羅斌,趙有斌,尹學清,趙東林,杜志龍,何江濤
(中國農業(yè)機械化科學研究院,北京100083)
果蔬中含有人體所必需的維生素、礦物質、膳食纖維等營養(yǎng)成分,是人們日常生活中攝入營養(yǎng)物質的重要來源。英國《自然》雜志指出:果蔬具很強的抗氧化劑活性和抗腫瘤活性,能有效清除體內“氧自由基”,延緩人體衰老、預防多種疾病的發(fā)生。但是新鮮果蔬含水量較高,呼吸作用較強,采后容易腐爛變質,不易貯藏,并且在運輸和加工的過程中,果蔬很容易受到機械損傷,進而導致其品質下降,降低營養(yǎng)和商品價值。所以,為了滿足消費者對果蔬產品的消費要求,加強果蔬加工貯藏中質構特性的檢測就顯得尤為重要[1]。
在食品工業(yè)中,質構貫穿于整個產業(yè)鏈過程[2],具有非常重要的地位。質構作為果蔬品質的關鍵指標之一,是果蔬產品的一項重要屬性,而且與果蔬的新鮮程度和可食性密切相關,從而會影響消費者的選擇[3-4]。果蔬的質構通常與果蔬的形狀和大小以及一些力學特性相關[5]。人們最初采用感官評價的方式來判斷果蔬的品質,但是這種方法會由于群體不同而存在一些主觀因素上的差異[6]。若采用質構儀進行試驗,不僅可以得到豐富的特征參數,還可以將其與果蔬的硬度、脆性等力學特性關聯起來,并在品質監(jiān)控、采后加工處理和運輸貯藏監(jiān)測等多個環(huán)節(jié)得以應用[7]。
質構儀(texture analyzer)又稱物性分析儀,是一種可以對食品品質做出客觀評價的感官化測量儀器,可以將產品的物性特點做出準確的數據化表述[8],具有客觀性、易操作等優(yōu)點,避免了感官評價方法可能出現的主觀性誤差,從而經常被用于食品質構檢測,越來越受到研究工作者的青睞[9]。
質構儀主要由主機、備用探頭和附件等硬件設備以及專用軟件組成,其基本結構由樣品變形裝置、樣品承載設備和結果記錄系統(tǒng)構成。主機上有一個可以上下滑動的機械臂,在機械臂末端與探頭相連,根據不同的樣品類型應選擇合適的探頭,并將樣品放置于探頭下的主機底座上,測得的數據通過主機傳輸至電腦。質構儀主要分析測試距離(distance)、時間(time)以及作用力(force)之間的關系,測定結果為食品質構特性在力學特性中的基本反映[10]。
食品質構儀的測量方法是將儀器的物理性質與質構特性相關聯,通過一定的分析評定方法來評價質構[11]。在質構儀主機機械臂與探頭之間連接力學傳感器,進行試驗時,機械臂根據設定的速度上下移動,其上的探頭會在接觸樣品時受到一個作用力,此時力學傳感器將其傳輸至計算機當中,通過專用軟件轉換為需要的數據和圖形,從而反映出樣品物體的受力情況[12]。
質構儀在果蔬物性測試領域的應用主要是檢測其成熟度、硬度、彈性、脆性、斷裂強度、柔軟性等等[1],常見的測試方法有直接和模擬測試法。直接測試法是將探頭按照給定的速度或壓力下壓得到相關數據,以此來體現果蔬的質構特性,可用模式包括:質構剖面分析(texture profile analysis,TPA)、剪切、壓縮、穿刺試驗等。模擬測試法是通過選擇適合不同果蔬質構的探頭來模擬果蔬的各種處理方式,可以判斷果蔬的質構變化[12]。資料顯示,研究人員用質構儀對果蔬的質地進行研究時,大多選用TPA和穿刺的方法,應用領域包括在測試蘋果、草莓、水蜜桃、枇杷、楊梅、芒果、桃、圣女果、藍莓、獼猴桃、辣椒、馬鈴薯、水果黃瓜、梨、西瓜、無花果、果桑、卷心菜等果蔬的質構及流變學特性。
