基于心理物理學的食品硬度參比樣建立研究

趙 鐳，解 楠，汪厚銀，支瑞聰，史波林

（中國標準化研究院食品與農業標準化研究所，北京 102200）

基于心理物理學的食品硬度參比樣建立研究

趙 鐳，解 楠，汪厚銀，支瑞聰，史波林

（中國標準化研究院食品與農業標準化研究所，北京 102200）

硬度是食品重要的質地特性，參比樣是統一對感官特性及其強度認識和評價的基礎。目前國際以及我國國家標準中質地特性參比樣的建立主要基于西方飲食習慣，不少產品在國內難以獲得且不為人們所熟悉，因此建立適合我國國情的食品質地特性參比樣十分必要。本研究以構建食品硬度參比樣為例，建立統計分析與質地剖面分析（texture profile analysis，TPA）相結合的參比樣快速篩選方法，通過對樣品硬度儀器測量值的聚類分析、主成分分析和方差分析，對符合參比樣原則要求（如典型性、代表性、穩定性等）的樣品進行篩選，同時選用10 人定量描述分析小組，采用15 cm線性標度對篩選出的樣品進行感官評價。最終從16 類100多種硬度備選參比樣中確定出9 個硬度參比樣，分別是白玉北豆腐、蠟筆小新果味果凍、金鑼魚肉火腿腸、恒慧雞蛋干、北京一鳴馬蹄罐頭、惠宜香脆花生、中糧大杏仁、瑞士糖和北京二商單晶冰糖，其硬度的感官標度值分別為：1.0、2.4、4.3、5.6、7.4、9.8、10.8、12.2、14.0。硬度的感官標度值的自然對數與儀器測量值的自然對數之間存在線性關系：y＝0.46x－2.424（R2＝0.977），符合心理物理學定律。食品硬度參比樣的建立不僅為我國食品硬度感官評價提供了一把統一的“尺子”，也為其他感官特性參比樣的建立提供了研究思路和技術方法。

硬度；質地；參比樣；感官分析；心理物理學

食品質地屬性是來源于食品結構的一組物理特性，這些特性主要通過觸覺來感知，與食品的變形、分解和在力作用下的流動有關，可以由質量、時間和距離的作用來客觀地衡量[1]。為了對食品質地特性進行半定量分析，1962年，著名的感官分析專家Szczesniak教授[2]分別確定了硬性、黏性、碎裂性、咀嚼性、膠黏性和黏附性等食品質地特性參比樣。之后，哥倫比亞、阿根廷等國家根據本國國情，選用了一些本土食品對該參比樣進行了不同程度的替換調整[3-5]。1993年，沈月新等[6]也選用當時中國國內市場的食品產品較為系統地建立了一套我國的食品質地參比樣。1994年，國際標準化組織農產食品技術委員會感官分析技術分委員會（ISO/TC 34/SC 12）頒布了ISO 11036:1994《感官分析 方法學 質地剖面檢驗》[7]國際標準。該標準主要基于Szczesniak提出的質地參比樣，給出了9 點硬度標度、8 點黏聚性標度、8 點黏度標度、5 點彈性標度、7 點碎裂性標度、7 點咀嚼性標度、5 點膠黏性標度和5 點黏附性標度參比樣品。1997年，我國對該標準進行了等同采用，頒布了GB/T 16860—1997《感官分析方法 質地剖面檢驗》[8]，引進了國際標準中的食品質地參比樣。分析上述參比樣，不難發現，國外質地特性的參比樣主要是基于西方人的感覺和日常飲食習慣，建立的實物參比基本上是國外食品，不僅在國內市場難以找到，而且即便找到，由于不常食用，國人對其也不熟悉。而國內于1993年建立的參比樣雖然選材來自于本土食品，但所選取的食品區域局限性較強，不夠普遍。此外，隨著我國食品工業的發展、國人消費習慣的改變、食品企業自身的變化，許多產品已經停產，不少品牌已退出市場。因此，從中國人的飲食習慣、國內市場食品產品現狀，以及中西方生理、語言、文化等眾多方面的差異出發，重新研究建立我國食品質地特性參比樣體系十分必要。

