康效寧李 梁吉建邦

KANG Xiao-ning1 LI Liang2 JI Jian-bang1

(1. 海南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)計研究所，海南 海口 571100； 2. 西藏農(nóng)牧學院食品科學學院，西藏 林芝 860000)

(1. Institute of Processing & Design of Agroproducts, Hainan Academy of Agricultural Sciences, Haikou, Hainan 571100, China; 2. Food Science College, Tibet Agriculture & Animal Husbandry University, Nyingchi, Tibet 860000, China)

檳榔(ArecacatechuL.)是棕櫚科植物成熟種子，四大南藥之一[1-2]?！侗静菥V目》記載檳榔有“下水腫、通關(guān)節(jié)、健脾調(diào)中、治心痛積聚”的作用，還具有治療青光眼和降血壓等功效[3-5]。主產(chǎn)于印度、馬來西亞等東南亞國家，在中國主要分布于海南和臺灣兩省。海南省檳榔種植面積約1.5×105hm2，年總產(chǎn)值超過150億元人民幣，居海南第一大熱帶經(jīng)濟作物，遠超傳統(tǒng)經(jīng)濟作物天然橡膠[6]。

檳榔雖然是四大南藥，但只有極少部分進入藥材市場，絕大部分都用于鮮食和檳榔加工。檳榔加工分為兩個階段，第一階段是將采摘后的鮮果烘干成干果的初級加工，第二階段是把檳榔干果經(jīng)深加工成食用檳榔產(chǎn)品[7-8]。食用檳榔口感豐富，具有提神抗疲勞之功效，深受中國海南、湖南等地消費者的喜愛，享有“植物口香糖”之稱。作為一個有著300年以上食用歷史的傳統(tǒng)產(chǎn)品，人們對其褒貶不一。有報告[9-10]指出：長期、大量咀嚼食用檳榔，會損傷口腔組織黏膜，引發(fā)牙體表面磨損、牙根縱裂、牙齒過早脫落和口腔黏膜損傷等口腔疾病。其中的焦點問題之一就是食用檳榔的纖維層在咀嚼過程會對口腔黏膜產(chǎn)生強烈的物理性刺激，導致?lián)p傷，引發(fā)疾病。因此食用檳榔加工過程中的纖維層軟化問題成為檳榔產(chǎn)業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)，纖維層的柔軟程度也成為評價食用檳榔質(zhì)量好壞的重要指標。

食用檳榔加工過程中有多種軟化技術(shù)，但因沒有科學、客觀的柔軟度評價標準和方法，只能通過技術(shù)人員的主觀咀嚼做出評定，對軟化新技術(shù)評價造成難點[11-12]。探索出一種以量值客觀表示纖維柔軟度評價體系已成為檳榔加工學科發(fā)展的重要理論基礎(chǔ)。質(zhì)地多面分析法(TPA)研究了檳榔纖維層的含水量與質(zhì)構(gòu)特性的關(guān)系[13]，李小城等[14]采用三點彎曲法研究了小麥莖桿的彎曲特性，姜松等[15]研究了面條的彈性模量與感官評價的關(guān)系等報道指出，三點彎曲法[16]已在餅干、榨菜、糙米等食品的力學特性分析中發(fā)揮重要作用，但在探討檳榔纖維力學性質(zhì)中還未見報道。本研究擬采用物性質(zhì)構(gòu)儀三點彎曲法，建立評價檳榔纖維層力學特性的新方法，為食用檳榔纖維軟化技術(shù)研究和食用檳榔的感官評價提供一定理論支撐，并通過60Co-γ射線輻照處理食用檳榔驗證此方法的客觀性和科學性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

檳榔干果：購自海南省萬寧市某加工企業(yè)，為熱風干燥干果。挑選出尺寸、外形均勻一致的干果作為試樣。其中試樣在去除萼部后縱徑為(4.75±0.25) cm，直徑為(1.96±0.15) cm，重量為(5.50±0.80) g，含水量為(9.80±0.50)%。

