《Applied Radiation and Isotopes》：Electrical impedance evaluation of gamma rays response for preservation of vegetables and fruits
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电气阻抗（EI）技术用于分析新鲜蔬菜水果提取物在γ辐照灭菌下的电特性，等效电路模型由并联电容和电阻组成。结果显示，10 kGy辐照下红洋葱皮平行电容下降53%，损耗因子上升64%，介电常数降低53%，表明γ辐照对植物提取物电学参数有显著影响，且EI技术可作为食品灭菌新方法。
A.F. Maged | N.L. Moussa
固态与电子加速器部门，国家辐射研究与技术中心（NCRRT），埃及原子能局，邮政信箱29号，开罗，埃及
摘要
对新鲜植物提取的蔬菜和水果进行电导率（EI）特性分析对于开发、评估、理解及预测它们与不同应用的相互作用至关重要。研究结果表明，所有提取的植物都具有由电容器和电阻器并联组成的等效电路。甲醇和蔬菜-水果提取物表现出类似半导体的行为。在高达10 kGy的伽马射线中等剂量范围内，并联电容C_p减少了约53%，而耗散因子DF增加了约64%。同时，红洋葱皮的相对介电常数ε_r减少了约53%。在伽马射线中等剂量范围内，植物的EI发生了显著变化。EI技术为食品杀菌提供了一种新的方法。
引言
EI技术可以被视为电阻率传感器的扩展。在众多用于表征天然提取物的测量技术中，EI非常强大，因为它可以用来模拟天然提取物的电学性质。基于电化学阻抗光谱学对柑橘类水果的机械损伤进行了无损检测（Feng等人，2025年）。还研究了利用电导率光谱学检测番茄茎中的水分含量：一项初步研究（Benhua等人，2025年）。EI简单且经济高效，能够揭示从生物分析到生物学和食品特性鉴定等一系列电物理性质（Randviir和Banks，2013年；Grossi和Ricco，2017年；Maged和Moussa，2025年）。人们研究了人体阻抗的等效电路模型及实际测量方法（Koyu等人，2015年）。已知水果、蔬菜、谷物和药用植物含有多种酚类化合物，这些化合物与抗氧化潜力密切相关（Dominika等人，2019年；Agnieszka等人，2020年）。
莫洛基亚叶（Corchorus olitorius）在民间医学中被广泛使用，因其被认为具有很高的营养价值和药用价值，可用于治疗多种疾病。在许多阿拉伯和非洲地区，人们将其新鲜或干燥后用于汤和炖菜中（Oboh等人，2009年；Alimi等人，2018年；Giro等人，2016年）。茄子具有多种颜色（紫色、紫黑色、绿色或斑驳色）和形状（长形、椭圆形或细长形）。研究表明，茄子中的主要酚类化合物对人类健康非常有益（Nesrin等人，2022年）。研究了红卷心菜和紫胡萝卜提取物的酚类化合物及其抗氧化和抗炎特性（Paulina等人，2016年；Bayan等人，2019年）。许多研究表明，饮用甜菜汁有助于降低血压（Zahra等人，2017年）。甜菜根及其成分的强大抗氧化、抗炎和血管保护作用已在多项体外和体内人体及动物研究中得到证实，因此它作为一种营养手段越来越受到重视，有助于预防心血管疾病和癌症（Tom等人，2015年）。一项随机、双盲、安慰剂对照研究探讨了洋葱皮提取物的抗氧化作用（Kyung-Ah和Jung-Eun，2015年）。薄荷（Mentha属）作为一种药用植物，具有多种健康益处，如预防癌症、抗肥胖、抗菌、抗炎和心脏保护作用，这得益于其抗氧化潜力以及低毒性和高效力（Irum等人，2022年）。
伽马辐照是最常用的辐射杀菌方法，适用于那些对高压灭菌高温敏感但能耐受电离辐射的材料。通过将包装物置于60Co辐射源周围一段时间来实现辐照。用于医疗器械杀菌的常用剂量为25 kGy。伽马辐照的杀菌效果取决于生物组织的氧化程度。这是一种简单、快速且有效的杀菌方法。然而，使用伽马辐照对生物聚合物进行杀菌会导致物理变化，包括脆化、变色、产生异味、变硬、软化、熔点变化以及分子量降低。Davood等人研究了不同种子含水量下小麦（Triticum aestivum L.）的形态学、生化和分子方面的影响（Davood等人，2022年）。图1展示了全球食品辐照的应用情况。
