小议农业物料的电特性运用

现代农产品的测试、检测、分级技术不断地向快速便捷的方向发展，利用电特性可以迅速简便地确定农产品的含水率、检测品质、清选分级、储存加工、保鲜等。国内外对农业物料电特性的研究起步较晚，但介电特性应用范围非常广泛，并且越来越受到关注。农业物料的各种固有属性决定了其品质的优劣程度，电特性参数可为农业工程提供直接、可靠的依据。

1农业物料的电学特性及其研究

农业物料电特性(electriCitypeculiarity)主要是指农业物料在外加电场的作用下产生的导电特性、介电特性，以及其它电磁和物理特性。

1．1农业物料的电学特性

农业物料大都含有具有极性的大分子，因此具有一定的荷电特性。其组成成分不同，荷电也有所差别，在电场中的电特性将反映出其固有的本质特征。农业物料的组织、成分、结构、状态与其电特性有着密切的联系。农业物料不仅种类繁多，其组成结构也非常复杂。农业物料组成成分一般有水、淀粉、糖和油等，它们当中包含大量的H，C”，F，P和Na。等物质的不同组合都具有极性，在电场中复杂的电特性一定程度上体现出农业物料的理化特性。表征农业物料电特性的电物理量有：电阻R、复阻抗z、电阻率P、电导率K、电容量C、复电容量C、介电常数、复介电常数。农业物料的电学特性包括导电特性和介电特性。导电特性是指物料导电能力，主要参数是电阻R或电导(电阻的倒数)。介电特性是指生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性。其主要参数有相对介电常数、相对介质损耗因素、介质损耗角正切tan和介质等效阻抗{z}。相对介电常数是电介质固有的一种物理属性，表示物料可能贮存的电场能量，反映该物料提高电路模型电容器电容量的能力。损耗因素表示物料在交流电场中损耗的能量。损耗角正切tan表示物料所消耗的能量与所蓄积的能量之比。介质损耗：在高频电场作用下电介质被极化，有极分子在电场中不断地做取向运动，分子间发生碰撞和摩擦将消耗电能并转化为热能，称为介质损耗，其随交变频率的提高及电场强度的增强而增多，介质损耗和介质的介电特性有关。

1．2国外研究现状

把农业物料作为电介质进行研究早在18世纪末国外就开展了研究工作。1880年美国的奥斯本研制成功了世界上第一台静电分离机，用于清除面粉中的谷壳和杂质。Nelson从2O世纪5O年代开始到2O世纪9O年代一直致力于种子电性质的研究和应用，发现种子的介电特性与含水率，密度和温度有很大关系，并模拟出数学模型。农业物料可以等效假设成电阻器与电容器的串并联模型，如图1所示。

1．3国内研究现状

1)谷物：2002年，米双山对小麦种子的研究证实介电常数与种子之间的相关关系。即品种和籽粒质量相同的种子，介电常数愈大，其活力愈低；而介电常数小的种子则具有较高活力。

2)果蔬：2001年，张立彬等利用电特性对苹果，桃子的新鲜度以及内部品质进行了研究，得出桃子的含水率变化与电特性存在着较强的相关性；苹果的阻抗与激励信号有很大相关性，相对介电常数在适当的频率范围内(33～1OOkHz)，对苹果内部的腐烂程度有较好的相关性。尤田束(1999)利用微波谐振腔技术对单颗粒黄豆进行了含水率的测量，总结出微波谐振腔技术是一种较为简单的非破坏性的、能够实现连续测量黄豆颗粒湿度的方法，并与颗粒的形状、大小无关。

2电特性在农业工程中的应用

2．1介电特性与无损检测

电特性参数为农产品无损检测技术提供可靠依据。张立彬(1996～2004)等人研究测试了不同新鲜度、不同腐烂程度的苹果和桃的电参数，并研究了一种基于介电特性的水果无损检测系统。此外，电特性还可用于水果保鲜和存储。

2．2介电特性与种子分选技术

种子的优劣程度很大程度关系到农作物的产量及品质，因此非常有必要进行种子分选，目前普遍使用的是介电分选技术。介电分选技术及其研究早在20世纪90年代就已开始，并且发展十分迅速。种子的优劣程度不同在电场中的极化力也不同，这就很容易利用电参数进行介电分选。钱新耀(1990)等人研究了蔬菜种子的电导特性和介电特性与含水率之间的关系。米双山(2000)等人研制了介电式带绒棉种介电分选机。

2．3介电特性与粮食品质监控技术

农产品的品质直接关系到价格的高低，是对农产品进行再加工时提高品质的重要途径。因此，在去除农产品中的杂质、不健康籽粒过程中，进行品质监控可以大大改善农产品的品质，提高农产品的价格。利用介电特性进行在线监控已广泛地应用于粮食加工中。程卫东(1999)以由谷物含水量(介质介电常数)变化引起电容式传感器振荡频率的变化来测量谷物的水分。此外，利用介电特性可以监控粮仓中粮食的水分，确保粮食安全储藏。

