薯片斷裂聲學特性與硬度、脆度相關性研究

張子涵 - 馮 濤 梁 義 馮麗麗 - 王 晶

(北京工商大學材料與機械工程學院，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者喜愛的休閑食品，目前市場上油炸薯片、油炸玉米片的種類越來越多，薯片的硬度、酥度、脆度、韌性直接影響了消費者的滿意度與食用體驗，成為評價薯片品質的重要指標，酥脆度與薯片的組織結構性質有關，在薯片的加工、銷售、貯藏過程中，保證其不被擠壓破損、受潮直接關系到薯片產品品質的優劣，針對薯片硬度、酥脆性、韌性等要素的研究也愈發受到重視[1]。

脆性這一屬性的判定在國內外都還沒有確定的定義，總的可以歸結為兩點：① 脆性是一種力[2]；② 脆性是一種通過聲音特質來判斷的屬性，是樣品受到外力作用斷裂發出的聲音[3]。薯片酥脆性的測量和評判方法主要分為感官方法和儀器方法[4]。感官方法是評價者對薯片產品的主觀評價，這種方法需要大量的評價人員來完成，操作有一定難度。儀器方法分為機械方法和聲學方法。機械方法是通過模擬牙齒咀嚼[5]的過程，采用質構儀對薯片施加外力使其發生形變破損來測量，得到這一過程中的力與時間之間的曲線，對曲線再進行分析后得到反映其脆性的數據。這種測量方式可以量化薯片的脆性，更加科學，操作相對簡單，但是機械方法只能分析其物理屬性，不能直接反映薯片產品的酥脆程度、硬度與韌性等方面的特性，其數據結果與分析過程復雜[6]。聲學方法是通過分析薯片在被擠壓時發出的聲音信號來反映脆性[7]，通過對聲波信號的后處理即可得到相應結論。相對而言，聲學測量數據結果分析更為直觀，更有助于消費者區別脆性食品品質的優劣。可通過計算質構儀測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發出的聲波信號之間的關聯，擬以市面上常見的3種薯片產品作為研究對象，利用質構儀[8]的三點支撐試驗進行脆性測量，同時采集薯片破損時發出的聲波信號，從而得到薯片破損發出的聲音與其脆性之間的關系，旨在為脆性食品的研究、品質控制以及標準制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

薯片：市售某品牌袋裝薯片與桶裝薯片。

1.2 測試儀器

數據采集前端：B&K3560B型，丹麥Bruel&Kjaer公司；

質構儀：TA.XTPlus型，英國Stable Micro System公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的選擇 選擇標準：相同口味不同形狀的薯片產品，不同口味相同形狀的薯片產品等。

1.3.2 物性測試儀的設定 采用三點支撐法模擬牙齒咀嚼的試驗過程，在下壓過程中測試力的大小為0.2 N；測試前速度采用默認速度設置，測試不同薯片產品的速度不變；測試距離為20 mm；感應力量程為100 N[8]。

1.3.3 聲音數據采集前端的設定 聲信號采集在物性測試的同時進行。信號采集時長為30 s；頻譜分析帶寬為12.8 kHz，分析精度為800線。

1.3.4 測量結果指標的選擇 樣品在測量之后，物性測試儀可以得到力-時間曲線，通過曲線可以直觀得到最大力(force)以及面積(area)[9]。聲振數據采集前端可以得到薯片產品破碎時發出的聲音信號在時域與頻域上的曲線圖，見圖1。力與時間示意圖中特性參數的描述見表1。

圖1 力-時間曲線圖Figure 1 Force-Time curve表1 力-時間曲線中的參數意義Table 1 Meaning of parameters in Force-Time curve

參數注釋最大剪切力曲線中的最大力，表示在下壓過程中樣品的斷裂力，可用來表示硬度達到最大剪切力的距離達到最大力的距離，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到最大力處的斜率，反映剛性、脆性，用來表示樣品易碎性

1.3.5 聲音信號的采集 馬鈴薯片經過烹炸或烤制得到脆口的薯片產品之后，會在內部形成空腔結構，外部較硬脆，這樣的結構在受到外力時，往往不會發生形變彎曲就直接破損斷裂。這一過程會發生相應的振動進而產生聲輻射。而在評判薯片斷裂時發出的聲音與其脆性之間的關聯時，一般有2種主要的判斷方法：① 感官判斷，在咀嚼過程中牙齒咬合時，在沒有完全吞沒之前，聲音通過骨骼傳導和空氣傳導的共同記錄和分析；② 聲波信號的研究，在進行質構儀的壓迫試驗的同時進行薯片破損時發出的聲音信號的采集，可以得到聲波信號的振幅-時間曲線圖和振幅-頻率曲線圖，后者是前者進行快速傅里葉變換(FFT)[10]后得到的，這2種聲波圖形結合起來，可以提供大量的試驗數據，從而得到薯片產品脆性與聲學特性之間的關系。

