張子涵 - 馮 濤 梁 義 馮麗麗 - 王 晶

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048)

薯片因其眾多的口味、酥脆的口感成為一種深受廣大消費(fèi)者喜愛(ài)的休閑食品，目前市場(chǎng)上油炸薯片、油炸玉米片的種類越來(lái)越多，薯片的硬度、酥度、脆度、韌性直接影響了消費(fèi)者的滿意度與食用體驗(yàn)，成為評(píng)價(jià)薯片品質(zhì)的重要指標(biāo)，酥脆度與薯片的組織結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)，在薯片的加工、銷售、貯藏過(guò)程中，保證其不被擠壓破損、受潮直接關(guān)系到薯片產(chǎn)品品質(zhì)的優(yōu)劣，針對(duì)薯片硬度、酥脆性、韌性等要素的研究也愈發(fā)受到重視[1]。

脆性這一屬性的判定在國(guó)內(nèi)外都還沒(méi)有確定的定義，總的可以歸結(jié)為兩點(diǎn)：① 脆性是一種力[2]；② 脆性是一種通過(guò)聲音特質(zhì)來(lái)判斷的屬性，是樣品受到外力作用斷裂發(fā)出的聲音[3]。薯片酥脆性的測(cè)量和評(píng)判方法主要分為感官方法和儀器方法[4]。感官方法是評(píng)價(jià)者對(duì)薯片產(chǎn)品的主觀評(píng)價(jià)，這種方法需要大量的評(píng)價(jià)人員來(lái)完成，操作有一定難度。儀器方法分為機(jī)械方法和聲學(xué)方法。機(jī)械方法是通過(guò)模擬牙齒咀嚼[5]的過(guò)程，采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)薯片施加外力使其發(fā)生形變破損來(lái)測(cè)量，得到這一過(guò)程中的力與時(shí)間之間的曲線，對(duì)曲線再進(jìn)行分析后得到反映其脆性的數(shù)據(jù)。這種測(cè)量方式可以量化薯片的脆性，更加科學(xué)，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是機(jī)械方法只能分析其物理屬性，不能直接反映薯片產(chǎn)品的酥脆程度、硬度與韌性等方面的特性，其數(shù)據(jù)結(jié)果與分析過(guò)程復(fù)雜[6]。聲學(xué)方法是通過(guò)分析薯片在被擠壓時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)來(lái)反映脆性[7]，通過(guò)對(duì)聲波信號(hào)的后處理即可得到相應(yīng)結(jié)論。相對(duì)而言，聲學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果分析更為直觀，更有助于消費(fèi)者區(qū)別脆性食品品質(zhì)的優(yōu)劣?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量曲線的斜率得到薯片脆性，初始斜率大的試樣其脆性較大，反之脆性較小。為研究薯片的脆性與其破損時(shí)發(fā)出的聲波信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)，擬以市面上常見(jiàn)的3種薯片產(chǎn)品作為研究對(duì)象，利用質(zhì)構(gòu)儀[8]的三點(diǎn)支撐試驗(yàn)進(jìn)行脆性測(cè)量，同時(shí)采集薯片破損時(shí)發(fā)出的聲波信號(hào)，從而得到薯片破損發(fā)出的聲音與其脆性之間的關(guān)系，旨在為脆性食品的研究、品質(zhì)控制以及標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

薯片：市售某品牌袋裝薯片與桶裝薯片。

1.2 測(cè)試儀器

數(shù)據(jù)采集前端：B&K3560B型，丹麥Bruel&Kjaer公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA.XTPlus型，英國(guó)Stable Micro System公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的選擇 選擇標(biāo)準(zhǔn)：相同口味不同形狀的薯片產(chǎn)品，不同口味相同形狀的薯片產(chǎn)品等。

1.3.2 物性測(cè)試儀的設(shè)定 采用三點(diǎn)支撐法模擬牙齒咀嚼的試驗(yàn)過(guò)程，在下壓過(guò)程中測(cè)試力的大小為0.2 N；測(cè)試前速度采用默認(rèn)速度設(shè)置，測(cè)試不同薯片產(chǎn)品的速度不變；測(cè)試距離為20 mm；感應(yīng)力量程為100 N[8]。

1.3.3 聲音數(shù)據(jù)采集前端的設(shè)定 聲信號(hào)采集在物性測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行。信號(hào)采集時(shí)長(zhǎng)為30 s；頻譜分析帶寬為12.8 kHz，分析精度為800線。

1.3.4 測(cè)量結(jié)果指標(biāo)的選擇 樣品在測(cè)量之后，物性測(cè)試儀可以得到力-時(shí)間曲線，通過(guò)曲線可以直觀得到最大力(force)以及面積(area)[9]。聲振數(shù)據(jù)采集前端可以得到薯片產(chǎn)品破碎時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)在時(shí)域與頻域上的曲線圖，見(jiàn)圖1。力與時(shí)間示意圖中特性參數(shù)的描述見(jiàn)表1。