1.2 試驗設(shè)備

質(zhì)構(gòu)儀：TMS-PRO型，采用0～1 000 N的力量轉(zhuǎn)換感應(yīng)元及配套的三點彎曲測定平臺，美國FTC公司；

掃描電子顯微鏡：S-3000N型，日本日立集團；

60Co-γ射線工業(yè)輻照裝置(見圖1)：SQ(H)懸掛鏈式，北京原子高科金輝輻射技術(shù)應(yīng)用有限責任公司；

1. 輻照室頂屏蔽塞 2. 輻照室 3. 屏蔽體 4. 通風系統(tǒng) 5. 水處理系統(tǒng) 6. 液壓升降系統(tǒng) 7. 空壓機 8. 控制操作臺 9. 儲源井 10. 源架 11. 運輸容器 12. 懸掛傳輸鏈 13. 裝箱位 14. 貨箱 15. 裝貨位 16. 傳送帶 17. 卸貨位 18. 卸箱位 19. 吊具 20. 貨物通道自動門 21. 迷道 22. 過源機構(gòu)

圖1 SQ(H)懸掛鏈式60Co-γ射線工業(yè)輻照裝置

Figure 1 SQ(H) suspension-type60Co-gamma ray industry radiation facility

電子分析天平：ME1002/02型，量程為0.5～1 200 g，精確度為0.01 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；

水浴鍋：HH-6型，金壇市鴻科儀器廠；

水分測定儀：DS103型，上海市?？祪x器廠；

數(shù)顯游標卡尺：量程為0～150 mm，精確度為0.01 mm，上海寶工工具有限公司；

電熱鼓風干燥箱：101系列型，上海葉托儀器公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗原理 三點彎曲法測定原理是質(zhì)構(gòu)儀帶動探頭垂直向下運動，由牛頓第三定律可知探頭與樣品接觸后二者之間產(chǎn)生一對大小相同，方向相反的力。在樣品彎曲的過程中，探頭連接的力量感應(yīng)元可以感知樣品所受的力，質(zhì)構(gòu)儀依此繪制出該力與樣品彎曲位移關(guān)系曲線圖，見圖2。

1.3.2 樣品彈性模量的計算 檳榔干果呈橄欖形且內(nèi)部存在干癟的仁，外殼纖維層縱切界面呈現(xiàn)具有一定彎曲的弧度，纖維層的橫切面也具有一定的弧度。在測量彈性模量和抗彎剛度時，質(zhì)構(gòu)儀傳感器探頭位于兩支架跨度中點上方的垂直位置，測量位置為樣品縱徑的中點，樣品的外表層朝下，內(nèi)表層朝上。

1. 探頭連接桿 2. 探頭連接螺絲 3. 探頭 4. 樣品 5. 支撐立壁 6. 立壁固定桿 7. 跨度調(diào)節(jié)旋鈕 8. 平臺固定旋鈕 9. 平臺底座

圖2 三點彎曲法裝置示意圖

Figure 2 Schematic diagram of three-point bending method

由三點彎曲原理[17]可知，檳榔干果纖維層的彈性模量E可由式(1)計算：

(1)

式中：

Fb——質(zhì)構(gòu)儀在樣品彈性階段內(nèi)的跨中位置測得的載荷，N；

L——下方2個支撐點之間的距離，mm；

δ——樣品中點的彎曲撓度，即在樣品中點在彈性階段內(nèi)的位移，mm；

b——試樣寬度，mm；

h——試樣厚度，mm。

樣品經(jīng)過復水預處理后，使用美工刀和數(shù)顯游標卡尺修整出不同寬度的待測樣品。其中，TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀的測定參數(shù)為：起始力1 N，跨度20 mm，測前和測后速度30 mm/min，測定速度60 mm/min，下壓和回程距離4 mm。

1.3.3 樣品寬度與彈性模量試驗 由于市售食用檳榔的含水量為20%左右，為方便在后期直接研究成品檳榔彎曲特性與感官評價的關(guān)聯(lián)性，因此除了研究含水量對檳榔柔軟度的影響之外，其他處理均采取煮沸復水法將樣品的含水量恢復到20%。選擇樣品寬度分別為5，6，7，8，9，10，11 mm，且樣品厚度為(2.90±0.45) mm。質(zhì)構(gòu)測定條件參見1.3.2部分，每種樣品重復3次。

