發育后期蘋果的介電特性與理化特性的關系

孔繁榮，郭文川*

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100）

發育后期蘋果的介電特性與理化特性的關系

孔繁榮，郭文川*

（西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100）

為了解發育后期蘋果的介電特性、生理特性和內部品質的變化規律以及三者之間的關系，采用同軸探頭技術測量發育后期3 個月內‘富士'蘋果在20～4 500 MHz間的相對介電常數ε'和介質損耗因子ε″，同時測量蘋果果實的生理特性（乙烯釋放量和呼吸強度）和內部品質（可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）、硬度、pH值和含水率）。結果表明：ε'隨頻率的增加而減小，ε″在2 000 MHz附近存在極小值；隨著果實逐漸發育成熟，ε'和ε″逐漸減小。整個發育后期，果實的SSC和果汁的pH值呈上升趨勢，硬度呈下降趨勢；乙烯釋放高峰出現在2 個呼吸高峰之間。ε'和ε″與SSC、硬度和pH值在特定的頻率范圍內存在較好的線性相關性。研究說明，蘋果的介電特性是生理特性與內部品質的綜合反映，根據介電參數值判斷蘋果的成熟情況以及用單一頻率下的介電參數值評價蘋果的內部品質均可行。

蘋果；發育后期；相對介電常數；介質損耗因子；生理特性；品質

中國是世界上最大的蘋果生產國和消費國，其蘋果種植面積和產量均占世界總量的40%以上，其中‘富士'蘋果的栽培面積占全國蘋果總栽培面積的約50%。若蘋果采收的過早，果實的顏色和風味較差，并且易出現生理失調的問題；若采收過晚，則果實過熟變軟，易發生機械損傷，同時易發生生理性病害［1］。雖然‘富士'蘋果果皮顏色的變化能提供一些果實成熟情況的信息，但光照、溫度、降雨量等因素均對蘋果內部品質產生一定的影響，根據外觀特征很難指導蘋果的采收。因此提供判別果實是否發育成熟的量化參數將有助于指導果實的適時采收，從而獲得較高的產量和最好的品質。

物質的介電特性常用相對介電常數ε'和介質損耗因子ε″描述，二者分別反映了物質貯存和消耗電場能量的能力。果蔬在發育過程中伴隨一系列生理生化變化，導致其內部組織成分等發生變化，從而在外電場的作用下呈現出不同的介電特性［2］。郭文川等［3］采用平行極板技術對成熟期蘋果果實電特性與生理特性進行了研究，發現頻率對蘋果介電特性的影響規律與成熟度無關，ε'和電阻率、pH值、可溶性固形物含量（soluble solids content，SSC）的變化轉折點均在果實生長發育130 d左右；對西紅柿電特性的研究發現，當測試信號的頻率一定時，西紅柿的ε'隨著成熟度的提高而增大［4］。Bhosale等［5］的研究表明，可以利用平行板電容傳感系統來評估蘋果硬度的變化。Castro-Giráldez等［6］研究得出基于介電特性的蘋果成熟度指標。此外，對蘋果［7-8］、桃［9-10］、甜瓜［11］、芒果［12］、獼猴桃［13］和葡萄［14］的研究表明采用電參數反映果實的品質特性是可行的。但是這些研究均采用適用于測量平板型物質介電特性的平行極板技術測量果蔬的介電特性，導致測量誤差大，測量精度低。目前，適應性廣的同軸探頭技術已經在測量果品介電特性的研究方面取得了較好的研究進展。例如，研究發現，成熟期蘋果果肉和果汁的介質損耗角正切和果汁的ε″與SSC之間存在較好的線性相關性［15］；密瓜汁的介電參數與SSC在1.8 GHz條件下存在較好的線性相關性［16］。同時也發現，西瓜汁的介電參數與SSC的相關性較差［16］；不同成熟度桃的果肉和果汁的介電參數與內部品質間沒有明顯的線性關系［17］；貯藏期無損蘋果的介電參數與品質參數間的相關性較弱［18-19］。為了探究基于介電譜技術無損預測水果內部品質的方法，Guo Wenchuan［20］和商亮［21］等將人工神經網絡技術應用于預測多品種和單一品種蘋果的SSC。但是，目前尚未見寬頻范圍內無損果品的介電特性與果實生理特性和內部品質關系的研究報道。