心理物理學定律表明，心理量（即響應response）和物理量（即刺激stimuli）存在著一定的聯系。在中等刺激強度的變化范圍內，隨著刺激強度以幾何級數增加時，刺激引起的心理量則以算術級數增加；在強刺激條件下，刺激量與心理量之間則是冪函數關系[9]。

本實驗基于心理物理學定律，以硬度特性為代表，系統研究食品質地特性參比樣的篩選方法、參比特性儀器測量與感官評價之間的相關性等內容，旨在建立針對我國主要食品產品類型和人們消費習慣，同時又符合心理物理學定律的硬度特性食品參比樣，對我國系統建立感官特性參比樣體系，提高感官評價的規范化和科學化具有重要的研究和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料詳見2.1節表1中的樣品，均購自當地超市。

TA-XT Plus物性分析儀 英國Stable Micro System公司。

1.2 方法

1.2.1 樣品的選擇

依據國家標準GB/T 29604—2013《感官分析 建立感官特性參比樣的一般導則》[10]提出的普遍性、代表性、穩定性、統一性、可替代性、溯源性等參比樣應滿足的基本要求，選擇了凝膠狀、組織狀、多孔狀等不同組織狀態的16 類、100余種食品。

1.2.2 測試/評價樣品的制備

對于可切分的樣品，統一將樣品制成1 cm×1 cm×1 cm（長×寬×高）的正方體。對于不可切分的樣品，選用其最小食用單位，如半粒花生、一粒杏仁或一塊冰糖等。樣品均在室溫環境下進行制備，溫度20～25 ℃、相對濕度50%～60%，每個樣品制備時間控制在15 min內，制好的樣品放在密封容器中待測。

1.2.3 樣品硬度的儀器測量

測定模式與類型：質地剖面分析（texture profile analysis，TPA）；測前速率：1.0 mm/s；測試速率：1.0 mm/s；測后速率：1.0 mm/s；壓縮比：70%；兩次壓縮間隔：5.0 s；負載類型：Auto-5 g；探頭：P/50；采樣率：200 pps。測試平均次數：10 次。測定環境溫度20～25 ℃、相對濕度50%～60%，每個樣品測定時間控制在30 min內。

TPA測量模式是通過對樣品進行兩次壓縮來模擬人的口腔咀嚼運動，通過軟件處理輸出質構測試曲線。以探頭感受到的力與探頭的行進時間構成其特征曲線，樣品的物理硬度即為特征曲線上第一次壓縮樣品時出現的最大峰值[11-12]。

1.2.4 樣品硬度的感官評價

依據GB/T 16291.1—2012《感官分析 選拔、培訓與管理評價員一般導則 第1部分：優選評價員》[13]，通過招募、選拔、培訓、考核建立一支由10 位評價員組成的質地描述性分析小組。感官評價過程在符合標準的感官分析實驗室內進行[14]，評價環境溫度20～25 ℃、相對濕度50%～60%，每輪感官評價時間控制在3 h內，使用標準方法[15-16]對樣品的硬度進行評價。

