五種蘋果質構測定方法的比較及與感官評價的相關性分析

杜昕美,趙前程,呂 可,劉婧懿,程少峰,馬永生(大連海洋大學食品科學與工程學院,遼寧大連116023)

蘋果是遼寧省種植面積最大、產量最多和產值最高的栽培水果,2017年產量約241萬噸[1],其中紅富士、喬納金、黃元帥、王林和國光為遼寧省代表性栽培品種[2]。蘋果的質構特性是評價其品質的關鍵指標,如硬度、脆性和多汁性等,直接影響著消費者的選擇。蘋果質構可通過人的感官評定或儀器測量的方法獲得,感官評定是判定蘋果質構直觀而靈敏的方法,但通常評價員培訓程序復雜,且耗時較長[3]。質構儀是測定食品質構的常用設備,它能夠基于樣品的物性特點作出數據化的定量表述,從而實現對感官進行客觀的量化評判。目前質構儀測定蘋果質構的方法有多種,如壓縮法[4]、穿刺法[5]、拉伸法和剪切法[6-7]等,但不同方法所測得質構參數難以比較;即便同一方法,如質構剖面分析(Texture profile analysis,TPA),不同學者選擇不同測試條件,如探頭、壓縮形變量、樣品大小等,得到的質構參數差異較大[8-10],可重復性和可比較性不足。此外,目前尚未完全闡明儀器所測得質構特性差異能否準確反映人對蘋果質構的感官差異,缺乏對儀器測定參數與人感官評定結果的相關性分析。

本研究擬采用不同測定方法對不同種類蘋果的質構進行比較測定,同時考察不同測試條件對測定指標的影響,并將儀器測定數據與人感官評定結果進行相關性分析,從而為蘋果質構的客觀評判提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

紅富士(Fuji)、喬納金(Jonagold)、黃元帥(Golden delicious)、王林(Orin)、國光(Ralls)5種蘋果 大連某水果超市,要求新鮮,果形端正,大小和成熟度均勻一致,無蟲害損傷,5種蘋果均產于大連,采摘時間在10～11月份;乙醇、冰醋酸、甲醛 分析純,上海生工生物工程有限公司。

TMS-Pro型質構儀 美國Food Technology Corporation公司;糖量計 泉州光學儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 蘋果質構特性的測定 本研究分別采用剪切、穿刺和質構剖面分析三種方法測定紅富士、喬納金、黃元帥、王林和國光5種蘋果的質構,每種蘋果選取10個,每次測定取3個平行樣或穿刺3個位點,最后取平均值。

1.2.1.1 剪切實驗 按橫向切取待測蘋果中部赤道部位果肉,并將其切成體積為1 cm×1 cm×1 cm正方體,用標準直板剪切探頭進行剪切實驗,調整承重平臺的位置,確保直板探頭下降過程中不碰到平臺縫壁。將樣品放置在刀具的中心下方,測試速度設置為60 mm/min,剪切距離為20 mm,即剪切探頭越過砧床平面10 mm。剪切曲線如圖1所示,曲線中最大正峰處對應的力值Fms表示蘋果的硬度(N),Fms與其對應位移Dms的比值為最大模量Sts。

圖1 蘋果剪切時力-位移曲線圖Fig.1 The shear force-displacement curve of the tested apples

1.2.1.2 穿刺測定 穿刺測定分為帶皮穿刺和去皮穿刺兩種方式。將待測蘋果分別橫向切成厚度一致的3個部分,即果肩、中部赤道和果頂部分如圖2所示,分別置于TMS-Pro質構儀測試臺上進行穿刺實驗,果肩和果頂部分進行縱向穿刺,赤道部分進行橫向穿刺,探頭選擇直徑為6 mm、高為36 mm的柱型穿刺探頭,測試速度60 mm/min,穿刺深度為10 mm。去皮穿刺時將果皮去除后按同樣步驟進行實驗。穿刺曲線如圖3所示,曲線中最大正峰處對應的力值Fmp表示蘋果的硬度,Fmp與其對應位移Dmp的比值表示最大模量Stp。

圖2 蘋果樣品的取樣及穿刺位點Fig.2 Illustration of apple sampling and puncture locations

圖3 蘋果穿刺時力-位移曲線圖Fig.3 The puncture force-displacement curve of the tested apples注:a:帶皮穿刺;b:去皮穿刺。

