第
21卷第
7期
农业工程学报
Vol. 21 No. 7
136 2005年
7月Transactionsof theCSAE July 2005
采后苹果电特性与生理特性的关系及其应用
郭文川
,朱新华
,郭康权
(西北农林科技大学机械与电子工程学院
,陕西杨凌
712100)
摘 要
:为了了解果蔬的电学特性
,并为果蔬品质自动化识别提供新方法
,该文从生理特性角度分析了影响采后苹果电参
数变化的原因。基于电参数的变化
,将BP神经网络技术应用于苹果新鲜等级的识别。研究结果指出
:采后红富士苹果相对
介电常数的变化规律与乙烯释放量变化规律相似
,电阻率与乙烯释放量变化规律相反
,在乙烯释放峰出现时
,相对介电常
数达到最大值
,电阻率达到最小值。根据采后苹果可溶性固形物含量和
pH值的变化
,将苹果分为
3个新鲜等级
,以相对介
电常数和电阻率作为
BP神经网络的输入特征参数
,在
2-20-3的网络结构下
,苹果新鲜等级平均识别率达到
79%。该研
究为了解采后果品电特性变化的原因提供了信息
,为基于电特性的新型果品内部品质检测技术的研究提供了基础。
关键词
:苹果
;电特性
;生理特性
;新鲜等级
;识别
Guo Kangquan.
postharvest apples and its application [J].
中图分类号
: S183 文献标识码
:A 文章编号
: 100226819 (2005) 0720136204
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) : 136-139.
GuoWenchuan, ZhuXinhua, Relationshipbetweenelectricalpropertiesandphysiologicalpropertiesof
TransactionsoftheCSAE, 2005,21 (7):136-139. (inChinesewithEnglish
ab stract)
0 引 言
采收后的果品仍然是有生命活动的有机体
,通过呼
吸作用
,使得淀粉、糖和有机酸等呼吸底物被分解为
CO 2和水
[1]。水以及其它物质成分的变化导致果品内部
空间电荷分布的变化。生物电场的分布和强度在宏观上
影响果品的电特性。因此
,研究采后果品电特性对于以
电信息判断果品品质和采后果品数字化信息的建立具
有重要的指导意义。
国内外对采后果品电特性的研究取得了一些成果。
W olf等
(1973年) [2]将介电特性用于评价苹果的成熟
度。
N elson (1980年, 1993年) [3, 4]研究了新鲜水果和蔬
菜的微波介电特性。
T ran等
(1984年) [5]研究了室温下
100～
10000 M Hz范围内
,马铃薯、胡萝卜、苹果、桃子
和梨的介电特性。结果表明介电常数和损耗因数是频率
的函数。加藤宏朗
(1988年) [6, 7]发现
,在
100 Hz～
100
kH z频段内
,随着苹果新鲜度的降低
(但未腐烂时
)其果
肉阻抗趋于增加
,相对介电常数和介质损耗因数下降
。
Seam an等
(1991年) [8]以苹果、香蕉、桃子和柑桔等为
对象
,测量了
150～
6400 M Hz下果肉和果皮的介电特
性。结果表明
,果肉和果皮具有不同的介电特性
,指出介
电特性存在差异的主要原因在于含水率的不同。
N elson
等
(1994年) [9]测量了
23种新鲜果蔬的含水率、组织密
度和可溶性固形物含量以及在
200 M Hz～
20 GHz下
41个频率点的介电常数。指出导致果蔬组织介电特性
差异的原因在于低频下离子的传导性和束缚水的松弛
以及高频下自由水的松弛。张立彬等