1.2.5 硬度感官標度值與儀器測量值之間的相關性分析

心理物理學研究表明感覺響應強度的自然對數值與物理刺激強度的自然對數值呈線性關系[9]：

式中：S為感覺響應強度（本研究中即為感官標度值）；k為常數；I為物理刺激強度（本研究中即為儀器測量值）。

將式（1）轉換為自然對數關系式：

以儀器測量值（物理量，物理刺激強度）的自然對數為自變量，感官標度值（感覺量，感覺響應強度）的自然對數為因變量作圖，可以分析二者相關性。

1.3 數據統計分析

采用SPSS 16.0軟件對儀器測量的結果進行方差分析（analysis of variance，ANOVA）、聚類分析、主成分分析等統計分析。

2 結果與分析

2.1 樣品硬度的質構儀測定結果與參比樣初篩

表1 樣品硬度的質構儀測定結果與聚類分析Table 1 TPA results of hardness and cluster analysis

依據隨機取樣原則，用質構儀對每種樣品的硬度進行了10 次平行測定，采用K-均值聚類方法，對備選樣品的硬度儀器測量值進行快速聚類。參照ISO參比樣的分類情況，將聚類類別數設定為9，收斂標準為0。統計量包括初始聚類中心、方差分析表以及每個樣品的聚類信息。聚類結果中，有兩類僅包含一個樣品，所屬類別的代表性欠佳。因此將樣品進行調整，調整后聚類類別數為7 類。通過聚類結果可知，第1類和第2類中包含的樣品狀態種類繁多，可再次聚類以細化參比樣類別。對初始類別1（硬度儀器測量值范圍：34.71～3 031.62 g）和初始類別2（硬度儀器測量值范圍：3 322.41～7 344.43 g）分別進行兩種類別聚類，得到備選參比樣品的9 類聚類結果（表1）。

對9 組硬度特性在不同強度范圍的備選參比樣品分別進行主成分分析，其中由于類別9中只包含一種樣品（北京二商單晶冰糖），因此分別對前8 類進行分析。以類別1的樣品為例，作主成分分析示意圖（圖1），圖中越靠近硬度特性虛線向量的樣品，表明其硬度特性的代表性越明顯。據此可篩選出硬度特性主成分較大的樣品（表2），共計13 種。

圖1 樣品主成分分析示意圖Fig.1 Principal component analysis of samples

表2 備選樣品硬度的儀器測量值及RSD值（n=10）Table 2 Average value and RSD of TPA hardness strength (n= 10)

對13 種硬度特性主成分較大的樣品進一步進行穩定性考察。采用相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）分析，剔除RSD＞20%的樣品（表2中粗體所示）。將RSD值在0%～20%范圍內的樣品與ISO標準中的參比樣進行比較，進一步剔除同等硬度特性強度下組織狀態差異較大的樣品，如曼可頓黃金面包和果園老農美國大榛子，將白玉北豆腐、蠟筆小新果味果凍、金鑼魚肉火腿腸、恒慧雞蛋干、北京一鳴馬蹄罐頭、惠宜香脆花生、中糧大杏仁、瑞士糖、北京二商單晶冰糖作為篩選出的樣品。

同時對除北京二商單晶冰糖外8 類樣品硬度的儀器測量值進行方差分析，判斷篩選出的樣品的硬度之間是否存在顯著性差異。由表3可知，F值為139.61，大于F臨界值，表明所選的不同類別樣品之間存在顯著差異。

表3 8類樣品硬度儀器測量值的方差分析結果Table 3 Analysis of variance of instrumentally measured values of hardness

2.2 參比樣的感官評價結果

表4 硬度感官標度值與儀器測量值匯總Table 4 Sensory intensity and instrumentally measured values of hardness

對篩選出的參比樣進行感官評價。首先采用排序法[15]對參比樣的硬度按照由弱到強進行排序。經過3 輪排序實驗，統計每個樣品3 次排序結果的秩和，按照從小到大的順序確定樣品硬度感覺強度從弱到強的結果，考察樣品硬度感官評價與儀器測量結果的順序是否一致，再使用15 cm線性標度對樣品進行感覺強度的量化，以3 輪實驗小組平均值作為樣品硬度的感官標度值（表4）。

2.3 硬度感官標度值與儀器測量值之間的相關性

匯總樣品硬度的感官標度值和儀器測量值（表4）。由于北京二商單晶冰糖的硬度儀器測量值超出了本實驗所用質構儀及常用質構儀的最大量程，所以除此樣品外，以硬度儀器測量值的自然對數（lnI）為自變量，硬度感官標度值的自然對數（lnS）為因變量作散點圖，得到二者的回歸方程和相關系數（圖2）。

圖2 硬度參比樣感官標度值與儀器測量值之間的回歸曲線Fig.2 Regression curve between sensory evaluation and TPA testing values of hardness

由圖2可知，采用線性回歸模型建立的硬度參比樣儀器測量值與感官標度值之間的相關系數R2為0.977，說明兩變量之間的相關性達到了顯著水平，此模型可以表征二者的關系，得到的回歸方程為：y＝0.46x－2.424。說明樣品硬度感覺量（感官標度值）的變化與其相關的物理量（硬度儀器測量值）之間符合心理物理學冪定律，在一定程度上說明選擇的樣品是合理的。最終建立的食品硬度參比樣見表5。