1.2.1.3 質構剖面分析 橫向切取待測蘋果赤道部位果肉,去皮后將其切成體積為1 cm×1 cm×1 cm正方體,采用直徑為25 mm、高度為35 mm的圓柱形壓縮探頭進行TPA測試,壓縮形變量分別設置為25%、50%和75%,測試速度60 mm/min,兩次壓縮間停留時間為3 s。TPA測試的力量-位移曲線如圖4所示,參照Szczesniak等[11]和Bourne等[12]的方法,第一次壓縮的最大受力Fmt表示蘋果硬度,二次壓縮所做正功的比值W2/W1表示蘋果內聚性,樣品第一次壓縮后的恢復高度D2表示彈性,D2/D1表示彈性系數,蘋果咀嚼性用Fmt×(W2/W1)×D2表示。

擠壓水分測定參照潘秀娟等[4]方法,略作改動。切取1 cm×1 cm×1 cm大小的蘋果樣品,在樣品上、下各放8層Whatman定性濾紙,按TPA程序進行擠壓測試,形變量設定為50%,根據壓縮前后濾紙質量差計算出蘋果擠壓水分量。

圖4 蘋果TPA力-位移曲線圖Fig.4 The TPA force-displacement curve of the tested apples

1.2.2 光學顯微結構觀察 帶皮切取蘋果赤道部位樣品,放入福爾馬林-乙酸-乙醇溶液中進行組織固定,石蠟包埋后切片,脫蠟處理,經番紅染色1～2 h,再用50%、70%、80%梯度酒精各脫色3～8 s,然后固綠復染30～60 s,無水乙醇脫水后二甲苯透明5 min,中性樹膠封片,最后在倒置顯微鏡下觀察細胞結構,并采集圖像分析。

1.2.3 感官評定 評價員篩選和培訓方法參照《GB/T 16291.1-2012感官分析選拔、培訓與管理評價員一般導則》進行[13]。將5種蘋果帶皮切開后,置于一次性杯子中,用三位隨機碼編號,隨機呈送給50名經篩選和培訓的評價員。蘋果感官屬性及其定義如表1所示,包括硬度、脆性、咀嚼性和多汁性4個質構屬性。參照直線標尺自由量值估計法[14],評價員將感官強度在長度為100 mm的線段上進行賦值標記,線段最左端為“0”,表示強度最弱;線段最右端為“10”,代表強度最大。每種蘋果的感官評分數據根據箱線圖法去除異常值后計算出算術平均值,用于代表該蘋果的感官測定值。

表1 感官評定各指標的含義Table 1 Sensory texture attributes and their definitions

1.3 數據處理

實驗數據以平均值±標準差(Mean±SD)表示,采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和變量間相關性分析,多組數據間比較采用Student-Neuman-Keuls(SNK)法,當P<0.05表示統計學顯著差異,當P<0.01表示統計學極顯著差異;兩變量間相關性以Pearson相關系數r表示。

2 結果與分析

2.1 蘋果質構儀器檢測差異

2.1.1 剪切法檢測對比 剪切力是指質構儀的刀具探頭切斷被測樣品時所用的力,通過記錄刀具切割樣品時的用力情況,可獲得最大剪切力、最大剪切模量及剪切力做功等參數。五種蘋果的剪切測定結果如圖5和表2所示。蘋果的硬度可定義為引起蘋果破斷的最大剪切力[15],五種蘋果的剪切硬度依次為王林>紅富士>國光>喬納金>黃元帥,其中王林蘋果平均剪切硬度值最大,為12.5 N,其次為紅富士,為9.48 N,而黃元帥最小,為4.16 N;最大剪切模量也有一致結果,其中王林蘋果最大剪切模量為5.46 N/mm,其次為紅富士,為4.37 N/mm,而黃元帥最小,為1.83 N/mm。

圖5 五種不同蘋果的剪切曲線圖Fig.5 Sheer force of the five tested apple cultivars

剪切法目前廣泛應用于肉類硬度或嫩度的測定,并已形成標準化檢測方法[16]。但剪切法在水果中應用并不多見,可能是因為其檢測結果受樣品大小影響較大,不同研究間樣品大小不容易一致,故檢測結果難以橫向比較,而下述的穿刺法則不受樣品大小的影響。

表2 五種不同蘋果剪切結果(n=10)Table 2 The result of sheer force of the five tested apple cultivars(n=10)

2.1.2 穿刺法檢測對比 穿刺方法廣泛應用于水果質構測定[6],與剪切和TPA方法相比,其優勢在于不依賴樣品的大小和形狀,省略了不易統一的樣品制備過程。圖6A顯示的是5種蘋果保留果皮穿刺時的力-位移曲線,探頭運行時首先接觸到果皮,隨穿刺深度增加,探頭受力增加,達到最大受力時,果皮破裂致受力突降,之后感應果肉穿刺的力值變化。五種蘋果的穿刺測定結果如表3所示。可見,5種蘋果保留果皮時的硬度和最大模量均顯著高于去除果皮時(P<0.05),其中保留果皮時蘋果(果肩、赤道和果頂)硬度值依次為王林>紅富士>國光=喬納金>黃元帥,而去皮后硬度(果肩和赤道)大小順序則為王林>紅富士>國光>喬納金>黃元帥,這與剪切法測定結果一致。