2．4介电特性与杀菌消毒技术

目前，各种奶制品大都采用微波消毒杀菌，该方法完全达到卫生标准要求，而且营养成分保持不变。微波消毒技术具有杀菌效果好、消毒时间短等优点。陈新生利用微波对鱼丸等数十种物料进行广泛的试验，并根据食品的介电常数、含水率，确定消毒时间、功率密度等工艺参数，研制了食品杀菌和保鲜装置。

2．5静电的利用

1)静电选种、处理种子、提高种子的发芽率和发芽势。2001年，康敏等人的试验表明，静电选种的发芽率、发芽势以及最终产量均有较大提高。1997年，张迈等发现静电场产生的电位差能够促进ATP的合成，触发酶类的活化，使细胞内外通透性增加，有利于营养物质的吸收利用，产生生物效应和增产效果。

2)静电用于农产品和食品加工。2003年，袁洪印等对苹果等6种果蔬进行高压静电涂敷表面，取得了良好的保鲜效果；2000年，梁运章等提出了一个全新原理的新型干燥技术一静电干燥，并试验证明静电干燥对蔬菜具有良好的效果。

3)静电喷雾施药。利用静电喷雾技术防治农作物病虫害，是现代植保施药的一项新技术。2002年舒朝然应用高压静电使雾滴充电，带电的雾滴在静电场作用下，快速、均匀地飞向并吸附在作物上，减少了雾滴漂移，提高了农药在作物茎叶正反面、隐蔽部位的沉积率，增加了药物与病虫害接触的机会，减少了药液损失，降低了对环境的污染。除此之外，静电技术在农业上的应用还有：静电喷粉用于植物人工授粉，提高花粉附着密度和授粉效果，提高坐果率和结实率；静电喷雾用于田间除草剂的施用，显著提高喷射雾滴水平沉积量的均匀性。

2．6直流电流的应用

1)电渗透：电渗透原理是由动电现象而来。电渗透是基于以下假设：固液分离对液体的流动相当于固体颗粒间毛细管中的流动。由胶粒双电层理论得知，与毛细管壁接触的液体，由于毛细管壁固体电位的作用，带有与毛细管壁等量而符号相反的过剩电荷，当沿毛细管方向有静电场存在时，毛细管内的液体受自身所带电荷影响，将对于管壁产生相对运动。1996年，李里特研究了电渗透脱水的条件影响及其数学模型解析，通过了对豆腐渣、大豆分离蛋白和平方米蛋白电渗透脱水试验分析。

2)电渗析：电渗析(简称ED)过程可使物料水溶液中荷电离子和分子得到浓缩或贫化。其原理是：在直流电场的作用下，离子透过选择性离子交换膜，从而得到脱盐的稀释液流体或浓缩液流体。

3)-电泳：带电分子在电场中会被电流移动，称为泳动。

4)电浮选：将水、悬浮物和气泡这样～个多相体系中含有的疏水性污染粒子，或附有表面活性物的亲水性污染粒子，有选择地从污水中吸附到气泡上，以泡沫形式浮升到水面，从而使污染杂质从污水中分离出去的一种操作过程。其实质是气泡和粒子间进行的物理吸附，微小气泡成为载体，气泡从水中析出的过程中粘附水中的污染物质，并形成气+粒结合的浮选体上浮分离。这也称为起泡浮选，可甩于干物质的增浓，粮食的清选及液体的澄清。3农业物料电特性方面有待解决的问题电物理特性在农业工程领域发挥了越来越重要的作用，这方面的研究与应用也越来越受关注，因此有必要对农业物料的电学性质进行更深人的研究，使其发挥更大更广的作用。为此，还需要解决的一些问题。

1)农业物料电特性与其组织结构、力学性质、流变学性质、热学性质等相互关联和影响；

2)利用农业物料盼电学性质结合其它基础物理特性对农业物料的品质进行准确的检测和评价；

3)针对农业物料的个性，如何将农业物料的电学性质合理地应用到生产加工过程中，寻找新的电力加工方法；

4)结合理论研究与试验结果，寻求简单快捷的试验、加工处理方法，使其更广泛的应用于农业工程领域，从而满足农业生产经济性、安全性、高效率、高质量的需要，增加农业收人。

4结束语

大量的理论和研究表明，农业物料的电特性理论与技术具有很广阔的研究空间和实用价值，并以其快捷、使用简单而深受喜爱。我国在农业物料电特性方面的研究和应用还远远不足，但随着农业科技的飞速发展、对农业物料研究的不断深入，电特性将在贮藏、保鲜、无损检测、自动分级、消毒灭菌、防治病虫害、加工及运输、提高产品质量和数量等方面发挥更大的作用。