為了給便攜式蘋果成熟度檢測儀以及內部品質無損檢測儀的研發提供基礎數據，本實驗以‘富士'蘋果為實驗材料，測量發育后期3 個月內蘋果在20～4 500 MHz間的介電參數（相對介電常數ε'和介質損耗因子ε″）、生理參數（乙烯釋放量和呼吸強度）和內部品質參數（SSC、硬度、pH值和含水率），分析介電參數的變化機理以及介電參數與內部品質之間的相關性，提出可用于判斷蘋果成熟的介電參數及介電參數值。

1 材料與方法

1.1 材料

處于生長發育后期的‘富士'蘋果。樣品于實驗前一天隨機采摘于楊陵某果園的50多棵樹齡為11 a的蘋果樹，采摘時綜合考慮果樹陽面和陰面對果實品質的影響。‘富士'蘋果從開花到成熟，一般經過180 d左右。實驗從蘋果果樹開花的第110天（2013年7月25日，已過細胞膨大期）持續到第197天（2013年10月20日），此段屬于蘋果的生長發育后期。每隔10 d左右采樣一次，共采樣9 次，采樣時間分別為：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。所用樣品均為形狀規則的無缺陷果。

1.2 儀器與設備

85070E-020末端開路同軸探頭、E5071C型網絡分析儀（配有Agilent Connection Expert和85070軟件）馬來西亞Agilent Technology公司；GY-3型硬度計中國艾德堡儀器有限公司；PR101a型數字折射儀 日本Atago公司；烘箱 天津泰斯特儀器有限公司；pHSJ-3F型pH計 上海精密科學儀器有限公司；臺式電腦中國聯想公司。

1.3 方法

1.3.1 指標測定

實驗前用紙巾將果實表面擦拭干凈，每次用樣20～30 個。在室溫（22±2） ℃條件下依次測量生理參數（乙烯釋放量和呼吸強度）、介電參數（ε'和ε″）、硬度、SSC、含水率和pH值。

1.3.2 介電特性參數的測定

介電特性參數測試系統由85070E-020末端開路同軸探頭、E5071C網絡分析儀、85070C軟件組成。在對網絡分析儀預熱1 h后，對其進行開路、短路和50 Ω負載校準；啟動85070C軟件，設定網絡分析儀的測量頻率為20～4 500 MHz，設定對數坐標下等間距采集點數為201。然后用開路（即空氣）、短路子及25 ℃去離子水校準85070E探頭。測量時，將一個完整無損的蘋果橫放在小型支架上，提升支架使蘋果的赤道部位與垂直向下的探頭密切接觸，測量接觸點處蘋果的ε'和ε″，隨后在赤道上相繼間隔約90 °，選取另外3 個點測量。4 個測量點處介電參數的平均值作為該樣品的測定結果。

1.3.3 生理參數的測定

［3］的測定方法，將選用的無損樣品分為2 組，每組2～2.5 kg，分別放于體積約9.8 L的呼吸室中，密閉1 h后，對每組連續采樣2 次，測量乙烯釋放量和呼吸強度，測量數據的平均值作為該樣品的測量結果。

