刘 媛1，高艳艳1，杨 曼1，范小青1，赵孔双1，*，赵少杰2
（1.北京师范大学化学学院，北京 100875；2.北京师范大学 遥感科学国家重点实验室，北京 100875）
摘 要：利用介电弛豫谱方法对椰子成熟度以及椰子水的贮藏温度和时间进行了研究。由于椰子水中蔗糖的质量浓度与成熟度有关，因此利用椰子水-蔗糖混合溶液的电导率与蔗糖质量浓度的依存关系，可以判断椰子的相对成熟度。低频电导率谱结果显示，椰子水的电导率随着贮藏时间的延长而逐渐降低，并且室温条件下贮藏时，电导率降低得更快，说明低温更利于椰子水的贮藏。此外，微波段弛豫实际包含了自由水分子和结合水分子两部分贡献，其中结合水分子弛豫强度的变化可以反映椰子水品质的改变。椰子水不同时间的颜色变化说明，开壳椰子水在室温条件下可以保存1 d，而在冰箱中可以保存3 d。
关键词：介电弛豫谱；椰子水；成熟度；贮藏；品质
引文格式：
刘媛， 高艳艳， 杨曼， 等.椰子的成熟度和贮藏品质的介电评估方法［J］.食品科学， 2016， 37（14）: 225-230.DOI:10.7506/ spkx1002-6630-201614041. http://www.spkx.net.cn
LIU Yuan， GAO Yanyan， YANG Man， et al.Assessment of maturity and storage quality of coconut by dielectric relaxation spectroscopy［J］.Food Science， 2016， 37（14）: 225-230.（in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614041. http://www.spkx.net.cn
存在于椰子果腔中的椰子水（液态胚乳）占全果质量的22%～25%［1］，它富含糖类、氨基酸、矿物质等多种营养素，因此具有很高的营养价值［2］和医用或药用价值［3-4］。但椰子水中含糖总量会随成熟度的变化而改变［5］，其药用价值也会随之改变［6］。此外，椰子水的成熟度还直接影响其营养价值和口感［7］，因此，椰子水成熟度的评估具有实用意义。目前判断椰子成熟度可信度较高的方法是根据其声学特性［8］，例如Gatchalian等［8］用模数转换器和快速傅里叶变换研究并记录了嫩椰子的声学特性，从而对椰子的成熟度作出评估；Terdwongworakul等［7］探究了椰子成熟度与其物理、力学、生理及声学特性的关系。但因操作复杂、耗时和仪器价格昂贵等因素限制了这些方法的推广。开发简捷、经济的成熟度检测技术无疑是很有必要的。
介电谱方法因具有测量快、无损及对样品状态要求低等特点［9］，已广泛用于表征食品的理化性质［10］，评价储存和加工过程食品材料的品质［11］。Nelson［12］和Guo［13-14］等通过测量哈密瓜［12］、西瓜［13］及苹果［14］等新鲜水果的可溶性固形物及水含量，并建立这些物理量与介电参数的关系来评价水果中的含糖量和成熟度。黄亚玲等［15］利用建立的糖-乙醇混合液与其介电参数之间的标准曲线，来评估市售酒饮品的含糖量。这些研究都表明介电谱在探测水果类食品的物理性质上的有效性，但鲜少关于利用介电谱方法判断椰子成熟度的研究报道。由于椰子在生长至约7 个月后其内部椰子水中的蔗糖含量开始出现，且随成熟期的增加而增加［3］，而蔗糖含量会影响其介电参数，所以通过测量介电参数来粗略判断椰子成熟度在理论上可行。本实验的目的之一是从基础角度阐述椰子水的蔗糖含量和介电特性的关系，并利用椰子水-蔗糖溶液的导电率与蔗糖质量浓度的依存关系，来判断椰子的相对成熟度。
此外，天然饮料或果汁的保鲜一直是食品加工贮藏中的重要课题。开壳后的椰子水由于微生物污染、多酚氧化酶和过氧化物酶等的作用容易快速发酵和变色［16］，结果会降低品质和营养价值。目前有研究人员从流变学角度对椰子水饮料的稳定性进行了研究［17］，发现4 ℃低温贮藏比20 ℃室温贮藏好。但更多的研究集中在椰子在不开壳情况下的贮藏稳定性方面：Gatchalian等［18］通过感官分析方法的研究发现，不开壳的椰子水在室温条件下可保存6 d；Thamban等［19］研究发现，椰子果经过简单的物理及化学处理后，聚丙烯膜包裹在5～7 ℃条件下可贮藏24 d；还有一些研究表明，在12 ℃条件下，用聚乙烯膜、聚氯乙烯膜或石蜡包裹后的椰子可分别贮藏28［20］、30［21］、49［22］d。而对开壳后的天然椰子水贮藏时间的研究则很少，本实验的另一个目的是从基础角度阐述椰子水的品质和其介电特性的关系，并利用颜色变化来辅助说明椰子水在贮藏过程中其所含物质可能的变化是否会影响椰子水的介电性质。