圖6 五種蘋果穿刺曲線Fig.6 The puncture test of the five tested apple cultivars注:A:保留果皮;B:去除果皮。

表3 五種不同蘋果穿刺結果(n=10)Table 3 The result of puncture test of the five tested apple cultivars(n=10)

本研究同時考察了蘋果各部位的質構差異,對同種蘋果的果肩、赤道和果頂3個不同部位進行了穿刺實驗,結果顯示,除國光蘋果外,其他4種蘋果的果肩和果頂部位的硬度和最大穿刺模量均顯著高于赤道部位(P<0.05)。杜社妮等[17]研究結果也顯示紅富士和秦冠蘋果果頂部位硬度最高,其次為果肩。這提示在比較蘋果質構差異時,有必要對蘋果的測定部位進行具體限定。

2.1.3 TPA測定結果 TPA測定受樣品大小、壓縮形變量及探頭類型等多種因素影響,其中壓縮形變量是關鍵參數[18],本研究主要考察了不同壓縮形變量對蘋果質構指標測定的影響,測定結果如圖7和表4所示。由表4可見隨著壓縮形變量的增大,硬度測定值呈增大趨勢,對王林和紅富士兩種硬度較大的蘋果,75%形變量時的硬度值顯著高于形變量為25%和50%時(P<0.05)。總體上王林蘋果硬度值最大,其次為紅富士,而喬納金、黃元帥和國光蘋果硬度相對較低。王林和紅富士是晚熟品種,耐貯性優于喬納金和黃元帥等中熟品種,能較長時間保持脆硬。國光雖也是晚熟品種,但在本研究中硬度相對較小,可能與其采摘后貯藏條件有關。

圖7 五種蘋果在不同壓縮形變量時的TPA曲線Fig.7 Texture profile analysis of the five tested apple cultivars at different deformation rate注:A:25%;B:50%;C:75%。

表4 五種不同蘋果的TPA測定結果Table 4 Texture profile analysis of the five tested apple cultivars

由表4可見,在壓縮形變量為25%時,王林和紅富士蘋果的內聚性最大,喬納金和黃元帥次之,國光蘋果的內聚性最小。隨著壓縮形變量的增加,蘋果果肉組織破碎程度增加,表現為內聚性測定值顯著減小(P<0.05),且蘋果品種間內聚性差異減小。

脆性是反映蘋果品質和成熟狀態的另一重要指標,它與硬度指標相關[6],感官上表示食物在牙齒咬合力作用下僅產生很小的形變即發生斷裂的性質。在TPA測試中,樣品脆性常用第一次擠壓時的破裂力來表示,但測試時發現并不是每個蘋果樣品在力-位移曲線上都會出現破裂峰,故TPA方法測試蘋果樣品的脆性時重復性并不理想。此外,鑒于蘋果水分較大,被壓縮后組織結構基本被破壞,故并不適宜用彈性來表示其質構特征。雖然具體測定時儀器給出彈性數值,但這主要由于探頭與蘋果樣品間的粘附作用,導致探頭回程時蘋果樣品受拉所致,在此并無明確的力學和感官意義,故不將其列入本文分析中。

兩個非獨立參數膠粘性和咀嚼性,分別表示把半固態和固態食品咀嚼成能夠吞咽狀態所需要的能量[19],本研究僅采用咀嚼性參數。可見,紅富士和王林蘋果的咀嚼性最大,喬納金、黃元帥和國光的咀嚼性相對較低,這與硬度測定結果一致。但在前人研究[9]中常出現把這兩個指標同時用于表征蘋果樣品,其合理性有待商榷。

此外,可擠壓水分含量與蘋果的多汁性相關,本研究中紅富士的擠壓水分含量最高,達到了229.6 mg;其次為王林,為188.9 mg;而黃元帥可擠壓水分含量最低,為101.8 mg。

2.2 蘋果穿刺組織結構分析

為從微觀角度解釋蘋果穿刺檢測結果產生差異的原因,本研究對蘋果果皮和果肉結構進行了顯微觀察。如圖8所示,蘋果果皮最外部為單層表皮細胞,其外壁角質化形成一層脂肪類物質,即角質層[20]。表皮細胞下由多層厚壁細胞組成,起機械支撐作用,細胞大小和形狀各異。王林(圖8d)和國光(圖8e)蘋果厚壁細胞層數較多,細胞壁厚且纖維素含量高,表現為帶皮穿刺硬度值較大。