1.3.4 內部品質的測定

硬度的測定：用水果削皮刀削去介電參數測量點處的果皮，然后用GY-3型硬度計測量果肉硬度，4 個點處硬度的平均值作為該樣品的測量結果。

可溶性固形物含量的測定：在每個硬度點附近，取適量果肉放于家用壓蒜器中，用數字折射儀測量擠出果汁的SSC。4 個點測量的平均值作為SSC測量結果。

含水率的測定：在果實赤道部位均勻切取完整果肉5～10 g，放于鋁盒中，置于70 ℃的烘箱內干燥24 h。根據烘前質量和干燥后質量，計算果肉的含水率，每組實驗重復3 次，取平均值為測量結果。

pH值的測定：將剩余果肉用壓蒜器壓汁并攪拌均勻后，測量每個樣品的pH值，測量重復3 次，取平均值作為測量結果。

1.4 數據處理

采用SigmaPlot 10.0和SPSS 16.0軟件進行數據分析與處理。

2 結果與分析

2.1 頻率對發育后期蘋果介電參數的影響

在室溫下測定不同發育天數的蘋果在20～4 500 MHz的頻率范圍內ε'和ε″的變化規律。由圖1可知，ε'值隨頻率的增大而單調遞減，尤其當頻率小于100 MHz時，ε'值隨頻率的增大迅速減小。在整個測試頻段內，ε″值隨頻率的增加先減小后增大，最小值在2 000 MHz左右。

由表1可知，雖然蘋果的發育天數對介電參數的變化規律沒有影響，但影響介電參數的值。當蘋果的發育天數小于167 d時，隨著蘋果發育天數的增加，ε'和ε″逐漸減小；但在167 d之后，介電參數值隨時間的推移不再有明顯的減小趨勢。

2.2 發育后期蘋果內部品質的變化

由表2可知，隨著果實成熟度的增加，硬度呈下降趨勢，SSC和pH值呈上升趨勢，但含水率的變化趨勢不明顯。

2.3 發育后期蘋果生理特性的變化

測定發育后期蘋果乙烯釋放量和呼吸強度后，分析二者的變化規律。由圖2可知，發育112 d的蘋果比發育197 d的蘋果具有更高的呼吸強度。在整個發育過程中出現了2 次呼吸高峰，一次是在發育第131天，另一次是在發育第167天，且第2次峰值弱于第1次。果實生長發育120 d之前乙烯釋放量較小，隨后快速增長，到第155天時達到峰值，隨后又迅速減小，發育至第167天后乙烯釋放量較小且有小幅變化。整個發育后期，乙烯釋放高峰出現于第一次呼吸高峰之后的第23天，但出現在第二次呼吸高峰前的第13天。

當果實處于乙烯釋放高峰和呼吸高峰之后，果實進入衰老階段。由表1可知，當果實發育第167天之后，27、41、915、2 450 MHz條件下的ε'均無顯著差異，說明完熟蘋果果實的介電參數變化較小，但果實的SSC和硬度有減小趨勢。SSC和硬度是衡量果實內部品質的主要指標，品質優良的蘋果應該具有較高的SSC和硬度［22-23］。因此，本實驗認為蘋果的最佳采收期應該在開花后第167天左右。當蘋果的開花發育時間未知時，對于‘富士'蘋果，可以以發育第167天果實的介電參數值，如27 MHz或者41 MHz條件下的ε'（約為34和31）作為判斷果實是否發育成熟的指標。

2.4 介電參數與內部品質的關系

為了了解發育后期蘋果的介電參數與內部品質的關系，建立了201 個頻率下SSC、硬度（firmness，F）、pH值和含水率（moisture content，MC）分別與ε'和ε″的線性關系式如下：

y=ax+b

式中：y為SSC、硬度、pH值和含水率；x為ε'和ε″；a和b為擬合系數。

圖3表明，ε'和ε″與SSC和pH值之間存在負的線性相關性，而與硬度和含水率間存在正的線性相關性。由圖3a可知，當頻率小于100 MHz時，ε'與SSC相關系數的絕對值隨頻率的增大而增大，且均大于0.93，但當頻率大于100 MHz時，該相關系數隨頻率的增大而減小。在測量頻率的中間頻段，即30～2 000 MHz的范圍內，ε″與SSC存在較好的線性相關性，其相關系數的絕對值均大于0.89，最大值0.95出現在60～150 MHz的范圍中。