表1列出了几种典型应用、预期效果以及实现这些效果所需的剂量范围。表1中的剂量范围是不同产品类型/工艺的典型值；实际值取决于具体产品和工艺目标，由国家当局指定（Chmielewski和Haji-Saeid，2004年；Masefield，2004年；Morrissey和Herring，2002年）。伽马射线在材料基质中的传播涉及与宿主材料价层和核心原子电子的多次相互作用，导致其晶体结构发生变化，形成大量点缺陷（如电离和色心）。这些缺陷会以特定方式改变被辐照材料的微观和宏观性质，这通常被称为伽马辐射损伤（Maged等人，2015年；Maged和Nada，2022年；Maged等人，2019年；Maged等人，2020年；Maged等人，2021年；Maged等人，2022年）。研究了伽马辐照对棉和亚麻织物天然染色特性的影响（Laura等人，2018年）。Garrech等人研究了伽马射线辐照对用茜草染色的棉纤维颜色的影响（Garrech等人，2009年）。高达10.0 kGy的伽马辐照可抑制发芽、延缓果实成熟、阻止昆虫/寄生虫侵害、降低肉类中的病原体风险，并提高产品的卫生水平（见表1）。
研究了从红印花布叶子中提取天然染料的方法：伽马射线辅助处理可提高颜色的强度和耐久性（Ali等人，2014年）。研究了伽马射线暴露时间对小麦发芽和生长的生物学影响（Min等人，2022年）。医疗材料、组织移植物和食品样品在使用前必须进行杀菌（Rutala和Weber，2016年）。辐照杀菌方法应根据杀菌样品的目的和物理化学性质来选择（Shintani，2017年；Lambert等人，2011年）。尽管伽马辐射广泛用于医疗器械、微粉化羊膜注射产品和食品样品的杀菌（Singh等人，2016年；Briston和Wilson，1993年；Farkas，1998年），但有许多证据表明伽马辐射会对杀菌产品产生有害影响。食品受到病原微生物的污染是一个严重的公共卫生问题，对免疫系统受损的人群（如老年人、原发性或继发性免疫缺陷患者）造成巨大经济损失。
由于大多数植物含有多种具有强抗氧化活性的酚类化合物，因此本研究基于从物理角度探讨了低至中等剂量范围内的伽马辐照对食品植物的杀菌效果，使用了电导率技术。选择了四种蔬菜进行伽马辐照杀菌实验：其中两种含有叶绿素，另外两种含有花青素。本研究考察了蔬菜-水果提取物在高达10.0 kGy的伽马辐照范围内的电导率、等效电路、电容、电阻、耗散因子、相位角（差异）、电荷、热能和介电常数等参数的变化。
术语说明
电阻率
电阻率是材料的一种固有属性。然而，材料的电阻率会随温度变化而改变。电阻率可以定义为单位横截面积和单位长度的材料的电阻。
电容器原理
电容器的基本功能是储存电荷。电容器中的电荷量与施加的电压成正比。
电导率测量装置
双电极传感器的结构如图4所示，描述了电极长度< />、宽度d和面积A之间的关系。石墨电极的横截面为正方形（1.0 cm2），浸入长度为1.0 cm。所有蔬菜-水果提取物的体积样本均为40 mL。该双电极传感器使用去离子水进行了校准。在特定尺寸条件下测量了电导率：< />=A=d
甲醇
甲醇是一种天然成分，常见于苹果酒、梨酒、李子酒或樱桃酒等果酒中，也存在于咖啡浆制成的酒中（Patrik等人，2021年）。图7显示了温度对甲醇电阻率（ρ）和并联电容（Cp）的影响。在19-38 °C的温度范围内，甲醇的电阻率降低了61%。图7a显示电能耗散间隙为0.75 eV。
结论
本研究证明，在高达10.0 kGy的伽马辐照下，并联电容、耗散因子和相位角受到显著影响。红洋葱皮的并联电容减少了约53%，耗散因子增加了约64%；因此，在等效电路中电容器失去了其关键作用。红洋葱皮的相位角（弧度）增加了约63%。
CRediT作者贡献声明
A.F. Maged：撰写——原始草案。N.L. Moussa：方法论设计
未引用参考文献
Agnieszka等人，2020年；Bayan和Saad，2019年；Benhua等人，2024年；Garcia-Salas等人，2010年；Garrech和Ncib，2009年；Giro和Ferrante，2016年；Grossi和Ricco，2017年；Jianqing等人，2022年；Nina-Nicoleta等人，2021年；Ro等人，2015年。
利益冲突声明
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。