1.1 材料与试剂
椰子水样品来源于北京超市购买的普通海南椰子（2 个）。为提高实验的准确性，本实验中采用超纯水配制溶液。蔗糖（分析纯） 北京化工厂。
1.2 仪器与设备
4294A型精密阻抗分析仪（配备圆筒式铂电极玻璃测量池）、E8263B PNA型网络分析仪（配备Agilent 85070E同轴探针） 美国Agilent公司；BC-92型冰箱广东奥马电器股份有限公司。
1.3 方法
1.3.1 宽频介电测量
介电测量是由Agilent公司生产的4294A型精密阻抗分析仪和E8263B PNA型网络分析仪共同完成的。4294A型精密阻抗分析仪用于测量40 Hz～110 MHz的射频段介电数据，使用的测量池为圆筒式铂电极玻璃测量池［23］，直接测得不同频率条件下体系的电容（C）和电导（G）值，根据Schwan等［24］的方法经标准溶液校正得到测量池的池常数Cl、浮游电容Cr和自感系数Lr，进一步校正得到样品的真实电容（Cs）和电导（Gs）值。根据式（1）、（2）计算真空介电常数（ε0）和电导率（κ）：
将Cs和Gs转化为样品的介电常数ε0和电导率κ。200 MHz～40 GHz微波段的介电数据是由E8263B PNA型网络分析仪，配备Agilent85070E同轴探针完成的。直接将探针插入在烧杯中盛放的液体样品，不同频率条件下的介电常数ε和介电损失ε”由仪器自动计算而得，探针浸入到样品中即可得到这些参数并记录下来。测量之前，需要对短路、乙醇以及纯水这3 个标准物质进行测量以校准数据。
1.3.2 指标测定
1.3.2.1 椰子相对成熟度的介电测量
在室温20 ℃条件下，在同一椰子中取出一定量的椰子水并等量分装到8 个小试管中，然后加入不同质量的蔗糖，配制成不同质量浓度（0、0.5、1、2、3、4、5、6 g/100 mL）的蔗糖-椰子水溶液，并在室温条件下测量其介电谱图。
1.3.2.2 椰子水在不同贮藏条件下的介电测量
在室温20 ℃条件下，在同一个椰子取出一定量的椰子水并分装到16 个小试管，平均分成两组，一组在室温条件下贮藏，另一组在4 ℃冰箱中贮藏，每天在同一时间对椰子水在贮藏温度条件下进行介电测量，直到第8天。
2.1 椰子相对成熟度的检测
图1是不同蔗糖质量浓度椰子水的微波介电损失谱和射频电导率谱图。从椰子水的介电损失谱中可以看到蔗糖-椰子水溶液在微波段有一个与水分子的极化相关的弛豫［25］，并且介电损失随蔗糖质量浓度的增大而减小（箭头所示）。从图1b可以看出，蔗糖-椰子水溶液在射频段的电导率随着频率的增加，有着较大幅度的增大。但相同频率下，随蔗糖质量浓度的增加电导率减小，这是因为蔗糖不导电，加入蔗糖增大了溶液的黏度，使得蔗糖-椰子水溶液的导电性降低［26］。
图1 不同蔗糖质量浓度的椰子水介电损失谱（ a）和射频电导率谱（ b）图
Fig.1 Dielectric loss curves （a） and conductivity spectroscopy （b） of coconut water with different contents of sucrose
2.1.1 高频弛豫的微观机制
图2 不同蔗糖质量浓度的椰子水介电损失分峰图
Fig.2 Dielectric loss curves of aqueous sucrose solutions at different concentrations
图2表示的是蔗糖质量浓度为0、2、4、6 g/100mL时，对椰子水的介电损失谱进行分峰拟合的结果，插图表示的是结合水弛豫强度的局部放大图（其他蔗糖质量浓度下分峰结果类似，这里不再列举）。该弛豫实际上包含两类水分子的贡献：即存在于椰子水营养物质分子（糖类、蛋白质和脂肪等）表面水化层中的与这些物质存在相互作用的结合（束缚）水分子，以及远离这些生物大分子的自由水［9］。从图2插图可以看出，结合水的弛豫强度随着蔗糖质量浓度的增加而增大，这是因为蔗糖分子中的羟基可以与水分子结合，使部分水分子取向变慢。随着蔗糖质量浓度的增加，结合水分子数目增加，因此结合水的弛豫强度也增加。这表明蔗糖对椰子水的介电特性有影响且有一定的规律性。