聲波通過數據采集前端進行采集，與質構儀的三點支撐試驗同時進行，傳感器距桌面高度為16 mm，放置于距離質構儀樣品放置處20 mm。利用計算機Pulse軟件進行聲音的收錄、編輯及儲存功能。采樣頻率為65 536 Hz，采樣頻率越高，采集聲音樣本的時間間隔越短，單位時間內采集的聲音樣本數量越多，可以描述出更加精確的聲音波形圖[11]。試驗臺設計見圖2。

1. 計算機 2. 質構儀 3. 聲音傳感器 4. 探頭圖2 薯片測試與聲音信號采集基本流程Figure 2 Basic process of potato chips testing and sound signal collection

1.3.6 數據分析方法 用Matlab軟件對測得每片薯片斷裂聲聲壓值進行時域和頻域的處理，并對其質構特性與斷裂聲聲壓值進行雙變量相關分析，求其Pearson系數，公式為：

(1)

式中：

r——Pearson系數；

xi——各個頻率的隔聲聲壓值，dB；

yi——各個薯片質構特性參數值；

選取最大的Pearson系數所對應的頻率，對該頻率的質構特性與斷裂聲聲壓值進行最小二乘法回歸分析。

2 結果與分析

2.1 力學試驗結果處理

選取相同的剪切探頭、相同的參數測定3種薯片產品，為了測試薯片在環境中水分揮發對其脆度的影響，試驗分為5組進行，每組試驗同一口味薯片測試2片，時間間隔為2 h，備測薯片放置于同一環境條件下，測試結果見表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，且兩者遠遠大于袋裝原味薯片；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，口味對于薯片特性的影響并不顯著，四項參量的數據都顯示相差不大，口味對于薯片物理特性有所影響，但相對于以上兩個因素可以忽略。

試驗也進行了時效性[13]的比較，每間隔2 h做一組試驗，每組3種口味分別選取2片樣本薯片進行試驗，在試驗之前先將所有樣本薯片挑選出來，放置在同一室內(溫度為24 ℃、空氣濕度26%)，以保證薯片的水分、油分蒸發的速度一樣。試驗結果表明，每個時間段測得的硬度數據，與時間并沒有呈明顯的正相關關系，說明薯片包含的水分不多，水分作為影響脆性的重要因素，在本次試驗中并不作為重點指標討論。

表2 采用咬合探頭對不同樣品的測試結果

2.2 聲音信號的處理結果

通過傅里葉變換可以顯示在試驗中收取聲音信號的時間內，頻率能量的分布情況[14]，見圖3。

由圖3可以看出，在頻率1 360 Hz處，有最大聲壓級58.71 dB，說明在這個頻率上，聲音能量最大。將全部(33組)試驗結果統計之后得到表3。

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

在時間維度上比較3種薯片產品隨時間的變化，在空氣中存放，其脆度變化并沒有明顯規律可循，每種薯片所選取樣品本身的內部結構稀疏程度不同導致其破損時發出的聲波聲壓級有較大差別[15]。由最大剪切力與聲壓級對應數據可以看出，當聲壓級高時，所對應的最大剪切力也大，最大剪切力做功也大，但不是呈現線性增長。故聲音大小與高低在一定程度上可以反映薯片產品的脆性程度。

表3 3種薯片試樣所得聲壓級結果

2.3 相關性分析及最小二乘法回歸分析

在薯片斷裂聲試驗中，得到了3種薯片的斷裂聲聲壓級變化，并且分別對其硬度、脆度及韌性3種屬性與聲壓級之間的相關性進行分析[16]，計算其相關性系數范圍見表4。

根據表4可以發現，3種薯片樣品在硬度、脆度以及韌性3個屬性與其斷裂聲聲壓級的相關性呈現出不確定性，桶裝原味薯片的斷裂聲聲壓級與其屬性呈現出較強的相關性，而剩下2種薯片則呈現負相關性或弱相關性[17]；3種屬性之間對比來看，脆度與斷裂聲聲壓級的相關性呈現中度或較強相關，相關性要高于其他2個屬性。分別對斷裂聲聲壓級與3種薯片的硬度、脆度及韌性進行最小二乘法回歸分析。

