面包的質(zhì)構(gòu)特性與隔聲系數(shù)相關(guān)性研究

梁 義 馮 濤 張子涵 - 汪 婕 王 晶

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

面包作為人們喜愛的食品，具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，目前世界上已有很多國家以面包為主食，研究其品質(zhì)特性具有重要意義[1-2]。評價(jià)面包品質(zhì)的方法分為主觀評價(jià)和客觀評價(jià)[3]。主觀評價(jià)采用人工評分的方法，對面包的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、品嘗口感進(jìn)行打分，由于其具有主觀性強(qiáng)、操作繁瑣、準(zhǔn)確性和復(fù)現(xiàn)性差等缺點(diǎn)[4]，現(xiàn)在主要采用儀器對面包的品質(zhì)特性進(jìn)行客觀的評價(jià)，即TPA質(zhì)構(gòu)分析。TPA質(zhì)構(gòu)分析又被稱為兩次咀嚼測試，通過模擬人口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)，對面包進(jìn)行兩次壓縮得到測試曲線，從中分析面包質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)：硬度、彈性、咀嚼性、膠黏性等。彭義峰等[5]的研究證明了客觀評價(jià)與主觀評價(jià)具有顯著的相關(guān)性，但是TPA質(zhì)構(gòu)分析需對面包進(jìn)行破壞，無法實(shí)現(xiàn)無損檢測。

目前，利用食品的聲學(xué)特性進(jìn)行食品的無損檢測研究倍受重視。Lakshmanan S等[6]根據(jù)肉制品在超聲波作用下的吸收特性和衰減系數(shù)以及其本身的聲阻抗,對肉制品中脂肪含量進(jìn)行了無損檢測研究。危艷君等[7]利用聲波信號的聲透過率建立了西瓜糖度檢測模型，為聲學(xué)無損檢測西瓜成熟度提供了參考。張林[8]采用傳遞函數(shù)法在阻抗管中對小麥、精米、糙米、大豆、稻谷、玉米6種糧食進(jìn)行了聲阻抗特性、吸聲系數(shù)的檢測，設(shè)計(jì)了糧堆聲信號無損檢測分析平臺(tái)。以上研究都是以食品的隔聲系數(shù)、吸聲系數(shù)為研究重點(diǎn)，說明食品的隔聲系數(shù)、吸聲系數(shù)與食品品質(zhì)特性的相關(guān)性更大些。由于隔聲系數(shù)能夠反映物質(zhì)整體的結(jié)構(gòu)特征，本研究擬從面包的聲學(xué)特性入手，針對面包隔聲系數(shù)與質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行研究，建立起面包聲學(xué)特性與面包客觀評價(jià)的橋梁，并用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，為實(shí)現(xiàn)面包品質(zhì)特性的無損檢測提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

面包材料：主要是從超市購買的白面包和全麥面包2種，全麥面包是指用沒有去掉外面麩皮和麥胚的全麥面粉制作的面包，白面包則是用精粉制作的普通面包；

阻抗管：B&K4206型，丹麥Bruel&Kjaer公司；

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

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

1.2 試驗(yàn)步驟與方法

1.2.1 隔聲系數(shù)測定 對新鮮的面包切片，得到直徑為29 mm，高度為10 mm的圓柱體面包樣本，將樣本置于聲學(xué)阻抗管中，按照GB/T 18696.2—2002進(jìn)行面包片樣品隔聲系數(shù)的測量，得到100～6 400 Hz的隔聲系數(shù)曲線[9]，之后將新鮮的面包置于空氣中，每隔1 h對其進(jìn)行類似步驟的測量。測試系統(tǒng)見圖1。