圖1 力-時(shí)間曲線圖Figure 1 Force-Time curve表1 力-時(shí)間曲線中的參數(shù)意義Table 1 Meaning of parameters in Force-Time curve

參數(shù)注釋最大剪切力曲線中的最大力，表示在下壓過(guò)程中樣品的斷裂力，可用來(lái)表示硬度達(dá)到最大剪切力的距離達(dá)到最大力的距離，反映了脆度面積破斷樣品所做的功，可反映韌性剪切力做功達(dá)到最大力處的斜率，反映剛性、脆性，用來(lái)表示樣品易碎性

1.3.5 聲音信號(hào)的采集 馬鈴薯片經(jīng)過(guò)烹炸或烤制得到脆口的薯片產(chǎn)品之后，會(huì)在內(nèi)部形成空腔結(jié)構(gòu)，外部較硬脆，這樣的結(jié)構(gòu)在受到外力時(shí)，往往不會(huì)發(fā)生形變彎曲就直接破損斷裂。這一過(guò)程會(huì)發(fā)生相應(yīng)的振動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生聲輻射。而在評(píng)判薯片斷裂時(shí)發(fā)出的聲音與其脆性之間的關(guān)聯(lián)時(shí)，一般有2種主要的判斷方法：① 感官判斷，在咀嚼過(guò)程中牙齒咬合時(shí)，在沒(méi)有完全吞沒(méi)之前，聲音通過(guò)骨骼傳導(dǎo)和空氣傳導(dǎo)的共同記錄和分析；② 聲波信號(hào)的研究，在進(jìn)行質(zhì)構(gòu)儀的壓迫試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行薯片破損時(shí)發(fā)出的聲音信號(hào)的采集，可以得到聲波信號(hào)的振幅-時(shí)間曲線圖和振幅-頻率曲線圖，后者是前者進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)[10]后得到的，這2種聲波圖形結(jié)合起來(lái)，可以提供大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而得到薯片產(chǎn)品脆性與聲學(xué)特性之間的關(guān)系。

聲波通過(guò)數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行采集，與質(zhì)構(gòu)儀的三點(diǎn)支撐試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，傳感器距桌面高度為16 mm，放置于距離質(zhì)構(gòu)儀樣品放置處20 mm。利用計(jì)算機(jī)Pulse軟件進(jìn)行聲音的收錄、編輯及儲(chǔ)存功能。采樣頻率為65 536 Hz，采樣頻率越高，采集聲音樣本的時(shí)間間隔越短，單位時(shí)間內(nèi)采集的聲音樣本數(shù)量越多，可以描述出更加精確的聲音波形圖[11]。試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

1. 計(jì)算機(jī) 2. 質(zhì)構(gòu)儀 3. 聲音傳感器 4. 探頭圖2 薯片測(cè)試與聲音信號(hào)采集基本流程Figure 2 Basic process of potato chips testing and sound signal collection

1.3.6 數(shù)據(jù)分析方法 用Matlab軟件對(duì)測(cè)得每片薯片斷裂聲聲壓值進(jìn)行時(shí)域和頻域的處理，并對(duì)其質(zhì)構(gòu)特性與斷裂聲聲壓值進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，求其Pearson系數(shù)，公式為：

(1)

式中：

r——Pearson系數(shù)；

xi——各個(gè)頻率的隔聲聲壓值，dB；

yi——各個(gè)薯片質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)值；

選取最大的Pearson系數(shù)所對(duì)應(yīng)的頻率，對(duì)該頻率的質(zhì)構(gòu)特性與斷裂聲聲壓值進(jìn)行最小二乘法回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果處理

選取相同的剪切探頭、相同的參數(shù)測(cè)定3種薯片產(chǎn)品，為了測(cè)試薯片在環(huán)境中水分揮發(fā)對(duì)其脆度的影響，試驗(yàn)分為5組進(jìn)行，每組試驗(yàn)同一口味薯片測(cè)試2片，時(shí)間間隔為2 h，備測(cè)薯片放置于同一環(huán)境條件下，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，袋裝原味薯片的硬度最大，其次是桶裝原味薯片，桶裝烤肉味薯片硬度最小；達(dá)到最大力的距離桶裝烤肉味薯片最大，桶裝原味薯片其次，且兩者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于袋裝原味薯片；袋裝原味薯片的韌性是最大的，桶裝烤肉味薯片和桶裝原味薯片其次，且相差不大。袋裝薯片的硬度比桶裝薯片硬度明顯更大，韌性也更好，而達(dá)到最大力的距離卻明顯小于桶裝薯片；而相比薯片種類，口味對(duì)于薯片特性的影響并不顯著，四項(xiàng)參量的數(shù)據(jù)都顯示相差不大，口味對(duì)于薯片物理特性有所影響，但相對(duì)于以上兩個(gè)因素可以忽略。

