尹勇 陈超 牛希跃 江阳 刘扬 牛浩 张宏

摘 要：基于电学特性的水果无损检测技术可应用于水果品质的定量评价和筛选分级，在果品品质检测方面已有了较多的研究报道。该文基于几种常用的电学参数测定方法，综述了利用电学特性检测水果成熟度、硬度、含水率、可溶性固形物、损伤和病害的研究进展，并对基于电学特性的果品检测技术的研究方向和待解决的问题进行了分析，以期为果品无损检测技术的发展提供参考。

关键词：水果;电学特性;电学参数;无损检测

中图分类号 S609.3 文献标识码 A 文章编号 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

无损检测技术（NDT）是指在不破坏待测样品的原始状态情况下，对其品质进行检测的一种方法。由于其快速、简便、高效，特别是非破坏性的优点，无损检测技术已在果实品质检测中得到了广泛的应用。对水果品质进行检测、定量评价和品质分级，有助于提高水果经济价值和市场竞争力。近年来，基于光学特性、电子鼻、机器视觉、核磁共振、声学特性及电学特性等无损检测技术对果蔬品质检测的研究日益增多[1-5]。

基于电学特性的无损检测可以测定水果的成熟度、硬度、损伤和病害等品質，该检测技术具有操作步骤简单、仪器反应灵敏等优点。从微观结构上看，水果整体是一个不均匀的电介质、其内部存在大量带电粒子，形成生物电场，而水果在生长成熟、发生损伤和病害的过程中都会发生一系列的生理生化反应，导致生物组织中各类物质所携带电荷的数量和空间分布发生变化，从而改变生物电场的强度和分布，从宏观上影响着水果的电学特性[6]。基于电学特性可以测定水果成熟度、硬度、可溶性固形物（SSC）、损伤和病害等品质指标，对于实现水果内部品质指标的检测、定量评价、分选分级、加工和贮藏等都有着重要意义。

本文基于2种常用的电学参数测定方法，对水果电学参数测定的影响因素以及电学特性检测水果品质方面的应用进行了系统阐述，以期为采后果品电学特性检测技术提供依据。

1 电学参数的测定方法

国内外学者在水果品质检测的研究方面主要运用平行板技术和同轴探头技术[7]。自由空间法主要用于测量小麦的相对介电常数，在水果品质中的检测未见相关报道。谐振腔技术要求被测样品是小颗粒状物料，不适用于水果品质的检测。传输线技术因为制备样品过程较为繁杂，且其测试频段窄，该技术主要在20世纪80—90年代被用于农产品的无损检测中，2000年以后的研究鲜见报道。

1.1 平行极板技术 平行极板技术原理是用2块极板填充满待测农业物料，形成电容器，利用电容容量变化，测量样品的损耗角正切值（tanδ）、等效阻抗（Z）等电学参数，测量频率范围在100MHz以下。该技术在测定种子、水果等农产品的电学特性方面已经取得了较大进展，具有设备价格低廉、测量原理简单、精度高等优点。其测量系统如图1所示。

1.2 同轴探头技术 终端开路的同轴探头是同轴传输线的截面，当探头浸入液体样品或接触固体样品的表面时，开始测量样品的电学参数。该方法操作简便、测量精度高，但要求被测材料具有较大的非磁性截面，而且测试频率需要控制在500MHz～110GHz。对于相对介电常数（ε′）及介电损耗因数（ε″）较小的材料，其测试精度会受到一定限制。同轴探头测量系统如图2所示。

2 基于电学特性检测技术在果品品质检测方面的应用

2.1 检测果品成熟度 水果的成熟度对水果分选、分级以及保鲜具有重要的意义，是水果品质评价的重要指标之一。在果实成熟过程中，其内部的生理反应会伴随着物质和能量的转换，导致生物组织中各种物质所携带电荷的强度和空间分布发生变化，在外加电场的作用下，不同成熟度的水果将呈现不同的电学特性。

王瑞庆等[8]利用平行板电极技术测量了频率范围在100Hz～5MHz内红巴梨的电学参数Z、电容（C）、电感（L）。在低频区，不同成熟度果实的Z和L值存在显著差异（P=0.01），随成熟度的增大，果实Z和L值显著降低。说明利用红巴梨的电学参数Z和L值在低频区可以有效地区分出不同成熟度的红巴梨果实。Chowdhury等[9]使用同轴探头技术在50Hz～1MHz频率范围内测量了香蕉成熟过程中的复阻抗幅值和相角，随着香蕉的逐渐成熟，复阻抗实部和虚部均逐渐增加，结果表明，可以通过复阻抗值来判断香蕉的成熟度。兰海鹏等[10]用平行极板技术测量了香梨的电学参数，研究了不同成熟度香梨电学特性的变化规律，研究发现，在测试频率大于1kHz时，香梨的C、L值随成熟度变化呈现不规则变化，该研究则说明无法通过C、L值来预测香梨的成熟度。