圖1 材料隔聲測試系統(tǒng)圖Figure 1 Material sound insulation test system diagram

1.2.2 質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)測定 對新鮮面包切片，得到10 cm×10 cm，高10 mm的長方體面包樣本，然后將樣本置于質(zhì)構(gòu)儀試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行TPA質(zhì)構(gòu)分析，測前速度：2.00 mm/s；測中速度：1.00 mm/s；測后速度：1.00 mm/s；壓縮程度：50%，得到面包的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)：硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性[10]，之后將新鮮的面包置于空氣中，每隔1 h對其進(jìn)行采樣測量。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析方法 用Matlab軟件編程對測得不同時(shí)間點(diǎn)面包的隔聲系數(shù)和其質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)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——某個(gè)時(shí)間點(diǎn)在同一頻率的隔聲量，dB；

yi——某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)值；

選取最大的Pearson系數(shù)所對應(yīng)的頻率，對該頻率的隔聲系數(shù)與質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)進(jìn)行最小二乘法回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 全麥面包分析結(jié)果

2.1.1 隔聲系數(shù) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的隔聲系數(shù)曲線進(jìn)行分析，見圖2。

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著面包在空氣中放置時(shí)間的延長，面包的隔聲系數(shù)曲線整體向上移動(dòng)，說明面包的隔聲系數(shù)在不斷提高。由于面包長時(shí)間置于空氣中，其結(jié)構(gòu)會(huì)變得密實(shí)，結(jié)構(gòu)表面變得堅(jiān)硬，大多數(shù)聲能在面包中被反射回來，導(dǎo)致隔聲系數(shù)在不斷提高。

圖2 不同時(shí)間的隔聲系數(shù)曲線Figure 2 Sound insulation coefficient curve at different time

2.1.2 質(zhì)構(gòu)特性參數(shù) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取5個(gè)相同時(shí)間點(diǎn)的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)進(jìn)行分析，見表1。

表1 不同時(shí)間的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)

根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著面包在空氣中放置時(shí)間的延長，面包的硬度、膠黏性、咀嚼性都有所提高，而面包的彈性卻隨之降低，這是由于面包中的支鏈淀粉結(jié)晶以及水分的遷移，導(dǎo)致面包結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，結(jié)構(gòu)表面變得堅(jiān)硬[12]。

2.1.3 相關(guān)性分析及最小二乘法回歸分析 在測量隔聲系數(shù)試驗(yàn)中，得到的是面包100～6 400 Hz的隔聲系數(shù)曲線。由于不能對所有頻段的隔聲系數(shù)進(jìn)行最小二乘法回歸分析，需要選出相關(guān)性較大的頻段，因此先進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，計(jì)算不同頻率的Pearson系數(shù)，選取Pearson系數(shù)最大值(指絕對值最大)所在的頻段[13]，見表2。

表2 不同質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)的Pearson系數(shù)

根據(jù)表2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，面包的硬度、膠黏性、咀嚼性都與100，1 684，1 764 Hz頻率的隔聲系數(shù)呈顯著正相關(guān)，面包的彈性與6 304 Hz隔聲系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。分別選擇100，6 304，1 684，1 764 Hz的隔聲系數(shù)與面包的硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性進(jìn)行最小二乘法回歸分析[14]。

100 Hz隔聲系數(shù)與面包硬度回歸方程為y=1.480 6x-1.110 8；6 304 Hz隔聲系數(shù)與面包彈性回歸方程為y=-0.067 9x+6.663 9；1 684 Hz 隔聲系數(shù)與面包膠黏性回歸方程為y=0.738 5x-2.339 4；1 764 Hz的隔聲系數(shù)與面包咀嚼性回歸方程為y=3.276 8x-7.051 0，均呈線性關(guān)系。

2.2 白面包分析結(jié)果

2.2.1 隔聲系數(shù) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的隔聲系數(shù)曲線進(jìn)行分析，見圖4。