試驗(yàn)也進(jìn)行了時(shí)效性[13]的比較，每間隔2 h做一組試驗(yàn)，每組3種口味分別選取2片樣本薯片進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)之前先將所有樣本薯片挑選出來(lái)，放置在同一室內(nèi)(溫度為24 ℃、空氣濕度26%)，以保證薯片的水分、油分蒸發(fā)的速度一樣。試驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)時(shí)間段測(cè)得的硬度數(shù)據(jù)，與時(shí)間并沒(méi)有呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明薯片包含的水分不多，水分作為影響脆性的重要因素，在本次試驗(yàn)中并不作為重點(diǎn)指標(biāo)討論。

表2 采用咬合探頭對(duì)不同樣品的測(cè)試結(jié)果

2.2 聲音信號(hào)的處理結(jié)果

通過(guò)傅里葉變換可以顯示在試驗(yàn)中收取聲音信號(hào)的時(shí)間內(nèi)，頻率能量的分布情況[14]，見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，在頻率1 360 Hz處，有最大聲壓級(jí)58.71 dB，說(shuō)明在這個(gè)頻率上，聲音能量最大。將全部(33組)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)之后得到表3。

樣品為桶裝原味薯片圖3 第一次薯片樣品試驗(yàn)的時(shí)域圖和頻域圖Figure 3 Frequency plot of the first potato chips testing

在時(shí)間維度上比較3種薯片產(chǎn)品隨時(shí)間的變化，在空氣中存放，其脆度變化并沒(méi)有明顯規(guī)律可循，每種薯片所選取樣品本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀疏程度不同導(dǎo)致其破損時(shí)發(fā)出的聲波聲壓級(jí)有較大差別[15]。由最大剪切力與聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)聲壓級(jí)高時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最大剪切力也大，最大剪切力做功也大，但不是呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。故聲音大小與高低在一定程度上可以反映薯片產(chǎn)品的脆性程度。

表3 3種薯片試樣所得聲壓級(jí)結(jié)果

2.3 相關(guān)性分析及最小二乘法回歸分析

在薯片斷裂聲試驗(yàn)中，得到了3種薯片的斷裂聲聲壓級(jí)變化，并且分別對(duì)其硬度、脆度及韌性3種屬性與聲壓級(jí)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析[16]，計(jì)算其相關(guān)性系數(shù)范圍見(jiàn)表4。

根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)，3種薯片樣品在硬度、脆度以及韌性3個(gè)屬性與其斷裂聲聲壓級(jí)的相關(guān)性呈現(xiàn)出不確定性，桶裝原味薯片的斷裂聲聲壓級(jí)與其屬性呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，而剩下2種薯片則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性或弱相關(guān)性[17]；3種屬性之間對(duì)比來(lái)看，脆度與斷裂聲聲壓級(jí)的相關(guān)性呈現(xiàn)中度或較強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)性要高于其他2個(gè)屬性。分別對(duì)斷裂聲聲壓級(jí)與3種薯片的硬度、脆度及韌性進(jìn)行最小二乘法回歸分析。

根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，樣本點(diǎn)零散的分布在最小二乘法回歸直線兩邊，沒(méi)有特定的規(guī)律，說(shuō)明薯片的斷裂聲聲壓級(jí)特性與其硬度、脆度與韌性不具有線性關(guān)系。

3 結(jié)論

(1) 對(duì)比薯片剪切試驗(yàn)與聲波采集試驗(yàn)可以看出，破損時(shí)發(fā)出較大聲波的薯片對(duì)應(yīng)的最大剪切力與最大剪切力做功較大，要比發(fā)出小聲波的更脆、斷裂更加明顯。所以，通過(guò)咀嚼過(guò)程中發(fā)出的聲音大小與高低來(lái)判斷薯片產(chǎn)品的脆性有一定科學(xué)性。但是脆度反映在聲壓上沒(méi)有較明顯的規(guī)律可循，機(jī)械測(cè)試方法能更直觀方便地測(cè)試脆性食品的脆度。

表4 不同質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性系數(shù)

圖4 質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與聲壓級(jí)回歸分析圖

Figure 4 Regression analysis chart of textural characteristic parameters and sound pressure coefficient at different frequencies

(2) 薯片本身的硬度、脆度及韌性與其斷裂時(shí)發(fā)出的斷裂聲之間并沒(méi)有直接線性關(guān)系。

(3) 脆度是一種人的多種感官對(duì)脆性食品的復(fù)雜感知，聽(tīng)覺(jué)信號(hào)是其中的重要組成部分，因此在進(jìn)行脆性食品的脆度評(píng)判時(shí)，將聽(tīng)覺(jué)評(píng)價(jià)與儀器測(cè)試結(jié)合起來(lái)，會(huì)得到更加全面的評(píng)價(jià)，既能得到脆性食品的力學(xué)特性，又能與主觀評(píng)價(jià)形成對(duì)應(yīng)參考。

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