由圖3b可知，ε'與硬度的相關系數總體上隨著頻率的增大而增大，其最小值0.79 出現在100 MHz附近，最大值0.88出現在4 500 MHz。在30～2 000 MHz的范圍內，ε″與硬度的相關系數均大于0.73，其最大值0.82出現在1 300 MHz左右。

ε'與pH值的線性相關系數絕對值均大于0.88，最大值0.96出現在270 MHz左右；ε″與pH值線性相關系數的絕對值在27～44 MHz之間達到0.98（圖3c）。ε'和ε″與含水率的線性相關系數的最大值分別為100 MHz時的0.70和390 MHz時的0.73（圖3d）。結果表明，除了含水率外，發育后期蘋果的SSC、硬度和pH值間與ε'和ε″在某些頻率下存在良好的線性相關性，可以以某一頻率下的介電參數值預測蘋果的內部品質（表3）。

3 結 論

在果實發育期間，生命活動的作用將果實內的淀粉轉化為糖。隨著時間的積累，果實的含糖量逐漸增加，且發育初期增加較快［3］。隨著果實逐漸成熟，果實內的有機酸含量逐漸減少，導致pH值減小；細胞壁的組成成分（果膠、纖維素和半纖維素）含量減小，導致細胞間松弛、果實硬度下降。在生長發育過程中，果實的內部品質會受溫度、光照、降雨量等環境因素的影響。果實的含水率一方面受降雨和自身呼吸作用的影響，使其內部水分含量增多；另一方面隨著果實不斷成熟，其內源乙烯含量增加，乙烯會增加細胞膜的通透性［24］使果實的蒸騰作用大大增強，消耗大量水分，這一系列因素使得發育后期果實的含水率未表現出明顯的變化趨勢（表2）。同一頻率下介電參數值的顯著性差異情況不同（表1）。尤其是最后4 次測量的ε'，其差異顯著不明顯，說明蘋果果實內部成分的變化沒有對其宏觀的介電參數值產生顯著的影響（P＜0.05）。

蘋果屬于呼吸躍變型果實。本實驗中，在生長發育第131天之前，果實幼嫩，呼吸旺盛；生長發育的131～155 d，隨著果實細胞的不斷膨大，其呼吸強度逐漸減弱；生長發育的第155天以后，果實開始成熟，并隨著乙烯釋放高峰的到來，呼吸強度突然上升，直至果實完熟時達到第二次呼吸高峰；隨后呼吸強度開始下降，果實進入衰老階段［24］。2013年7—8月，陜西地區出現的長時間連續降雨，導致氣溫降低，從而有可能抑制了果蔬的呼吸作用［25］，使得呼吸強度出現突然減弱的趨勢（圖2）。

在20～4 500 MHz的頻率范圍內，ε'隨頻率的增加而減小，ε″隨頻率的增加先減小后增大，最小值出現在約2 000 MHz處。發育時間對蘋果介電參數隨頻率變化的規律沒有影響，但卻使果實的ε'和ε″值隨發育時間的增加而減小。呼吸高峰之后ε'變化不顯著。在蘋果果實發育后期，總體上，硬度呈下降趨勢，SSC和pH值呈上升趨勢，但含水率變化不明顯。SSC和pH值與ε'和ε″之間存在負的線性相關性，硬度和含水率與ε'和ε″間存在正的線性相關性。本實驗說明蘋果的介電特性與生理特性之間存在必然的聯系，介電特性是內部物質成分變化的反映，可以依據介電參數值預測蘋果內部品質，以及判斷蘋果是否發育成熟。實驗結果可為開發基于介電特性的便攜式水果品質及成熟度檢測儀提供理論基礎。

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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

孔繁榮， 郭文川. 發育后期蘋果的介電特性與理化特性的關系［J］. 食品科學， 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

國家自然科學基金面上項目（31171720）

孔繁榮（1991—），女，碩士研究生，主要從事農產品的介電特性無損檢測技術研究。E-mail：18700943588@163.com

*通信作者：郭文川（1969—），女，教授，博士，主要從事農產品和食品品質無損檢測技術研究。E-mail：guowenchuan69@126.com