大量研究表明，可以通过水果的电学参数值变化来区分其成熟度，但当前基于水果电感参数对成熟度的鉴别尚存在一些争议。也学者研究表明，电感随果实成熟度增加而降低，而有学者研究表明电感与果实的成熟度无相关性。造成这一现象的原因是被研究的水果品种不同，其生理特性不一样，导致测量结果不同，不同品种果实成熟度对电感的影响仍需进一步研究。

2.2 检测果品硬度 硬度同样影响着水果的电学特性。硬度是反映果肉抗压能力强弱的重要参数，可以作为判断水果品质的一个重要指标。唐玉荣等[11]使用平行极板技术测量了0.1kHz～1kHz下香梨的电学参数，结果表明，在测试频率0.1kHz下，香梨的硬度与其tanδ、并联等效电容（Cp）值呈极显著负相关，其相关系数分别为-0.960、

-0.991;与并联等效电阻（Rp）呈极显著正相关，相关系数为0.985。该研究为使用香梨的tanδ、Cp、Rp值的大小来预测硬度提供了理论依据。孔繁荣等[12]使用同轴探头技术测量贮藏期苹果在测试频率为20～4500MHz间的ε′、ε″值，结果表明，在苹果发育后期果实的硬度呈现逐渐下降趋势。电学参数ε′、ε″与硬度之间存在正线性相关性。ε′与硬度的相关系数随着频率的增大而增大，在频率为4500MHz时相关系数出现最大值0.88。说明在特征频率4500MHz下用ε′来预测苹果的硬度可以达到最佳效果。蒋宝[13]使用平行极板技术测量了不同贮藏期内红提葡萄在100Hz～150kHz频率下8个频率点的Z、L、Lp、Rp四个电学参数，研究葡萄不同硬度下其电学特性的变化规律，结果表明，Z、L、Lp、Rp 4个电学参数均与硬度指标显著相关，其相关系数分别为0.938、0.968、0.972、0.927。试验为使用葡萄的电学参数Z、L、Lp、Rp来预测葡萄的硬度提供了理论依据。

目前，学者对果实硬度和电学特性的关系研究大多在苹果、梨、桃等果实上，对果实硬度反应最为敏感的电学参数是Rp、Lp，其他果实硬度和电学特性上是否存在相关关系有待进一步研究。

2.3 检测果品可溶性固形物含量 可溶性固形物是果实中水溶性化合物的总称，包括糖、酸、维生素和矿物质等，是果实的主要营养物质之一，其含量是评价果实成熟与衰老的重要指标。Nelson等[14]使用同轴探头技术测量了哈密瓜的电学参数，研究哈密瓜电学特性和SSC含量之间的相关性，结果表明，在10MHz频率时，哈密瓜ε′值与SSC含量之间的相关系数为0.76;在1.8GHz频率时，哈密瓜ε″值与SSC含量之间的相关系数为0.96。说明在测试频率1.8GHz时，可以用哈密瓜的ε″值的大小来预测其SSC含量，且预测效果较好。沈静波等[15]采用同轴探头技术测量了200MHz～18GHz频率范围内101个频率点下灵武长枣ε′、ε″的频谱，通过遗传算法（GA）和关系数法（CC）提取有效ε′、ε″频谱信息。采用偏最小二乘法（PLS）、主成分回归法（PCR）和支持向量机法（SVM）分别建立了SSC的预测模型。结果表明，以ε′、ε″频谱建立的SSC含量的最优预测模型为GA-PCR、其校正集相关系数为0.933，预测集相关系数为0.925。说明利用介电频谱预测长枣SSC含量是可行的。郭文川等[16] 使用同轴探头技术测量了10MHz～1.8GHz频率范围内密瓜汁的电学特性，研究发现在频率1.8GHz下，密瓜汁的SSC含量与tanδ值相关性较高，相关系数为0.973。该研究为使用tanδ值来预测蜜瓜汁SSC含量提供了理论依据。唐燕等[17]使用平行板电极技术测量了猕猴桃的电学参数，在特征频率0.1kHz下探究了其电特性参数和SSC含量关系，结果表明，可用獼猴桃的电参数Z值、阻抗相角（θ）值量化果实SSC含量，在测试为频率1MHz和1.58MHz下，可用猕猴桃Cp值量化其SSC含量。

前人研究结果表明，电学参数ε″、Z、Lp、Cp对果实SSC含量反应敏感，为今后研究者选择那些电参数指标检测果实SSC含量提供了参考，为利用电学特性检测水果SSC含量的新仪器研制提供了理论依据。