1.3.4 不同含水量與樣品彈性模量試驗 樣品經(jīng)過不同時間的煮沸復水處理得到含水量分別為15%，20%，25%，30%，35%的樣品，在進行三點彎曲測定時，所有樣品的寬度固定在9 mm，厚度為(2.90±0.45) mm。測定條件參見1.3.2部分，每種樣品重復3次。

1.3.5 測試速度與彈性模量試驗 起始力為質(zhì)構(gòu)儀由測前速度轉(zhuǎn)換為測試速度的閾值，由于檳榔干果纖維層較硬，因此將其起始力選為1 N。前期的大量試驗確定了跨度為20 mm 時較為適宜，由于測前和測后速度不會影響結(jié)果，考慮到測前和測后速度與測試速度的轉(zhuǎn)換銜接，將二者定為30 mm/min。此外，由于研究的彈性模量要求樣品彎曲處于彈性階段，結(jié)合前期試驗和考慮到測試速度與實用性，當下壓距離為4 mm時即可滿足上述要求。本試驗只研究測試速度對彈性模量的影響，試驗設(shè)定待測樣品的含水量為20%，樣品寬度為9 mm，測試速度分別選為30，60，90，120，150 mm/min。其他測試條件與1.3.2部分相同，每種樣品重復3次。

1.3.6 感官評價與三點彎曲法測定效果比較 三點彎曲法測定檳榔柔軟度與感官評價對比。試驗設(shè)計了感官評價表，并對每項指標設(shè)定評分標準及權(quán)重，感官評價由20位年齡在25～35歲的評價員分別對5組不同柔軟度檳榔干果進行感官評價；同時運用三點彎曲法分別對5組檳榔干果進行纖維柔軟度測定，計算其彈性模量。

感官評價指標評分標準：

(1) 扎口：8～10為不扎口；5～8為一般扎口；少于5為很扎口。

(2) 咀嚼性：8～10為入口即散，耐咀嚼；5～8為一般耐咀嚼；少于5為不耐咀嚼。

(3) 殘渣：滿口殘渣，無法咀嚼為0；殘渣較多，尚可咀嚼為1～2；殘渣可接受為3～4；殘渣可接受，咀嚼有韌性為5～8；殘渣少，咀嚼有韌性為8～10。

1.3.7 感官評價指標權(quán)重系數(shù) 根據(jù)各評價指標的重要性，采用強制確定法，請15名檳榔行業(yè)資深從業(yè)人員對樣品的扎口、咀嚼性和殘渣進行權(quán)重確定，求出其權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 評價指標權(quán)重系數(shù)

根據(jù)檳榔行業(yè)資深從業(yè)人員確定扎口、咀嚼性和殘渣的權(quán)重，感官評分計算公式為：

S=0.29×A+0.44×B+0.27×C，

(2)

式中：

S——感官評分；

A——扎口；

B——咀嚼性；

C——殘渣。

規(guī)定感官評分在8～10為柔軟，5～8為一般柔軟，少于5為粗硬。

1.4 輻照樣品設(shè)置與處理

試驗設(shè)置對照：0 kGy；處理1：3 kGy；處理2：6 kGy；處理3：9 kGy，每個處理1.5 kg真空包裝，輻照結(jié)束后測試樣品纖維結(jié)構(gòu)、柔軟度和感官評價，試驗設(shè)置2次重復。

1.5 掃描電子顯微鏡樣品檢測方法

從對照及3個不同輻照處理的檳榔干果中隨機采集2個樣品，用專用刀具先把檳榔干果一分為二，再切成2 mm×2 mm大小，每個處理做橫切和縱切樣品，橫切和縱切樣品來自同一果片，固定在觀察臺上，利用高壓涂膜裝置噴金處理，然后在掃描電鏡下觀察檳榔干果纖維結(jié)構(gòu)特征，圖片放大倍數(shù)500倍。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.6進行數(shù)據(jù)分析并作圖，計算標準誤差。利用SPSS 19.0軟件進行顯著性差異分析。P<0.01表示差異極顯著；P<0.05表示差異顯著；P>0.05表示差異不顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品寬度對彈性模量的影響