根據(jù)圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著面包在空氣中放置時(shí)間的延長，面包的隔聲系數(shù)曲線沒有明顯的變化規(guī)律，在10∶00時(shí)面包的隔聲系數(shù)曲線在最下邊，說明此時(shí)的面包隔聲系數(shù)最低；在12∶00時(shí)面包的隔聲系數(shù)曲線在最上邊，說明此時(shí)的面包隔聲系數(shù)達(dá)到最高。

圖3 質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與不同頻率隔聲系數(shù)回歸分析圖Figure 3 Regression analysis chart of textural characteristic parameters and sound insulation coefficient at different frequencies

圖4 不同時(shí)間的隔聲系數(shù)曲線Figure 4 Sound insulation coefficient curve at different time

2.2.2 質(zhì)構(gòu)特征參數(shù) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取8個(gè)時(shí)間點(diǎn)的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)進(jìn)行分析，見表3。

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn)，隨著面包在空氣中放置時(shí)間的延長，面包的硬度、膠黏性、咀嚼性都有所提高，而面包的彈性有下降的趨勢，與全麥面包相同，都是由于面包中的支鏈淀粉結(jié)晶以及水分的遷移，導(dǎo)致面包結(jié)構(gòu)硬化。

2.2.3 相關(guān)性分析及最小二乘法回歸分析 先對所有頻段隔聲系數(shù)與質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)做雙變量相關(guān)分析，計(jì)算不同頻率的Pearson系數(shù)，選取Pearson系數(shù)最大值(指絕對值最大)的頻段，見表4。

表3 不同時(shí)間的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)

表4 不同質(zhì)構(gòu)特征參數(shù)的Pearson系數(shù)

根據(jù)表4可以發(fā)現(xiàn)，面包的硬度和膠黏性都與6 116 Hz的隔聲系數(shù)呈中度相關(guān)，面包的咀嚼性與6 168 Hz的隔聲系數(shù)也呈中度相關(guān)，而面包的彈性與5 920 Hz的隔聲系數(shù)呈中度負(fù)相關(guān)，與全麥面包相比相關(guān)性較差。分別選擇6 116，5 920，6 116，6 168 Hz的隔聲系數(shù)與面包的硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性進(jìn)行最小二乘法回歸分析。

根據(jù)圖5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，說明白面包的隔聲系數(shù)與其硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性不具有線性關(guān)系。相比于全麥面包，白面包中不含有麩皮，其結(jié)構(gòu)變化不會(huì)受到麩皮的影響，因此白面包的隔聲系數(shù)與其硬度、彈性、膠黏性、咀嚼性不具有線性關(guān)系。

圖5 質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與不同頻率隔聲系數(shù)回歸分析圖Figure 5 Regression analysis chart of textural characteristic parameters and sound insulation coefficient at different frequencies

3 結(jié)論

由于試驗(yàn)選取的樣本數(shù)量和品種的限制，本研究有一定的局限性，且面包只放置了比較短的時(shí)間，對于放置長時(shí)間的研究試驗(yàn)，還需要進(jìn)一步完善。本試驗(yàn)主要對全麥面包和白面包的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與隔聲系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性研究，最后用最小二乘法進(jìn)行了線性回歸分析。得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1) 兩種面包在空氣中的時(shí)間越長，其硬度、膠黏性、咀嚼性越大，彈性降低。

(2) 全麥面包在空氣中的時(shí)間越長，其隔聲系數(shù)也隨之增加；白面包在空氣中的時(shí)間越長，其隔聲系數(shù)沒有明顯的規(guī)律性變化。

(3) 全麥面包的硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性都分別與特定頻率的隔聲系數(shù)呈線性關(guān)系；白面包的硬度、彈性、膠黏性和咀嚼性與隔聲系數(shù)不呈線性關(guān)系。

本試驗(yàn)構(gòu)建的面包質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與隔聲系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，可為面包品質(zhì)特性的無損檢測提供試驗(yàn)依據(jù)，由于全麥面包的質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)與隔聲系數(shù)具有線性相關(guān)性，接下來可以研究全麥面包品質(zhì)特性無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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