質構剖面分析(TPA)通過對樣品的兩次機械壓縮模擬牙齒咀嚼來得到相關的質地參數[13]。潘秀娟等[14]對蘋果進行TPA試驗,比較不同品種蘋果采后果肉的質地變化,通過分析果肉黏著性、凝聚性以及彈性值等與質地參數的相關性,選取適合的5項參數來判斷嘎拉和紅富士蘋果的質地差異,得出前者采后更容易變綿軟的結論。曹雪慧等[15]采用TPA試驗對草莓的各項質構指標進行分析,比較新鮮草莓和經過不同溫度冷凍處理草莓在硬度、黏彈性、膠著度以及咀嚼性方面的差異,得出結論:冷凍處理和提升凍結速度都會顯著抑制草莓的變質。
用TPA方法不僅可以分析果蔬的品質,還可以根據果蔬采摘后質地的變化規(guī)律預測其貯藏期,為選取果蔬產品貯藏方法提供指導。姜松等[16]用質構儀研究水蜜桃在貯藏期間的質地變化規(guī)律,通過TPA試驗得到隨貯藏時間延長在不同貯藏溫度條件下果肉質地參數的變化,結果發(fā)現貯藏溫度對獼猴桃的品質有顯著影響,各質構參數會隨貯藏時間延長而呈下降趨勢,且8℃的貯藏溫度較0℃條件下各參數下降更快。宋肖琴[17]用質構儀對6種枇杷果實采后質地變化進行研究,選取黏彈性、凝聚性、咀嚼性、出汁率等參數指標比較不同貯藏條件對枇杷果實質地的影響,結果表明先將枇杷在5℃進行6 d的預貯,然后再轉至0℃下貯藏,可以顯著降低枇杷果實的衰老速度。徐志斌等[18]采用TPA方法研究楊梅果實采后果肉的品質變化規(guī)律,研究發(fā)現隨貯藏時間延長果肉的硬度、咀嚼性、凝聚性、回復性會迅速下降,可以將以上4個質構參數作為楊梅果實品質變化的評價指標,研究者還提出一個失重率與貯藏時間的經驗公式,為貯藏期間評價楊梅果實品質變化提供了一個簡便方法。
不同的測試條件對TPA方法得到的結果也有很大的影響,對于不同種類的果蔬,應該選取相應的測試條件和方法。何全光等[19]利用物性分析儀優(yōu)化芒果果肉的TPA測試條件,研究測試速度、壓縮率和測試方向對不同成熟度的芒果果肉質構特性測定結果的影響。研究表明,測試速率和測后速率選用1 mm/s、壓縮率選取20%~30%、果皮面向探頭,測試結果可以客觀反映出芒果果肉的質構特征。李永紅等[20]用質構儀對鮮食桃進行TPA測試,分析壓縮速度和壓縮程度對桃果實的硬度、內聚性、彈性等質地參數的影響情況。結果表明,壓縮速度為1 mm/s,壓縮程度為20%的測試條件能夠較好的表征鮮食桃果肉的質地特性。