由式(1)可知，彈性模量是纖維層在單位截面積上的一種性能指標，理論上與樣品的寬度和厚度無關(guān)。經(jīng)過Spss軟件分析不同樣品寬度的彈性模量后，發(fā)現(xiàn)不同寬度樣品的彈性模量之間未出現(xiàn)顯著差異(P<0.01)，符合彈性模量的理論定義。但是，由圖3中可知，不同寬度樣品彈性模量的相對標準差中卻存在很大的不同。相對標準差值在樣品寬度為5～7 mm時上升，在7～9 mm時下降，隨后又上升。其中樣品寬度為9 mm時的相對偏差值最小，為3.65%。在操作誤差和系統(tǒng)誤差一致的前提下，當樣品寬度較小時，測量值與真實值的相對偏差較大，進而使得最終結(jié)果的相對偏差較大。而在7 mm處出現(xiàn)的相對誤差值高峰可能與操作誤差有關(guān)。由于整個檳榔果實纖維層的橫向截面為圓環(huán)形。寬度越大，樣品的截面越加偏離矩形，從而降低了式(1)的適用性，由此認為樣品9 mm為較適宜寬度。

圖3 樣品寬度對彈性模量和相對標準差的影響分析曲線圖

Figure 3 Effect of sample width on the determination of elastic modulus (MOE) and relative standard error (RSD)

2.2 樣品纖維層含水量對彈性模量的影響

經(jīng)過Spss軟件分析可知不同樣品纖維層含水量與彈性模量之間存在顯著差異(P<0.05)，并且二者還存在負相關(guān)線性關(guān)系。如圖4所示，樣品纖維層含水量與彈性模量之間的關(guān)系式為Y=-5.092X+239.133,R2=0.989 41。作為一種植物纖維層，檳榔干果纖維層的主要成分包括半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和果膠等物質(zhì)，纖維細胞在木質(zhì)化后變得堅硬牢固，電鏡觀察發(fā)現(xiàn)檳榔干果纖維層中的纖維束在縱向方向上表現(xiàn)出一致的走向，以及各纖維束之間出現(xiàn)了相互纏繞、疊壓等現(xiàn)象，纖維束本身以及之間的相互作用影響纖維層彈性模量。纖維層的含水量增加后，其中的果膠、纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)組織細胞在與水結(jié)合后會出現(xiàn)膨脹，纖維束之間的作用力減弱，體積增大，當樣品的尺寸相同時，含水量越大樣品體積愈大，因此確定樣品的含水量對測定樣品彈性模量意義重大。

2.3 測試速度對彈性模量的影響

在質(zhì)構(gòu)儀檢測探頭接觸樣品前，探頭以測前速度向下運動。當探頭接觸樣品后，所受力大于設(shè)定的起始力后，探頭的速度由測前速度變化為測試速度，直至達到設(shè)定的下壓距離。隨后探頭以測后速度上升至初始位置，完成整個測試過程。由于檢測探頭在測前與測后階段同樣品不接觸，因此二者不會影響測試結(jié)果?？紤]儀器特性和實際操作，將二者均設(shè)為30 mm/min。由圖5可知，不同測試速度的彈性模量測量結(jié)果之間不存在顯著差異。即測試速度不影響最終的測試結(jié)果。在考慮了測試時間和測前、測后與測試速度的轉(zhuǎn)換銜接等綜合因素后，確定60 mm/min做為檳榔干果樣品彈性模量測試參數(shù)。

圖4 樣品含水量對彈性模量的影響分析曲線圖

2.4 感官評判與三點彎曲法測定效果比較分析

感官評判與三點彎曲法測定效果比較結(jié)果見表2。

圖5 測試速度對彈性模量的影響分析曲線圖

組別扎口咀嚼性殘渣感官評分彈性模量/GPa14.1±0.2a4.6±0.2a3.8±0.2a4.24±0.21a179.83±9.14a26.3±0.4b7.5±0.5b6.7±0.4b6.94±0.42b148.67±7.42b37.8±0.3c7.1±0.3b6.3±0.3b7.09±0.28b139.78±7.11c48.2±0.4c7.8±0.4b8.0±0.4c7.97±0.40c121.71±6.09c59.4±0.6d9.0±0.5c9.5±0.5d9.25±0.55d83.75±4.19d