2.1.2 标准曲线的绘制及椰子相对成熟度的检测
图3 市购椰子水的相对蔗糖质量浓度检测
Fig.3 Linear relationship between electic conductivity and relative sucrose concentration of commercially available coconut water
为了利用介电测量的数据检测开壳后椰子水的成熟度，从图1b中取2.1 MHz频率条件下的蔗糖-椰子水溶液的电导率值（κ），对添加的蔗糖质量浓度（x）作图（图3），得到了良好的相性关系：κ=-0.012 7x+0.532 （R² = 0.983）。很明显，加入蔗糖后，椰子水的电导率降低，且该降低程度与蔗糖质量浓度呈反比，这是因为溶液中非导电的蔗糖分子的比例增大且黏度增加，降低导电离子的比例及离子迁移的速度［27］。
由于椰子中椰子水里的蔗糖在成熟期7月开始出现，之后随成熟度的增加而增加，而电导率随蔗糖质量浓度的增加而减小［27］。因此通过测量任意椰子水在20 ℃（该近似的标准曲线在20 ℃条件下建立）的电导率，就可以估计椰子的相对成熟度，即相对于制作标准曲线所用椰子的成熟度。图3中的红点是对超市随机购买的椰子的测试点：将椰子开壳后在20 ℃条件下测量其在2.1 MHz条件下的电导率为0.521 S/m，根据相关关系公式计算得到x=0.866 g/100 mL，则该随机购买的椰子的椰子水比实验所用椰子的椰子水中的所含蔗糖质量浓度高0.866 g/100 mL，即比作标准曲线所用的椰子更加成熟。若已知实验所用的椰子的成熟期，可以利用椰子水的导电率与蔗糖质量浓度的依存关系粗略估算任意一个椰子的蔗糖质量浓度，从而推断其成熟期。本研究为利用介电谱方法检测椰子的成熟度的提供了一种可能，但要实现利用介电谱方法对椰子成熟度进行更精确地判断，还需要进一步的研究。
2.2 贮藏温度和贮藏时间对椰子水品质的影响
图4 4 ℃ 冰箱 （a）和20 ℃ 室温背光处 （b ）贮藏的椰子水随时间变化的介电损失谱图
Fig.4 Dielectric loss curves of coconut water with different storage times at refrigerated temperature （4 ℃） （a） and room temperature （20 ℃） （b）
图5 4 ℃ 冰箱 （a）和20 ℃ 室温背光处 （b ）贮藏的椰子水随时间变化的电导率谱图
Fig.5 Conductivity curves of coconut water with different storage times at refrigerated temperature （4 ℃） （a） and room temperature （20 ℃） （b）
本研究考虑贮藏椰子水时最典型的两个温度，即4 ℃冰箱和20 ℃室温。图4和图5分别是开壳后的椰子水在冰箱和室温条件下贮藏1～8 d的微波段的介电损失谱和射频段的电导率谱。从图4可以看到，无论是在冰箱还是室温贮藏，椰子水在微波频率段的介电损失谱随贮藏时间变化很小。但是，椰子水的电导率κ则随贮藏时间不同而有明显的变化（图5）。为了进一步研究贮藏温度和时间与椰子水品质的关系，进一步对高频介电损失谱和低频电导率谱进行分析讨论。
2.2.1 高频弛豫的微观机制
与椰子水-蔗糖混合溶液相同，纯椰子水在冰箱和室温两种条件下，都在频率为13.9 GHz的微波段存在一个与水分子的极化相关的弛豫，并且该弛豫基本不随保存时间变化。同样的，对该弛豫进行分峰拟合处理，得到图6所示的冰箱和室温条件下分别贮藏1、5、8 d的介电损失分峰图，插图表示的是结合水弛豫强度的局部放大图（其他不同时间下的分峰结果类似）。可以看出，该弛豫包含自由水分子的弛豫以及结合水分子的弛豫。从插图中可以看出，无论在冰箱还是室温条件下贮藏，结合水的弛豫强度随贮藏时间的延长而减弱（插图中的箭头），即结合水分子数目减少。这是因为在贮藏过程中椰子水中的氨基化合物、脂肪酸、酚类等，经过氧化或腐败反应形成其他分子后［27］，比如酚类分子，与水形成氢键的能力减弱。值得注意的是，室温条件下贮藏的椰子水，其结合水的弛豫强度的减小幅度比在冰箱中贮藏的大，且在任意贮藏时间段，前者的弛豫强度都比后者的小，这是因为上述化学变化在较高温度条件下反应速度更快且程度更大。以上研究结果说明，贮藏温度及时间会影响椰子水的介电特性。