表5 食品硬度感官評價參比樣Table 5 Reference samples for sensory evaluation of food hardness

3 討 論

本研究以硬度特性為代表，將感官特性參比樣物理量的儀器測定與感覺量的心理測量關聯起來，基于心理物理學定律建立了食品硬度感官評價的參比樣。與我國現行國家標準和ISO國際標準[17]中的參比樣相比，有以下不同：1）以果凍替代了雞蛋白，規避了雞蛋白制備時易受雞蛋大小、煮制方式等多因素影響導致樣品重復性較差的問題；2）以加工食品杏仁替代了生鮮食品胡蘿卜，避免初級農產品因品種、產地、貯藏時間等影響難以再現的弊端；3）對花生、香腸、糖果等標準中的硬度參比樣進行了同品種國內品牌產品的替代，以保證樣品容易獲得。此外，建立的參比樣還給出了感官強度參考值和TPA測定參考值，以便使用者根據實際情況替換樣品時，可首先根據TPA測定值的大小進行初篩。

綜上所述，本研究提出的食品硬度參比樣，不僅可以為我國食品硬度感官評價提供一把可參考的標尺，同時也為其他感官特性參比樣的建立提供了一套系統的研究思路和技術方法，對提高我國感官評價的科學分析性水平有著重要的意義。

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[17] ISO/TC 34/SC 12. ISO 11036:2012 Sensory Analysis-Methodology-Texture Profile[S]. Geneva, 2012.

Establishment of Food Hardness References Based on Psychophysical Law

ZHAO Lei, XIE Nan, WANG Houyin, ZHI Ruicong, SHI Bolin
(Food and Agriculture Standardization Institute, China National Institute of Standardization, Beijing 102200, China)

Hardness is one of the most important food texture attributes. Reference sample for sensory evaluation is the foundation for understanding the specific sensory attribute and evaluating its intensity. At present, the reference samples for food texture sensory evaluation in international standard and Chinese standard are mainly based on the Western diet. Most of them are difficult to obtain and also unfamiliar to Chinese. Therefore, it is necessary to establish Chinese reference samples for food texture to satisfy Chinese conditions. A rapid method for screening reference sample was developed in this paper through a case study of establishing hardness references. The method is based on statistical analysis of the sample hardness data from texture analyzer (TPA) testing. Cluster analysis, principal component analysis and analysis of variance were used to choose the samples which meet the general requirements for sensory attribute references, such as typical, representative and stable requirements. A descriptive analysis panel consisting of 10 assessors was selected to evaluate the sensory intensity of harness by using 15 cm linear scale. Totally 9 reference samples for food hardness intensity were finally selected out of 16 categories consisting of more than 100 food products including Baiyu tofu, Labixiaoxin jelly, Jinluo sausage, Henghui egg curd, Beijing Yiming canned chufa, Huiyi crisp peanut, almond produced by China Oil and Foodstuffs Corporation (COFCO), Sugus, and crystal sugar from Ershang Group with hardness intensity of 1.0, 2.4, 4.3, 5.6, 7.4, 9.8, 10.8, 12.2 and 14.0, respectively. Moreover, there existed a linear relationship between the natural logarithm of sensory intensity value and physical hardness data from TPA testing (y = 0.46x－2.424, R2= 0.977), which was consistent with the psychophysical power law. The established hardness reference samples not only provide a unified “ruler” for sensory evaluation of food hardness in China, but also provide a guide to establish reference samples for other sensory attributes.

hardness; texture; reference sample; sensory analysis; psychophysical law

TS207.7

A

1002-6630（2015）21-0041-05

10.7506/spkx1002-6630-201521009

2015-01-08

中國標準化研究院院長基金項目（562014Y-3348；562013Y-3079）；質檢公益性行業科研專項（201110211）

趙鐳（1968—），女，副研究員，博士，研究方向為感官分析技術與標準化。E-mail：zhaolei@cnis.gov.cn