基于電學特性的水果品質無損檢測研究進展

尹勇 陳超 牛希躍 江陽 劉揚 牛浩 張宏

摘 要：基于電學特性的水果無損檢測技術可應用于水果品質的定量評價和篩選分級，在果品品質檢測方面已有了較多的研究報道。該文基于幾種常用的電學參數測定方法，綜述了利用電學特性檢測水果成熟度、硬度、含水率、可溶性固形物、損傷和病害的研究進展，并對基于電學特性的果品檢測技術的研究方向和待解決的問題進行了分析，以期為果品無損檢測技術的發展提供參考。

關鍵詞：水果;電學特性;電學參數;無損檢測

中圖分類號 S609.3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）05-0153-04

Abstract： Quantitative evaluation and screening grading of fruit quality can be realized based on nondestructive testing technology of electrical characteristics， it has certain application in fruit quality inspection. This paper is based on several commonly used methods for measuring electrical parameters， the influence of voltage， frequency and temperature on electrical parameters is discussed， this paper reviews the research progress of fruit maturity， hardness， moisture content， soluble solids， damage and disease by using electrical characteristics， the research direction and problems to be solved of fruit detection technology based on electrical characteristics were analyzed， in order to provide reference for the development of fruit nondestructive testing technology

Key words： Fruit; Electrical characteristics; Electrical parameters; Nondestructive testing

無損檢測技術（NDT）是指在不破壞待測樣品的原始狀態情況下，對其品質進行檢測的一種方法。由于其快速、簡便、高效，特別是非破壞性的優點，無損檢測技術已在果實品質檢測中得到了廣泛的應用。對水果品質進行檢測、定量評價和品質分級，有助于提高水果經濟價值和市場競爭力。近年來，基于光學特性、電子鼻、機器視覺、核磁共振、聲學特性及電學特性等無損檢測技術對果蔬品質檢測的研究日益增多[1-5]。

基于電學特性的無損檢測可以測定水果的成熟度、硬度、損傷和病害等品質，該檢測技術具有操作步驟簡單、儀器反應靈敏等優點。從微觀結構上看，水果整體是一個不均勻的電介質、其內部存在大量帶電粒子，形成生物電場，而水果在生長成熟、發生損傷和病害的過程中都會發生一系列的生理生化反應，導致生物組織中各類物質所攜帶電荷的數量和空間分布發生變化，從而改變生物電場的強度和分布，從宏觀上影響著水果的電學特性[6]。基于電學特性可以測定水果成熟度、硬度、可溶性固形物（SSC）、損傷和病害等品質指標，對于實現水果內部品質指標的檢測、定量評價、分選分級、加工和貯藏等都有著重要意義。

本文基于2種常用的電學參數測定方法，對水果電學參數測定的影響因素以及電學特性檢測水果品質方面的應用進行了系統闡述，以期為采后果品電學特性檢測技術提供依據。

1 電學參數的測定方法

國內外學者在水果品質檢測的研究方面主要運用平行板技術和同軸探頭技術[7]。自由空間法主要用于測量小麥的相對介電常數，在水果品質中的檢測未見相關報道。諧振腔技術要求被測樣品是小顆粒狀物料，不適用于水果品質的檢測。傳輸線技術因為制備樣品過程較為繁雜，且其測試頻段窄，該技術主要在20世紀80—90年代被用于農產品的無損檢測中，2000年以后的研究鮮見報道。

1.1 平行極板技術 平行極板技術原理是用2塊極板填充滿待測農業物料，形成電容器，利用電容容量變化，測量樣品的損耗角正切值（tanδ）、等效阻抗（Z）等電學參數，測量頻率范圍在100MHz以下。該技術在測定種子、水果等農產品的電學特性方面已經取得了較大進展，具有設備價格低廉、測量原理簡單、精度高等優點。其測量系統如圖1所示。