根據圖4可以發現，樣本點零散的分布在最小二乘法回歸直線兩邊，沒有特定的規律，說明薯片的斷裂聲聲壓級特性與其硬度、脆度與韌性不具有線性關系。

3 結論

(1) 對比薯片剪切試驗與聲波采集試驗可以看出，破損時發出較大聲波的薯片對應的最大剪切力與最大剪切力做功較大，要比發出小聲波的更脆、斷裂更加明顯。所以，通過咀嚼過程中發出的聲音大小與高低來判斷薯片產品的脆性有一定科學性。但是脆度反映在聲壓上沒有較明顯的規律可循，機械測試方法能更直觀方便地測試脆性食品的脆度。

表4 不同質構特征參數的相關性系數

圖4 質構特性參數與聲壓級回歸分析圖

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發出的斷裂聲之間并沒有直接線性關系。

(3) 脆度是一種人的多種感官對脆性食品的復雜感知，聽覺信號是其中的重要組成部分，因此在進行脆性食品的脆度評判時，將聽覺評價與儀器測試結合起來，會得到更加全面的評價，既能得到脆性食品的力學特性，又能與主觀評價形成對應參考。

[1] 于修燭, 宋麗娟, 張建新, 等. 薯片在油炸過程中品質變化及其貨架期預測[J]. 食品科學, 2012, 33(18): 102-107.

[2] 于泓鵬, 曾慶孝. 脆度的研究方法及其控制參數[J]. 食品與發酵工業, 2004, 30(3): 85-89.

[3] ENDO H, INO S, FUJISAKI W. The effect of a crunchy pseudo-chewing sound on perceived texture of softened foods[J]. Physiology & Behavior, 2016, 167: 324-331.

[4] 張小燕, 趙鳳敏, 興麗, 等. 不同馬鈴薯品種用于加工油炸薯片的適宜性[J]. 農業工程學報, 2013, 29(8): 276-283.

[5] 趙阿丹, 謝靜, 張秋亮, 等. 食品酥脆質地的評定與表征[J]. 食品工業, 2015(1): 188-192

[6] 孫鐘雷, 張長平, 段建禮, 等. 咀嚼脆裂聲音與食品脆性的關系[J]. 食品科技, 2017(6): 95-98.

[7] 王亮. 谷物早餐質構特性—脆性的研究[J]. 糧食加工, 2007, 32(6): 86-91.

[8] 胡璇, 夏延斌, 鄧后勤. 利用質構儀測定剁椒脆度方法的研究[J]. 辣椒雜志, 2010, 8(3): 40-43.

[9] 謝偉妮, 陳建楊. 食品脆度的客觀表征及其通用測量公式的研究[J]. 食品科學, 2010, 31(3): 150-152.

[10] 劉洋, 孫永海. 基于斷裂聲音信號的胡蘿卜質地評價研究[D]. 長春, 吉林大學, 2016: 13-28.

[11] SAELEAW M, SCHLEINING G. A review: Crispness in dry foods and quality measurements based on acoustic-mechanical destructive techniques[J]. Journal of Food Engineering, 2011, 105(3): 387-399.

[12] 孫逸敏. 利用SPSS軟件分析變量間的相關性[J]. 新疆教育學院學報, 2007, 23(2): 120-123.

[13] PRIMOMARTIN C, HDE B, HAMER R J, et al. Fracture behavior of bread crust: Effect of ingredient modification[J]. Journal of Cereal Science, 2008, 48(3): 604-612.

[14] SI I, AKIMOTO H, SAKURAI N. Acoustic vibration method for food texture evaluation using an accelerometer sensor[J]. Journal of Food Engineering, 2013, 115(1): 26-32.

[15] MARUYAMA T T, ARCE A I C, RIBEIRO L P, et al. Time-frequency analysis of acoustic noise produced by breaking of crisp biscuits[J]. Science Direct, 2008, 86(1): 100-104.

[16] TANIWAKI M, KOHYAMA K, TANIWAKI M. Mechanical and acoustic evaluation of potato chip crispness using a versatile texture analyzer[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 112(4): 268-273.

[17] 孫鐘雷, 許藝, 彭怡梅, 等. 基于仿生技術的榨菜脆性檢測方法研究[J]. 現代食品科技, 2016(7): 214-219.