為了給生產銷售過程提供最佳品質的果蔬產品,還可以模擬果蔬加工、運輸等中間過程,通過質構儀來測試其質構特性的變化。胡亞云等[21]將TPA方法和感官評價法結合起來,模擬圣女果在超市貨架期的狀態(tài),測定其在銷售期間質構特性變化的指標,將貨架期同品質變化規(guī)律相關聯。該研究表明,貨架期的前4 d圣女果硬度、咀嚼性、彈性及回復性等質構特性下降較慢,具有較好的食用價值;貨架期的第6天開始,這些質構特性會急劇降低,不再具有食用價值,此結果可以為相關的生產、銷售及消費人員提供指導性建議。劉萌等[22]將新鮮藍莓用6種方式包裝并模擬物流的運輸過程,物流結束后用TPA方法測定藍莓的質構特性,同時對物流結束后藍莓6 d貨架期期間的質構變化進行研究。結果發(fā)現,選用預冷+自發(fā)氣調保鮮袋+蓄冷劑包裝的藍莓在物流結束后可以呈現更好的質構特性,并且在貨架期內也能保持較好的品質。吳旻丹等[23]用質構儀TPA試驗對3個品種的獼猴桃在常溫儲藏時的質構特性進行分析,并建立了模擬人工咀嚼獼猴桃果實的數學模型Y咀嚼性=0.055X硬度+0.161X彈性+2.521X耐咀性-0.566(R2=0.858),這使得質構儀通過模擬口腔咀嚼來檢測獼猴桃果實在貯藏期間的質構變化可以更加客觀準確。
質構儀的穿刺方法和牙齒刺破樣品的過程相似,測試用的探頭面積通常比樣品的接觸面積小,測試參數包括破裂強度——曲線第一峰的力值、凹陷深度——曲線第一峰的運行距離、凝膠強度——曲線第一峰力值與運行距離的乘積[24]。Guinéa[25]用質構儀對辣椒邊緣進行穿刺試驗以測定辣椒的硬度,探頭選用2 mm直徑、測試速度為2 mm/s,最大穿刺力就可以作為辣椒硬度的衡量指標。Chiavaro等[26]用質構儀穿刺試驗測定馬鈴薯的硬度,選用3 mm直徑的圓柱形探頭、測試速度為1 mm/s、壓縮量為10%,穿刺馬鈴薯表面所需的力即可以作為其硬度的衡量指標。姜松等[27]用TA-XT2i質構儀對水果黃瓜進行穿刺試驗,研究水果黃瓜在不同貯藏溫度下質地特性的變化,得到果實的堅實度、壓縮斜率和破裂變形這3個參數的變化關系。結合貯藏期間果實的感官品質分析發(fā)現,3個參數的變化曲線可以很好地反映水果黃瓜在不同溫度下的最佳貯藏時間,為貯藏期間水果黃瓜的品質變化提供了可以量化的依據。張謙益等[28]用穿刺的方法研究梨果實的質構特性,監(jiān)測其在貨架期期間的質地變化,并分析各質地參數的相關性,得到梨果實在貨架期的破裂強度和軟化過程中品質變化趨勢的信息。
由于不同果蔬的質構和感官特性可能存在一些差異,因此有必要進行相關性分析的試驗。楊靜等[29]為了驗證西瓜力學特性和感官品質的相關性,用質構儀分別對15個不同品種的西瓜進行穿刺試驗。研究證明,果肉的脆度及緊實度等質構參數與感官評價指標的關系存在很高的相關性。Paul等[30]用質構儀對9個不同品種的蘋果進行穿刺試驗,鑒別脆度與感官評價結果的相關性。結果表明,用質構儀分析蘋果的脆度水平與感官分析得到的結論有很高的相關性,并較其他儀器更加準確。
用質構儀對果蔬進行穿刺試驗,采取不同的測試和樣品條件都會對結果產生不同的影響。馮慧敏等[31]用質構儀在不同加載速度和測試形態(tài)下對蘋果進行穿刺試驗,分別測試樣品的屈服力(N)、破裂深度(mm)、破裂能(N·mm)以及果肉平均硬度(N)等力學指標。研究發(fā)現,不同加載速度和測試形態(tài)對蘋果果實的質構特性影響顯著,對蘋果切塊試樣穿刺得到的數據不如整果試樣測得的數據穩(wěn)定,而且對蘋果軸向和縱向穿刺的力學特性也存在差異。