(1996年) [10]用破
收稿日期
: 2004208217 修订日期
: 2005206208
作者简介
:郭文川
,女,陕西临潼人
,博士
,副教授
,研究方向为农业
生物电子信息技术。杨凌 西北农林科技大学机械与电子工程学
院, 712100。Email: guowenchuan69@126. com
坏法研究了金帅苹果切片组织的电特性与新鲜度的关
系。随后
(2000年),利用非接触式无损检测方法测定了
不同品质苹果电特性的差异
,得出用相对介电常数判断
水果内部品质可行的结论
[ 11 ]。胥芳
(1997年) [12]的研究
表明在
12～
100 kHz的频段内
,随着桃子储藏时间的增
加,等效阻抗增大而相对介电常数和介电损耗减小
,桃
子在开始腐烂时
,电特性有一个较大的反复。
Funebo. T
等
(1999年) [13]指出
,在
2800 M Hz下,湿度和温度对苹
果、草莓、山萝卜、蘑菇等果蔬的相对介电常数和相对损
耗因数有影响。
Ikediala等
(2000年) [14]研究说明在
5～
55℃以及
33～
3000 M Hz下,苹果的介电常数随频率的
增加而较小
,而随温度的增加略微减小。苹果的最小介
电损耗因数在
915 M Hz下。介电常数和损耗因数不受
苹果品种、果肉和苹果成熟度的影响。
N elson等
(2003
年) [15]对
9种新鲜水果介电特性的试验结果表明
,在
10
MHz～
1. 8GHz范围内
,随着频率的增大
,介电常数由
几百降至
100以下。
这些研究为了解采后果品电特性的变化规律奠定
了基础
,但尚未从果品采后生理特性角度分析电特性变
化的原因。因此本文以红富士苹果为例
,根据采后苹果
呼吸强度、乙烯释放量等生理参数的变化
,分析采后苹
果电参数变化的原因
;基于电参数的变化
,将BP神经
网络技术应用于采后苹果新鲜等级的识别。
1 材料和方法
1. 1 材料
样品为成熟良好的红富士苹果
,试验前两天采摘于
杨凌
A农户的苹果园中
,平均质量
168 g。将样品分为
两批
,一批用于测定采后储藏过程中相对介电常数和电
阻率等电参数
,呼吸强度和乙烯释放量等生理参数
;另
一批用于测量可溶性固形物含量、
pH值和硬
度。每周
第
7期郭文川等
:采后苹果电特性与生理特性的关系及其应用
mm硅胶柱3)乙烯释放量的测定测试方法见参考文献[17]。,分离柱温100℃,汽化室温度120℃,检测图2说明,采后储藏初期,E到最大值,5周后迅速减小。电阻率
r逐(′) 渐增大
,第
5周时达
Q在
5周内
,逐渐减
室温度
120℃,载气为
N 2,流量
0. min,燃气为
H 2,
流量
0. min。
04 L .小,第
5周时达到最小值
,5周后迅速增大。
04 L .根据果实采后生理相关理论
,果实后熟过程中
,呼
测量一次。样品于自然状态下存放
,存放期间环境温度
为
15. 5～
18. 2℃,相对湿度为
65%～
84%。
1. 2 测定项目和方法
1)电参数的测定
采用接触式无损检测方法
,测试系统由
L CR电桥
测量仪和夹持系统组成
[ 16 ]。测试中选用频率
10 kHz,电
压
0. 6V的正弦波电信号
,极板直径
40 mm ,夹持力
0. 5N,样品数为
30。
2)呼吸强度的测定
将测定电参数的样本分成两组
,重量分别为
2. 65
kg和
2. 35 kg。放于呼吸室
1h后,测试每组样品的呼
吸强度和乙烯释放量
,每组采样
3次,取平均值。测试方
法见参考文献
[17 ]。试验采用日立
663220型气相色谱
仪。色谱条件为热导检测器
(TCD ),色谱柱为
1m ×3
色谱条件为火焰离子化
检测器