1.2 同軸探頭技術 終端開路的同軸探頭是同軸傳輸線的截面，當探頭浸入液體樣品或接觸固體樣品的表面時，開始測量樣品的電學參數。該方法操作簡便、測量精度高，但要求被測材料具有較大的非磁性截面，而且測試頻率需要控制在500MHz～110GHz。對于相對介電常數（ε′）及介電損耗因數（ε″）較小的材料，其測試精度會受到一定限制。同軸探頭測量系統如圖2所示。

2 基于電學特性檢測技術在果品品質檢測方面的應用

2.1 檢測果品成熟度 水果的成熟度對水果分選、分級以及保鮮具有重要的意義，是水果品質評價的重要指標之一。在果實成熟過程中，其內部的生理反應會伴隨著物質和能量的轉換，導致生物組織中各種物質所攜帶電荷的強度和空間分布發生變化，在外加電場的作用下，不同成熟度的水果將呈現不同的電學特性。

王瑞慶等[8]利用平行板電極技術測量了頻率范圍在100Hz～5MHz內紅巴梨的電學參數Z、電容（C）、電感（L）。在低頻區，不同成熟度果實的Z和L值存在顯著差異（P=0.01），隨成熟度的增大，果實Z和L值顯著降低。說明利用紅巴梨的電學參數Z和L值在低頻區可以有效地區分出不同成熟度的紅巴梨果實。Chowdhury等[9]使用同軸探頭技術在50Hz～1MHz頻率范圍內測量了香蕉成熟過程中的復阻抗幅值和相角，隨著香蕉的逐漸成熟，復阻抗實部和虛部均逐漸增加，結果表明，可以通過復阻抗值來判斷香蕉的成熟度。蘭海鵬等[10]用平行極板技術測量了香梨的電學參數，研究了不同成熟度香梨電學特性的變化規律，研究發現，在測試頻率大于1kHz時，香梨的C、L值隨成熟度變化呈現不規則變化，該研究則說明無法通過C、L值來預測香梨的成熟度。

大量研究表明，可以通過水果的電學參數值變化來區分其成熟度，但當前基于水果電感參數對成熟度的鑒別尚存在一些爭議。也學者研究表明，電感隨果實成熟度增加而降低，而有學者研究表明電感與果實的成熟度無相關性。造成這一現象的原因是被研究的水果品種不同，其生理特性不一樣，導致測量結果不同，不同品種果實成熟度對電感的影響仍需進一步研究。

2.2 檢測果品硬度 硬度同樣影響著水果的電學特性。硬度是反映果肉抗壓能力強弱的重要參數，可以作為判斷水果品質的一個重要指標。唐玉榮等[11]使用平行極板技術測量了0.1kHz～1kHz下香梨的電學參數，結果表明，在測試頻率0.1kHz下，香梨的硬度與其tanδ、并聯等效電容（Cp）值呈極顯著負相關，其相關系數分別為-0.960、

-0.991;與并聯等效電阻（Rp）呈極顯著正相關，相關系數為0.985。該研究為使用香梨的tanδ、Cp、Rp值的大小來預測硬度提供了理論依據。孔繁榮等[12]使用同軸探頭技術測量貯藏期蘋果在測試頻率為20～4500MHz間的ε′、ε″值，結果表明，在蘋果發育后期果實的硬度呈現逐漸下降趨勢。電學參數ε′、ε″與硬度之間存在正線性相關性。ε′與硬度的相關系數隨著頻率的增大而增大，在頻率為4500MHz時相關系數出現最大值0.88。說明在特征頻率4500MHz下用ε′來預測蘋果的硬度可以達到最佳效果。蔣寶[13]使用平行極板技術測量了不同貯藏期內紅提葡萄在100Hz～150kHz頻率下8個頻率點的Z、L、Lp、Rp四個電學參數，研究葡萄不同硬度下其電學特性的變化規律，結果表明，Z、L、Lp、Rp 4個電學參數均與硬度指標顯著相關，其相關系數分別為0.938、0.968、0.972、0.927。試驗為使用葡萄的電學參數Z、L、Lp、Rp來預測葡萄的硬度提供了理論依據。