图6 椰子水在4 ℃ 冰箱和20 ℃ 室温中保存不同时间的介电损失分峰图
Fig.6 Dielectric loss peaks of coconut water with different storage times at refrigerated temperature （4 ℃） and room temperature （20 ℃）
2.2.2 射频电导率谱
图5显示，冰箱和室温条件下贮藏的椰子水的电导率随保存时间的延长整体上呈升高的趋势。这一方面是因为椰子水中的大分子如蛋白质等在贮藏过程中会聚合，使体系的稳定性降低，产生部分沉淀，同时吸附部分离子［18］；另一方面，氨基化合物和脂肪酸等极易被氧化或发酵腐败，形成了腐胺、尸胺、组胺［27］，影响体系的电导率；因而，椰子水贮藏过程中的电导率谱图有一定的波动。但随着贮藏时间的延长，室温条件下椰子水的电导率比冰箱中贮藏的变化更明显，这是因为在较高温度条件下，大分子物质聚合的速度更快，使椰子水体系的稳定性降低更快，椰子水也更容易被氧化或发生腐败。
图7 4 ℃冰箱和20 ℃室温贮藏8 d的椰子水电导率谱图
Fig.7 Conductivity curves of coconut water stored for8 days at refrigerated temperature （4 ℃） and room temperature （20 ℃）
为了更清楚地了解贮藏环境对椰子水品质的影响，将在冰箱和室温条件下贮藏了8 d（本研究的最长贮藏时间）椰子水的电导率谱图进行比较，如图7所示，室温贮藏椰子水的电导率比冰箱中贮藏的高，两者大约相差5%。这一差异除了来源于温度对体系导电离子总数的影响，还源于温度对离子电导率的影响，因为强电解质的电导率与温度呈正比［28］；因此，室温条件下椰子水的电导率比冰箱中的高。
图8 椰子水4 ℃ 冰箱和20 ℃ 室温贮藏1～8 d的颜色变化
Fig.8 Color change of coconut water with different storage times ranging from1 day to8 days at refrigerated temperature （4 ℃） and room temperature （20 ℃）
由于电导率大小不能直接说明椰子水的品质是否变化，因而，利用感官结果进行辅助说明。图8显示，在室温和冰箱中贮藏1～8 d时椰子水的感官存在不同变化：室温条件下，第2天观察到椰子水由原来的无色透明变成粉红色（颜色均未显示）；而在冰箱环境下，第4天才观察到椰子水的粉红色现象。椰子水变成粉红色是因为过氧化物酶和多酚氧化酶的存在使其中的酚类物质氧化成醌而褐变。由于过氧化物酶和多酚氧化酶在室温的活性比在冰箱中的大［29］，所以室温条件下贮藏的椰子水先观察到粉红色。而椰子水中的酶促褐变等会影响其营养价值、风味和外观，因此可以得出结论，低温更利于开壳椰子水的贮藏，且在室温条件下可以贮藏1 d，而在冰箱中可以贮藏3 d。综上所述，颜色变化辅助说明椰子水在贮藏过程中其所含物质可能的变化会影响椰子水的介电性质，说明利用介电谱方法检测椰子水贮藏过程中的品质变化具有一定的可行性。
本实验研究了开壳后椰子水的介电性质与蔗糖质量浓度的依存关系，以及开壳后的椰子水在不同贮藏温度和时间条件下的介电谱图。发现这些椰子水体系在微波段都显示了一个与水分子取向极化相关的弛豫。通过分峰处理，发现束缚在生物分子水化层中的水分子也对该弛豫有贡献。通过研究椰子水电导率与蔗糖质量浓度的依存关系，以及结合水分子弛豫强度的变化，在椰子的成熟度以及椰子水保存时间判定上得出了以下结论：
1）随着蔗糖质量浓度的增加，椰子水的导电性降低，且降低关系满足κ =-0.012 7x+0.532关系，利用这个关系式，根据成熟期越长，所含蔗糖质量浓度越多的原理，可以判断椰子的相对成熟度。
2）椰子水的电导率和结合水弛豫强度的变化都可以反映椰子水品质的变化。电导率和结合水弛豫强度均随贮藏时间的延长而减小，且室温条件下的变化都比在冰箱中的更明显。