蘋果果肉部分由薄壁細胞組成,果肉硬度與薄壁細胞大小、形狀、壁厚及胞間間隙等因素相關。一般細胞較小,細胞壁較厚,胞間間隙小的果肉硬度較大[21],不過圖8所示的5種蘋果間薄壁細胞未明顯呈現這些差異。此外,果肉質構特性也與薄壁細胞膨壓密切相關[22]。本研究中王林和紅富士可擠壓水分含量較高(表4),故液泡滲透壓大,果肉薄壁細胞膨壓相應較高,表現為較高的硬度、脆性和多汁性。因此,本研究中膨壓是影響蘋果質構的主要因素。

圖8 五種蘋果組織結構解剖圖Fig.8 The anatomy of the five tested apple cultivars注:a:紅富士;b:喬納金;c:黃元帥;d:王林;e:國光。圖中C為角質層;E為表皮層;H為皮下層;標尺長度為150 μm,放大倍數為200×。

2.3 感官評價

五種蘋果的感官評分如表5所示,可見王林、紅富士和喬納金蘋果的硬度、脆性、咀嚼性和多汁性評分較高,黃元帥次之,國光蘋果的感官質構評分最低,這與前面的儀器測定結果一致。

表5 五種蘋果質構的感官評分(分)Table 5 Sensory evaluation of the five tested apple cultivars(score)

2.4 儀器與感官檢測質構的相關性分析

本研究通過相關性分析來闡明儀器測定指標參數與感官分析結果之間的聯系,以期獲得能客觀預測人感官反應的指標參數。如表6所示,剪切法所測得蘋果最大剪切力和最大剪切模量均與感官硬度、感官脆性及感官咀嚼性呈極顯著相關(P<0.01),且最大剪切模量的相關性較優。

表6 蘋果感官評價指標與儀器測定指標的相關性分析Table 6 Correlation analysis between sensory descriptors for texture and instrumental attributes

本研究將果肩、赤道和果尾三個部位穿刺數據的平均值與感官分析結果進行相關性分析,結果顯示最大穿刺力與感官脆性、硬度、咀嚼性和多汁性均呈極顯著相關(P<0.01),且去除果皮時相關性更好,這與Harker等[6]的結果基本一致;同樣,最大穿刺模量與感官脆性、硬度、咀嚼性和多汁性也均呈極顯著相關(P<0.01),但帶皮狀態時相關性更優。穿刺模量曾被用來表征冬棗的脆性[23],本研究中最大穿刺模量也與蘋果的感官脆性呈極顯著相關(r=0.638,P<0.01),故最大穿刺模量可作為蘋果脆性的表征指標。

目前TPA法測得的質構指標與感官評價結果之間的相關性已被證實[4,24],但并沒有具體考察壓縮形變量的影響。Bourne等[12]認為TPA是模仿人口腔咀嚼的,因此壓縮形變量不應偏小,如30%是不合適的。但也有學者認為形變量設置應依據具體食品類型,即應超過樣品的彈性極限,但不能越過樣品的破裂點[19]。故本實驗將壓縮形變量分別設置為25%、50%和75%進行分別測試,并基于和感官評定的相關性分析,找出適合于蘋果質構測試的形變參數。如表6所示,三種壓縮形變量下TPA所測得的硬度、內聚性和咀嚼性均與感官結果顯著相關,但形變量增大,TPA結果與感官的相關系數并沒有增加。形變量為25%時蘋果硬度優于壓縮形變量為50%和75%時,其原因可能是當形變量超過蘋果的破裂點時,其組織結構破碎嚴重,以致相互間質構差異難以區分,故對蘋果的TPA測試而言,壓縮形變量不宜設置偏大。

3 結論

本研究對剪切、穿刺和TPA壓縮3種蘋果質構測定方法進行了比較研究,并將儀器測定結果與人感官評價進行了相關性分析。結果顯示剪切、穿刺和TPA壓縮均能測得蘋果的硬度特征,并區分不同品種間的差異,去皮果肉硬度大小依次為王林>紅富士>國光>喬納金>黃元帥。穿刺法不受樣品制備一致性限制,且能區分果皮特征,適用性更廣;果皮對蘋果質構有顯著影響,且不同穿刺部位的質構差異顯著,其中果頂部位穿刺硬度值最大,其次為果肩和赤道;最大穿刺模量可作為蘋果脆性的表征指標。壓縮形變量對TPA法測定結果有顯著影響,與蘋果感官評價相關性分析發現,形變量為25%時的測定結果更優,本研究結果為蘋果質構的客觀測定及評判提供了依據。