目前，學者對果實硬度和電學特性的關系研究大多在蘋果、梨、桃等果實上，對果實硬度反應最為敏感的電學參數是Rp、Lp，其他果實硬度和電學特性上是否存在相關關系有待進一步研究。

2.3 檢測果品可溶性固形物含量 可溶性固形物是果實中水溶性化合物的總稱，包括糖、酸、維生素和礦物質等，是果實的主要營養物質之一，其含量是評價果實成熟與衰老的重要指標。Nelson等[14]使用同軸探頭技術測量了哈密瓜的電學參數，研究哈密瓜電學特性和SSC含量之間的相關性，結果表明，在10MHz頻率時，哈密瓜ε′值與SSC含量之間的相關系數為0.76;在1.8GHz頻率時，哈密瓜ε″值與SSC含量之間的相關系數為0.96。說明在測試頻率1.8GHz時，可以用哈密瓜的ε″值的大小來預測其SSC含量，且預測效果較好。沈靜波等[15]采用同軸探頭技術測量了200MHz～18GHz頻率范圍內101個頻率點下靈武長棗ε′、ε″的頻譜，通過遺傳算法（GA）和關系數法（CC）提取有效ε′、ε″頻譜信息。采用偏最小二乘法（PLS）、主成分回歸法（PCR）和支持向量機法（SVM）分別建立了SSC的預測模型。結果表明，以ε′、ε″頻譜建立的SSC含量的最優預測模型為GA-PCR、其校正集相關系數為0.933，預測集相關系數為0.925。說明利用介電頻譜預測長棗SSC含量是可行的。郭文川等[16] 使用同軸探頭技術測量了10MHz～1.8GHz頻率范圍內密瓜汁的電學特性，研究發現在頻率1.8GHz下，密瓜汁的SSC含量與tanδ值相關性較高，相關系數為0.973。該研究為使用tanδ值來預測蜜瓜汁SSC含量提供了理論依據。唐燕等[17]使用平行板電極技術測量了獼猴桃的電學參數，在特征頻率0.1kHz下探究了其電特性參數和SSC含量關系，結果表明，可用獼猴桃的電參數Z值、阻抗相角（θ）值量化果實SSC含量，在測試為頻率1MHz和1.58MHz下，可用獼猴桃Cp值量化其SSC含量。

前人研究結果表明，電學參數ε″、Z、Lp、Cp對果實SSC含量反應敏感，為今后研究者選擇那些電參數指標檢測果實SSC含量提供了參考，為利用電學特性檢測水果SSC含量的新儀器研制提供了理論依據。

2.4 檢測果品損傷 果實損傷引起的細胞破裂，使結合水變成自由水，流失到細胞間隙，導致細胞間含水量增加，從而反映出正常果實與損傷果實電學參數的差異。

Phillipa等[18]使用平行板電極技術測量損傷蘋果的電學參數，對損傷蘋果的Z值的變化規律，結果表明，可以用Z值來評估水果的損傷程度。邊紅霞等[19]使用平行板電極法同步監測了蘋果在受靜壓過程中的電學參數，結果表明，在受壓時間一定的情況下，隨著靜壓力的增大，果實的ε′值增大;在果實承受靜壓力大小相同時，隨著靜壓時間的延長，果實的ε′值增大。電學參數ε′能夠預測蘋果的損傷程度。范修文等[20]對庫爾勒香梨進行靜壓損傷試驗，通過平行極板技術測量其電學參數，構建了庫爾勒香梨電學參數值與損傷面積的數學模型，結果表明，隨著香梨的損傷面積逐漸增大，Rp值逐漸減小，導納逐漸增大。通過測量香梨損傷前后電學參數Rp和導納值，即可量化評價庫爾勒香梨的損傷程度。

