苹果的损伤体积有望为快速评价水果的受伤程度提供方法,并对提高水果的经济效益具有重要的意义。

受伤苹果的损伤体积和相对介电常数随贮藏时间的延长而增大,且受压力越大其损伤体积和相对介电常数越大;受伤苹果在贮藏期间的损耗因数呈波动变化,且不同程度压伤果ε″差异不显著,用损耗因数不能预测伤果的损伤体积。伤果的相对介电常数和损伤体积间呈显著正相关(r=0.921),用相对介电常数对损伤体积进行预测的方程为VB=-1.374+0.227ε′(R2=0.848)。对方程的验证发现,预测结果与测定结果间的平均偏差为23.37%。