孫銳等[32]分析比較從3個不同部位對無花果果實進行穿刺試驗的差異性,并采用配對T檢驗對不同成熟度的無花果果實進行比較分析。得到近果柄端、近果目端和果實中部的硬度差異以及不同成熟度下力學特性的區(qū)別,為果實食用和后期加工處理提供理論依據。梁靜等[33]用質構儀對不同品種果桑進行穿刺試驗,采用方差分析法分析質構特性的差異,比較得出果皮硬度、果皮破裂距離、果皮脆度、果皮韌性、果肉硬度、粘連性、黏性之間的差異和相關性。趙登超等[34]用不同型號的探頭分別測試不同品種石榴籽的質構特性,通過穿刺試驗得到果肉硬度及果膜強度等品質的精確數據。
Jaiswal等[35]用剪切的方法測試熱燙處理后卷心菜硬度等質構參數,并與新鮮卷心菜做比較,分析卷心菜在加工過程中對溫度的敏感程度。張謙益等[36]用TA-XT2i質構儀對梨果實進行蠕變試驗,比較分析不同載荷和不同蠕變時間對測試結果的影響。結果發(fā)現,梨果實的蠕變變形量會隨載荷和蠕變時間的增加而變大,其中載荷的影響效果要比蠕變時間更加顯著;而當載荷過小時又會出現應力飽和的現象,也容易發(fā)生損傷。郭文斌[37]對完整的馬鈴薯塊莖進行壓縮-應力松弛試驗,并比較整莖和切割后試樣相應的壓縮-應力松弛特性參數,通過建立黏彈性模型,取得壓縮過程中黏彈性參數,以上參數可以為測定馬鈴薯淀粉含量提供依據。王海鷗等[38]用質構儀對獼猴桃果實進行壓縮-應力松弛試驗,分析果肉和果囊的流變特性參數差異,此試驗為獼猴桃果實的品質評價和特性分析提供了基礎。王海鷗等[39]還對蘋果進行了加載-卸載試驗,分析貨架期間壓縮斜率、彈性度、滯后損失以及硬度的變化趨勢。結果發(fā)現,以上特性均隨時間延長而呈下降趨勢,并且得出擬合度最高的3次多項式模型來預測蘋果貨架期間的硬度變化,為蘋果質構品質的快速檢測提供了參考。
雖然目前質構儀在果蔬質構檢測方面的研究不斷加深,但還是存在缺乏標準的測試參數及方法等局限性。比如測試條件會影響果蔬質構的測定結果,包括測試樣品本身(規(guī)格大小、型號、取樣量、取樣部位、擺放方式等)、測試模式(拉伸、穿刺、壓縮、剪切等)、測試參數條件(探頭、壓縮程度、壓縮速率等)以及測試關鍵指標的選取等。另外,質構特性的研究雖然可以在一定程度上指導生產,但與工業(yè)化生產的聯系還不是十分的緊密。而且質構儀的測定結果和實際上的感官結果還是存在一定的差距,缺少科學的量化指標,仍需要結合感官評價的方法來對果蔬的品質進行測定。
總的來說,質構儀在測定果蔬產品質構特性領域已經有了大量的研究,為果蔬采后加工、運輸、貯藏及開發(fā)提供理論基礎。目前,已經有越來越多的果蔬質構測試方法被開發(fā)出來,而且質構儀有著檢測簡單、準確客觀等優(yōu)勢,對品質控制和產品開發(fā)都可以提供技術支撐。另外,還可以考慮將質構儀的測定結果與果蔬產品成熟、衰老、腐爛、變質等生理生化指標結合起來,為果蔬的系列研究提供理論依據。由于TPA、穿刺等測試方法會對果蔬本身造成破壞,可以考慮開發(fā)超聲、光學等無損檢測方法,實現快速實時地檢測果蔬產品的質構特性。綜上所述,質構儀在果蔬研究領域還有更加廣闊的發(fā)展空間。