以上研究表明，電學參數ε′對果實損傷的檢測效果最佳。當前學者對果實的顯性損傷研究較多，而對果實的隱形損傷是今后電學特性檢測果實損傷的重點。

2.5 檢測果品病害 果實發生病害時其生物代謝及生理結構都發生了很大變化，從而導致其電學特性也發生了變化。黃良妹[21]使用平行板電極技術測量在100Hz～1MHz頻率下重度褐變果、輕度褐變果、無褐變果的電學參數，結果表明，3.98MHz頻率下褐變重度果、褐變輕度果與無褐變果的電學參數Z值差異顯著，隨著褐變程度加深，電學參數Z值越大。嚴重褐變果和無褐變果的Ls、Cs值在任何頻率下都存在顯著差異，褐變越嚴重，Ls值越大，Cs值越小。0.1～10KHz范圍內蘋果內部褐變最嚴重時tanδ值達到高峰，研究表明可用Ls、Cs、Z值預測蘋果褐變的嚴重程度，當褐變最嚴重時，tanδ值最大。Sinica等[22]使用平行板電極技術測量了菠蘿的電學參數，研究了菠蘿黑心病對果肉組織電阻的影響，結果表明，黑心病果實電阻低于正常果實，病害越嚴重，電阻越低。王若琳等[23]采用平行板電極技術測量了100Hz～3.98MHz之間對數值呈均勻分布的13個頻率點下的11個電學參數。結果表明，介電損耗系數（D）和deg隨頻率的增加呈現先下降后上升的趨勢;在特征頻率100～25100Hz的低頻區內水心病果的D、deg值高于好果。Cs、Cp隨頻率的增加呈現線性下降趨勢;在100～10000Hz的低頻區病果Cs、Cp高于好果，在高頻區域則趨于一致。ε′值隨著頻率的增加而降低，ε″先隨頻率的降低而迅速下降，后逐漸處于平穩;在100～10000Hz頻率區域內，病果的ε′、ε″值均明顯高于好果。利用ε″結合人工神經網絡模型在100～25100Hz下對水心病的識別正確率均為100%，說明ε″是簡單和準確識別蘋果水心病的電學參數。李芳等[24]運用平行板電極技術在100～3.98MHz頻率測量了霉心病果和好果的電學參數，結果表明，各頻率點下霉心病果的Z對數值均小于好果，并在頻率100Hz～1MHz區間達差異顯著性水平（P≤0.05）;各頻率點下霉心病果的B對數值均大于好果，并在1580Hz～1MHz區間均達到差異顯著性水平（P≤0.05）;各頻率點下霉心病果的Cp對數值均大于好果，并且在631～1.0MHz區間達到差異顯著性水平（P≤0.05）。表明Z、B、Cp可以作為區分病果和好果的特征參數。

果實發生病害往往引起多項理化和生理指標的變化，相應地，電學特性改變也會以一整套參數觀測值的變化表現出來。另外，不同的果實生理變化引起同步變化的電學參數會有所不同。因此，找出一種快速篩選敏感參數的方法是今后利用電學特性進行果實病害檢驗的研究方向。對病害水果實現可視化分析，仍需進一步研究。

3 存在問題與展望

近年來，國內外學者對水果電學特性的研究雖已取得了一定的成果，但仍存在以下方面的問題：

（1）研究主要針對水果品質對其電學參數的影響及是否存在相關性，而對其影響機理的探究較少，應當進一步深入研究;（2）研究僅局限在蘋果、梨、甜瓜、獼猴桃、尖柿、葡萄等少數幾種水果，電特性和其品質的相關性關系是否適用于其他類型水果有待探究;（3）電特性檢測的精度和效率因為儀器設備的原因受到一定限制，且現有儀器過于龐大，檢測儀器的小型化、自動化和系統化是必然趨勢，對檢測儀器的優化研究是下一步研究的重點;（4）不同水果其品質指標對應的敏感電學參數不同，需要準確地檢測出水果的品質，就必須先找到其敏感電學參數與之相匹配，并建立果品電學特性信息數據庫;（5）研究集中在運用電學特性對水果品質進行檢測，今后用電學特性對水果品質進行定量評價應是研究重點內容;（6）因電學特性檢測不具備可視化，所以應當與其他檢測手段聯合起來從而全面地檢測出水果的內外部品質。

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（責編：張宏民）