(F ID ) ,色谱柱为
2m ×3 mm玻璃柱
,固定相为
高分子多孔小球
Porapak Q (80～
100目),分离柱温
110℃,汽化室温度
140℃,检测室温度
140℃。其它条件
与试验方法同
2)。
4)硬度测定
每次取
5个样品
,在每个果实胴体的赤道部位均匀
地选
5个点
,去皮后用
GY21型硬度计测果肉硬度
,取
平均值。
5)可溶性固形物含量的测定
将测试过硬度的所有样品用榨汁机榨汁
,采用手持
折光仪测清液的可溶性固形物含量
,重复三次取平均
值。
6) pH值的测定
将汁液搅拌均匀后
,用日导
PHS -2C型数字式
pH计测
pH值,重复三次取平均值。
2 结果与分析
2. 1 采后苹果电参数和生理参数的变化
图
1为采后苹果呼吸强度和乙烯释放量的变化曲
线,图
2为相对介电常数
E 和(′) 电阻率
Q的变化曲线。
r
图
1 采后苹果生理参数的变化
F ig. 1 Changes of physiological parameters
of postharvest apples
从图
1可以看出
,采后苹果出现两次呼吸高峰
,第
一次在采后第
2周,第二次在采后第
4周。采后
2周内
,
苹果乙烯释放量未检出
,2周以后
,乙烯释放量迅速增
大,在第
5周达到峰值
,之后迅速下降。
图
2 采后苹果电参数的变化
F ig. 2 Changesof electricalparametersofpostharvest apples
吸作用使细胞中的淀粉
、糖和有机酸被分解为二氧化
碳、水和其它可被细胞用于合成反应的小分子物质。一
般认为影响果实电参数变化最主要的因素是果实内部
的自由水。因此 ,储藏
2周内
,随呼吸强度的增加
, E 缓(′)
r
慢增大
, Q缓慢减小。采后
2～
5周内
,呼吸强度虽有所
反复
,但乙烯释放量迅速增大。资料表明
,乙烯能增加细
胞膜透性
[ 18, 19 ]。细胞膜透性的增加使细胞之间及细胞
内部的导电能力增强
,从而使
E 稳(′) 定增大
, Q持续减小。
r
第
5周时出现乙烯释放高峰
,此时
, E ′
Q也分别出现最
r和
大值和最小值。
采后果品除了进行呼吸作用外
,还存在蒸腾作用。
在蒸腾作用下
,果实内部自由水散失。采后
5周内
,呼吸
作用分解得到的自由水以及乙烯对膜透性的作用减小
了甚至掩盖了蒸腾作用使自由水散失对电参数的影响。
而
5周后
,果实已过呼吸峰和乙烯峰
,此时果实进入衰
老阶段。衰老过程中果实内亚细胞结构的改变和解体使
得细胞内发生自溶作用
,整个代谢系统解体
,最后
,原生
质膜破坏
,细胞死亡。另外
,储藏后期
,蒸腾作用使果品
失水明显。呼吸强度的减弱、乙烯释放量的减小、明显的
′
失水以及细胞结构的解体
,各因素的共同作用使
Er急剧
减小 , Q急剧增大。
比较图
1和图
2发现
, E 与(′) 乙烯释放量变化规律相
r
似,而
Q随乙烯释放量的增加而减小。这说明电参数的
变化是生理变化的结果和反映
,而影响苹果电参数变化
的主要因素是乙烯释放量。因此
,宏观电参数可用于说
明苹果内部的生理变化。
2. 2 电特性在苹果新鲜等级识别中的应用
图
3为采后苹果可溶性固形物含量、
pH值及硬度
的变化。该图表明
,随苹果新鲜度的下降
,可溶性固形物
含量逐渐减小
; pH值在采后
2周内出现增大现象
,2周
后, pH值减小并基本保持不变
;果肉硬度缓慢减小。
果蔬的新鲜等级是决定其商品价值的主要因素。评
判新鲜等级的指标很多
,例如
:颜色、香气、光泽、硬度
[2 ] W o lf D F,
[3 ] N elson S O.
[2 ] W o lf D F,
[3 ] N elson S O.