2.4 检测果品损伤 果实损伤引起的细胞破裂，使结合水变成自由水，流失到细胞间隙，导致细胞间含水量增加，从而反映出正常果实与损伤果实电学参数的差异。

Phillipa等[18]使用平行板电极技术测量损伤苹果的电学参数，对损伤苹果的Z值的变化规律，结果表明，可以用Z值来评估水果的损伤程度。边红霞等[19]使用平行板电极法同步监测了苹果在受静压过程中的电学参数，结果表明，在受压时间一定的情况下，随着静压力的增大，果实的ε′值增大;在果实承受静压力大小相同时，随着静压时间的延长，果实的ε′值增大。电学参数ε′能够预测苹果的损伤程度。范修文等[20]对库尔勒香梨进行静压损伤试验，通过平行极板技术测量其电学参数，构建了库尔勒香梨电学参数值与损伤面积的数学模型，结果表明，随着香梨的损伤面积逐渐增大，Rp值逐渐减小，导纳逐渐增大。通过测量香梨损伤前后电学参数Rp和导纳值，即可量化评价库尔勒香梨的损伤程度。

以上研究表明，电学参数ε′对果实损伤的检测效果最佳。当前学者对果实的显性损伤研究较多，而对果实的隐形损伤是今后电学特性检测果实损伤的重点。

2.5 检测果品病害 果实发生病害时其生物代谢及生理结构都发生了很大变化，从而导致其电学特性也发生了变化。黄良妹[21]使用平行板电极技术测量在100Hz～1MHz频率下重度褐变果、轻度褐变果、无褐变果的电学参数，结果表明，3.98MHz频率下褐变重度果、褐变轻度果与无褐变果的电学参数Z值差异显著，随着褐变程度加深，电学参数Z值越大。严重褐变果和无褐变果的Ls、Cs值在任何频率下都存在显著差异，褐变越严重，Ls值越大，Cs值越小。0.1～10KHz范围内苹果内部褐变最严重时tanδ值达到高峰，研究表明可用Ls、Cs、Z值预测苹果褐变的严重程度，当褐变最严重时，tanδ值最大。Sinica等[22]使用平行板电极技术测量了菠萝的电学参数，研究了菠萝黑心病对果肉组织电阻的影响，结果表明，黑心病果实电阻低于正常果实，病害越严重，电阻越低。王若琳等[23]采用平行板电极技术测量了100Hz～3.98MHz之间对数值呈均匀分布的13个频率点下的11个电学参数。结果表明，介电损耗系数（D）和deg随频率的增加呈现先下降后上升的趋势;在特征频率100～25100Hz的低频区内水心病果的D、deg值高于好果。Cs、Cp随频率的增加呈现线性下降趋势;在100～10000Hz的低频区病果Cs、Cp高于好果，在高频区域则趋于一致。ε′值随着频率的增加而降低，ε″先随频率的降低而迅速下降，后逐渐处于平稳;在100～10000Hz频率区域内，病果的ε′、ε″值均明显高于好果。利用ε″结合人工神经网络模型在100～25100Hz下对水心病的识别正确率均为100%，说明ε″是简单和准确识别苹果水心病的电学参数。李芳等[24]运用平行板电极技术在100～3.98MHz频率测量了霉心病果和好果的电学参数，结果表明，各频率点下霉心病果的Z对数值均小于好果，并在频率100Hz～1MHz区间达差异显著性水平（P≤0.05）;各频率点下霉心病果的B对数值均大于好果，并在1580Hz～1MHz区间均达到差异显著性水平（P≤0.05）;各频率点下霉心病果的Cp对数值均大于好果，并且在631～1.0MHz区间达到差异显著性水平（P≤0.05）。表明Z、B、Cp可以作为区分病果和好果的特征参数。

果实发生病害往往引起多项理化和生理指标的变化，相应地，电学特性改变也会以一整套参数观测值的变化表现出来。另外，不同的果实生理变化引起同步变化的电学参数会有所不同。因此，找出一种快速筛选敏感参数的方法是今后利用电学特性进行果实病害检验的研究方向。对病害水果实现可视化分析，仍需进一步研究。

3 存在问题与展望

近年来，国内外学者对水果电学特性的研究虽已取得了一定的成果，但仍存在以下方面的问题：

（1）研究主要针对水果品质对其电学参数的影响及是否存在相关性，而对其影响机理的探究较少，应当进一步深入研究;（2）研究仅局限在苹果、梨、甜瓜、猕猴桃、尖柿、葡萄等少数几种水果，电特性和其品质的相关性关系是否适用于其他类型水果有待探究;（3）电特性检测的精度和效率因为仪器设备的原因受到一定限制，且现有仪器过于庞大，检测仪器的小型化、自动化和系统化是必然趋势，对检测仪器的优化研究是下一步研究的重点;（4）不同水果其品质指标对应的敏感电学参数不同，需要准确地检测出水果的品质，就必须先找到其敏感电学参数与之相匹配，并建立果品电学特性信息数据库;（5）研究集中在运用电学特性对水果品质进行检测，今后用电学特性对水果品质进行定量评价应是研究重点内容;（6）因电学特性检测不具备可视化，所以应当与其他检测手段联合起来从而全面地检测出水果的内外部品质。

参考文献

[1]许丽佳，陈铭，王玉超，等.高光谱成像的猕猴桃糖度无损检测方法[J].光谱学与光谱分析，2021，41（07）：2188-2195.