? 同列不同肩標小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表2結(jié)果表明，彈性模量越小，咀嚼性越好，無扎口感，檳榔干果的柔軟度就好，當彈性模量在100 GPa左右時，檳榔干果的柔軟度基本可以滿足嚼食要求，對口腔組織產(chǎn)生的損害較小。因此，本研究提出的三點彎曲法測定檳榔柔軟度的方法以量化指標反映出檳榔纖維的柔軟程度，為檳榔干果和食用檳榔柔軟度評價提供了一個客觀和科學測定方法。

2.5 輻射劑量對檳榔干果纖維素結(jié)構(gòu)SEM和質(zhì)構(gòu)的影響

有研究[11-12]認為：纖維素經(jīng)輻照后，木材的機械性能下降，吸濕性增加。為了驗證三點彎曲法測定檳榔纖維層柔軟度的客觀性和精確性，用不同劑量60Co-γ射線對檳榔纖維層進行輻照處理，通過電鏡掃描圖(SEM)分析纖維層結(jié)構(gòu)變化與彈性模量變化的對應(yīng)關(guān)系。試驗發(fā)現(xiàn)一定強度輻照對檳榔纖維層結(jié)構(gòu)有明顯的影響，詳見圖6、7。檳榔縱切500倍觀察發(fā)現(xiàn)，對照組檳榔纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間均勻銜接緊密，密度相對較大；3 kGy處理后檳榔出現(xiàn)條狀銜接，密度相對變小，出現(xiàn)條狀空隙；6 kGy處理后檳榔纖維內(nèi)部條狀結(jié)構(gòu)有被打斷跡象，間隙變大，密度變小；9 kGy處理檳榔纖維內(nèi)部條狀結(jié)構(gòu)消失，出現(xiàn)均勻間隙，密度相對均勻變小。

檳榔橫切面500倍(圖7)觀察顯示，對照組橫切面條理清晰明確，纖維與纖維之間分隔明顯，間隙不大，單根纖維內(nèi)部緊實均勻；3 kGy處理后檳榔橫切面也可以明顯觀察到單根纖維，纖維與纖維之間縫隙變大，并且單根纖維內(nèi)部出現(xiàn)縫隙；6 kGy處理后纖維與纖維之間邊界模糊，單根纖維內(nèi)部也存在相比對照較大間隙；9 kGy處理后纖維邊界完全無法分辨，間隙均勻變大。從圖6、7可以看出，輻照對檳榔纖維層結(jié)構(gòu)有明顯影響，在一定范圍內(nèi)引起了纖維層結(jié)構(gòu)趨于松散。說明輻照引起了檳榔纖維層機械性能下降。試驗對應(yīng)測定了對照與各樣品的彈性模量，見圖8。從圖8中可以看出，隨著輻照強度增加，樣品彈性模量下降。因此分析認為，輻射打斷了纖維束和纖維分子之間的氫鍵，使檳榔纖維層聚合度減小，機械強度下降。從纖維層電鏡掃描圖可知纖維層機械性能下降與彈性模量趨于一致，因此認為用三點彎曲法測定檳榔榔干果纖維柔軟度是客觀和科學的方法。

圖6 檳榔干果縱切500倍纖維結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片

圖7 檳榔干果橫切500倍纖維結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡照片

圖8 不同輻照試驗處理與彈性模量的關(guān)系圖

Figure 8 The relationship between the different irradiation experimental treatment and elastic modulus

3 結(jié)論

試驗對影響測試彈性模量的樣品寬度、含水量和試測速度研究結(jié)果認為：檳榔干果纖維層的彈性模量與待測樣品的寬度無關(guān)，測試速度不會明顯影響樣品彈性模量，樣品的含水量顯著影響樣品的彈性模量，且二者之間存在負相關(guān)的線性關(guān)系。這說明測試樣品的含水量保持一致性很重要，盡管樣品寬度對彈性模量結(jié)果影響不顯著，但并不表明樣品寬度限定不重要，樣品測定時也要保持一致性。難點是檳榔纖維層由于成熟度、品種等因素導致纖維層厚度會有一定差異，也會影響數(shù)據(jù)的精準性，因此在研究時盡量使用相同成熟度和品種一致的果實。作為一種簡單有效的測量手段，該方法可直接量化檳榔干果和食用檳榔纖維的柔軟度。