农业工程学报
2005年
等。目前还没有统一的国家标准和行业规定用于评判果
蔬的新鲜等级
[ 20 ]。颜色和光泽可以通过人为加工使其
有漂亮的外观而掩盖了其内部品质
,多数新鲜水果并不
散发香气
,硬度的测量会损伤果品。因此
,研究简单、快
速、无损评定果蔬新鲜度的方法是当务之急。由于采后
苹果电特性与生理生化特性关系密切
,因此
,以电参数
评定果蔬新鲜等级具有一定的可行性
。
图3 采后苹果生化参数和硬度的变化
F ig. 3 Changesof biochemicalparameters
and firmness of postharvest apples
由于果品内部品质和硬度能够说明果品的新鲜度
,
故依据可溶性固形物含量、
pH值并结合硬度
,同时也
根据采后苹果的储藏时间将苹果分为三个新鲜等级
,见
图
3。
选取
E 和(′) Q作为苹果新鲜等级识别的特征参数
,并
r
应用
BP神经网络技术于采后苹果新鲜等级的识别。
BP
′
神经网络由三层组成
,输入层采用
2个神经元—
—
Er和
Q,隐含层采用双曲正切激活函数
(tan sig) ,神经元数根
据仿真结果确定
,输出层使用线性激活函数
(pu reline) ,
神经元数为
3,即
3个新鲜等级
[ 21 ]。仿真结果表明
, 220-
3的
BP神经网络结构具有较好的识别率。表
1为
2-20-3网络结构对训练样本数为
62的不同新鲜等
级苹果的识别率以及对测试样本数为
58的不同新鲜等
级苹果的识别率
,该网络结构对测试样本的平均识别率
为
79%。
表
1 不同新鲜等级下的训练和识别效果
Table 1 Training and identification ratios
under different freshness grades
苹果等级
训练样本
识别率
.%
测试样本
1 100 84
2 100 84
3 100 69
注
:训练样本数
62,测试样品数
58。
3 结 论
1)随采后苹果乙烯释放量的增大
,相对介电常数
增大
,电阻率减小
,随乙烯释放量的减小
,相对介电常数
减小
,电阻率增大。在乙烯释放峰时
,相对介电常数达到
最大值
,电阻率达到最小值。因此
,电参数与生理参数关
系密切。
2)基于采后苹果生化参数的变化
,将苹果分为
3
个新鲜等级。以相对介电常数和电阻率为新鲜等级识别
的输入特征参数
,应用
BP神经网络技术于新鲜等级的
识别。结果说明
: 2-20-3的网络结构具有较好的识别
效果
,该结构对苹果新鲜等级的平均识别率为
79%。
3)本研究有助于了解采后果品电特性变化的原
因,为基于电特性的新型果品内部品质检测技术的研究
提供了试验基础。
[参 考 文 献
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Relationship between electrical propertiesand physiological
of
Zhu Xinhua ,
A griculture and Forestry ,
properties of postharvest apples and its application
GuoWenchuan, Guo Kangquan
(College of M echanical and Electronic Engineering , N orthw est S ci2T ech U niversity
Y ang ling , S haanx i 712100, Ch ina)
Abstract: Physiologicalcausesthatinfluenceelectricalparametervaluesofpost2harvest app les w ere
analyzed in
order toobtain electricalpropertiesoffruitsandvegetablesandprovidenewmethodsforautomaticallyevaluating
qualityoffruitsandvegetables. Basedonchangesofelectricalproperties,BPneuralnetworktechniquewasused
to distinguish freshnessof apples. Results showed the change regularitiesof relative dielectric constant and the
amountofreleasedethylenefrom Fujiapplesweresimilar, andbothofthemwerereversedto resistivity. When
the amount of released ethylene was at climacteric, relative dielectric constant was maximum and resistivity
reachedtheminimum. Applesweredividedinto threefreshnessdegreesaccordingto thechangesoftotalsoluble
solid (TSS)andpH values. TherelativedielectricconstantandresistivitywereselectedastheinputdataofBP
neuralnetwork ,andtheaveragedistinguishing rateforapplefreshnesswas 79% under the 2-20-3network
structure. Thestudyprovidesnew evidenceforunderstandingthecausesofelectricalpropertychangesofpost2 harvestapples, andoffersexperimentalbasisforstudyingmethodstodistinguishinternalqualityoffruitsbased
on electrical p roperties.
Key words: apple; electricalproperties; physiologicalproperties; freshnessdegree; identification