[2]Wang J L，Hu M B，Wei Z Q，et al.A novel strategy for rapid identification of the fruits of Illicium verum and Illicium anisatum using electronic nose and tongue technology[J]. Tropical Journal.of Pharmaceutical Research，2018，17（4）：675-684.

[3]Xu Sai，Lu Huazhong，Ference Christopher， et al. An Accuracy Improvement Method Based on Multi-Source Information Fusion and Deep Learning for TSSC and Water Content Nondestructive Detection in “Luogang” Orange[J]. Electronics，2021，10（1）：80.

[4]Shicheng Qiao，Youwen Tian，Qinghu Wang， et al. Nondestructive detection of decayed blueberry based on information fusion of hyperspectral imaging（HSI）and low-Field nuclear magnetic resonance（LF-NMR）[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2021，184：106100.

[5]Takashi Ikeda，Pak-Kon Choi，Toshio Ishii， et al. Firmness evaluation of watermelon flesh by using surface elastic waves[J]. Journal of Food Engineering，2015，160：28-33.

[6]胥芳，计时鸣，张立彬，等.水果电特性的无损检测在水果分选中的应用[J].农业机械学报，2002（02）：53-56，60.

[7]郭文川，朱新华.国外农产品及食品介电特性测量技术及应用[J].农业工程学报，2009，25（02）：308-312.

[8]王瑞庆，张继澍，马书尚.基于电学参数的货架期红巴梨无损检测[J].农业工程学报，2009，25（04）：243-247.

[9]Chowdhury A，Bera T K，Ghoshal D，et al. Studying the electrical impedance variations in banana ripening using electrical impedance spectroscopy（EIS）[C]//2015 3rd International Conference on Computer，Communication，Control and Information Technology（C3IT）. IEEE，2015.

[10]兰海鹏，唐玉荣，刘文亮，等.成熟期基库尔勒香梨电学特性研究[J].农机化研究，2014，36（07）：178-181.

[11]唐玉荣，张宏，曹昕昕，等.库尔勒香梨果实品质的电学特性研究[J].河南农业科学，2017，46（03）：148-151.

[12]孔繁荣，郭文川.发育后期苹果的介电特性与理化特性的关系[J].食品科学，2016，37（09）：13-17.

[13]蒋宝.红提葡萄采后品质的电学特性研究[J].陕西农业科学，2019，65（03）：24-27.

[14]Nelson S O，Trabelsi S，Kays S J.Correlating Honeydew Melon Quality with Dielectric Properties[C]//2006 Portland，Oregon，July9-12，2006. 2006.

[15]沈静波，张海红，吴龙国，等.基于介电频谱的灵武长枣可溶性固形物含量的预测模型[J].农业工程学报，2016，32（S2）：369-375.

[16]郭文川，Stuart O.Nelson，Samir Trabelsi，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（05）：289-292.

[17]唐燕，杜光源，张继澍.猕猴桃贮藏期电参数和生理参数的变化[J].农业机械学报，2012，43（01）：127-133.

[18]Jackson P J，Harker F R.Apple Bruise Detection by Electrical Impedance Measurement[J].Hortscience A Publication of the American Society for Horticultural Science，2000，35（1）：104-107.

[19]邊红霞，屠鹏.基于介电参数同步监测苹果静压过程生理变化[J].中国食品学报，2019，19（08）：279-285.

[20]范修文，于世辉，兰海鹏，等.基于电学特性的库尔勒香梨静压损伤程度量化研究[J].农机化研究，2021，43（09）：194-198，214.

[21]黄良妹.红富士苹果阻抗特性与贮期果肉褐变病关系的研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[22]Sinica A. Effect of Pineapple Blackheart on Electrical Resistance of Pulp Tissues[J].ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA，1996.

[23]王若琳，王栋，任小林，等.基于电学特征的苹果水心病无损检测[J].农业工程学报，2018，34（05）：129-136.

[24]李芳，蔡骋，马惠玲，等.基于生物阻抗特性分析的苹果霉心病无损检测[J].食品科学，2013，34（18）：197-202.

（责编：张宏民）