3）开壳后的椰子水随贮藏条件不同而发生的颜色变化，辅助说明椰子水在贮藏过程中，其所含物质的变化会影响椰子水的介电性质，且通过椰子水颜色出现明显变化的时间，得出开壳椰子水在室温可以贮藏1 d，而在冰箱中可以贮藏3 d的结论。
以上结论表明利用介电弛豫谱研究椰子水的性质，简单方便。这一研究为椰子的成熟度及贮藏时间的评估和品质检测提供了一个可参考的方法。但必须指出的是，因为椰子水的含糖量和成熟期的依存性随椰子的品种以及种植区域略有不同，因此本研究给出的结果仅仅是作为介电测量研究的建议方法。
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DOI:10.7506/spkx1002-6630-201614041
中图分类号：O645.16；O487
文献标志码：A
文章编号：1002-6630（2016）14-0225-06
收稿日期：2015-12-24
基金项目：国家自然科学基金面上项目（21173025；21473012）
作者简介：刘媛（1991—），女，硕士研究生，研究方向为农产品和食品领域的介电谱。E-mail：yuan_liu22@163.com
*通信作者：赵孔双（1955—），男，教授，博士，研究方向为胶体与界面化学和高分子膜的介电谱。E-mail：zhaoks@bnu.edu.cn
Assessment of Maturity and Storage Quality of Coconut by Dielectric Relaxation Spectroscopy
LIU Yuan1， GAO Yanyan1， YANG Man1， FAN Xiaoqing1， ZHAO Kongshuang1，*， ZHAO Shaojie2
（1.College of Chemistry， Beijing Normal University， Beijing 100875， China；2.State Key Laboratory of Remote Sensing Science， Beijing Normal University， Beijing 100875， China）
Abstract: The maturity， storage temperature and time of coconut water were investigated by dielectric relaxation spectroscopy.The sucrose concentration in coconut water was found to be related to its maturity， allowing the determination of the relative maturity of coconut water.The conductivity of coconut water decreased when the storage time was extended，and declined faster at room temperature， indicating that low temperature is favorable for the storage of coconut water.Besides， both free and bound water contributed to the relaxation of coconut water at microwave frequencies.The change in relaxation strength of bound water reflected the quality change of coconut water.The color change of coconut water indicated that coconut water could be stored for one day at room temperature and for three days in refrigerator.
Key words: dielectric relaxation spectroscopy； coconut water； maturity； storage； quality