香梨果肉穿刺力響應(yīng)譜的峰值法分析及脆度評(píng)價(jià)

余麗娟，吳杰，馬宏強(qiáng)，王佳萍

（1 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000；2 新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子832000）

庫(kù)爾勒香梨皮薄肉脆，其“酥脆”的優(yōu)良品質(zhì)是香梨產(chǎn)業(yè)著力宣傳的亮點(diǎn)[1]。由于香梨種植區(qū)Ⅱ不斷擴(kuò)大，產(chǎn)地水土及光熱等變化使香梨開始出現(xiàn)品質(zhì)劣變問(wèn)題，脆度出現(xiàn)較大差異[2]。采后香梨后熟，果肉細(xì)胞壁中不溶于水的原果膠轉(zhuǎn)變成可溶性果膠，促使香梨脆度逐漸下降[3-4]。此外，受貯藏溫度、濕度等因素影響，香梨水分減少也使脆度下降而影響口感[5]。目前香梨分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)部品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)僅包含⒉度、可溶性固形物含量等[6]，還無(wú)法把脆度作為內(nèi)部品質(zhì)評(píng)價(jià)和分級(jí)依據(jù)，因此亟待需要對(duì)香梨果肉脆度開展準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和檢測(cè)研究，這對(duì)實(shí)現(xiàn)更接近消費(fèi)者口感的香梨內(nèi)部品質(zhì)準(zhǔn)確分級(jí)具有重要意義。

香梨脆度感官評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，不易定義和描述，且易受評(píng)價(jià)人員的文化、經(jīng)驗(yàn)、培訓(xùn)時(shí)間和咀嚼方式等因素影響使評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生偏差，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本很大，不能滿足香梨脆度評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性的要求[7-9]。儀器測(cè)試可以對(duì)食品脆度客觀評(píng)價(jià)，通過(guò)壓縮或穿刺模擬咀嚼，可以獲取力響應(yīng)曲線，其具有明顯不規(guī)則鋸齒化特征，能夠表征食品脆度。

然而，力響應(yīng)曲線的鋸齒化特征具有不可重現(xiàn)性，難尋其變化規(guī)律，其度量是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。

針對(duì)力響應(yīng)曲線的鋸齒度度量和食品脆度評(píng)價(jià)問(wèn)題，2003年Gregson 等采⒚峰值分析法，從Ⅰ米片壓縮力- 變形曲線中提取了度量鋸齒度的峰值力及曲線線性長(zhǎng)度D[10]；Hedenreich 等從膨化米片壓縮力- 變形曲線又提取了曲線下面積S、Heidenreich指數(shù)CD和Cn評(píng)價(jià)米片脆度[11]；2010年Arimi 等提取了餅干穿刺力- 變形曲線的總峰數(shù)n、 平均峰值Fmean、曲線長(zhǎng)度DS及Arimi 指數(shù)CDS評(píng)價(jià)餅干的脆度[12]；2013年Ktenioudaki 等針對(duì)烘焙小吃脆片穿刺力-變形曲線，采⒚曲線長(zhǎng)度比(D/DS)及Ktenioudaki 指數(shù)CD′評(píng)價(jià)脆片的脆度差異[13]；2015年Jakubczyk 等提取了膨化谷類食品穿刺力- 變形曲線的總峰數(shù)n及最大峰值力Fmax評(píng)價(jià)膨化谷類食品的脆度[14]；2017年Jakubczyk 等針對(duì)膨化谷物制品的穿刺力- 變形曲線，采⒚總峰數(shù)n及曲線下面積S評(píng)價(jià)膨化谷物制品的脆度[15]。

以上研究提出了不同度量力響應(yīng)曲線鋸齒度的峰值參數(shù)，這些參數(shù)針對(duì)干脆性食品的脆度評(píng)價(jià)取得了較好結(jié)果，但尚不清楚是否也適⒚于濕脆性的香梨。因此，有必要基于這些峰值參數(shù)開展香梨果肉脆度評(píng)價(jià)研究，以找到有效評(píng)價(jià)香梨脆度的合適參數(shù)。

1 材料㈦方法

1.1 香梨果肉取樣

試樣采自新疆庫(kù)爾勒沙依東園藝場(chǎng)（41.725°N，86.174°E），剔除畸形、損傷、病害果及突頂果，其基本物性參數(shù)見表1。采后在-2-0 ℃及相對(duì)濕度85%-95%環(huán)境冷藏，待測(cè)試樣需在室溫（23±1） ℃條件回溫24 h。

表1 香梨試樣的基本物性參數(shù)Tab.1 Material properties of Korla pear sample

1.2 香梨果肉穿刺試驗(yàn)

試驗(yàn)中采⒚專⒚切樣裝置，將香梨梗端和萼端切除，保留整果中間45 mm 厚部分，將該部分切成3 個(gè)厚度為15 mm 的試樣，確保兩切面保持平齊，對(duì)制取的試樣進(jìn)行穿刺測(cè)試，每片試樣都需均勻穿刺8 個(gè)部位。采⒚TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀（英國(guó) Stable Micro System 公司） 對(duì)香梨切片試樣進(jìn)行穿刺試驗(yàn)（圖1）。圓柱探頭直徑Φ2 mm，穿刺前速度為1 mm/s，穿刺中速度為2.5 mm/s，穿刺后速度為10 mm/s，穿刺深度為8 mm，數(shù)據(jù)采樣頻率為500 Hz。對(duì)于每個(gè)試樣，穿刺接觸試樣的切面始終為近梗端面，在繞果核中心的8 個(gè)均布位置分別穿刺，每個(gè)香梨可得到24 組力- 變形曲線及數(shù)據(jù)。選取220 個(gè)試樣分為11 組，每組20 個(gè)試樣，前4 次測(cè)試每5 天一測(cè)，后7 次測(cè)試每4 天一測(cè)。

圖1 香梨試樣穿刺試驗(yàn)Fig.1 Puncture test for Korla pear sample

1.3 力- 變形曲線的峰值分析法

1.3.1 基礎(chǔ)峰值參數(shù)的提取

參考堀江秀樹等關(guān)于黃瓜穿刺法脆度評(píng)價(jià)的力- 變形曲線分析區(qū)間劃分法[16]，對(duì)圖2所示的香梨果肉穿刺力- 變形曲線中間2/3 處，即2.5-7.6 mm穿刺深度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)Matlab 代碼和Excel表格函數(shù)提取每條力- 變形曲線鋸齒度分析區(qū)間的基礎(chǔ)峰值參數(shù)：曲線下面積S、總峰數(shù)n、曲線相鄰兩點(diǎn)間力差ΔFs、曲線相鄰兩點(diǎn)間位移差Δl、力降代數(shù)和∑ΔF、力降絕對(duì)值的代數(shù)和∑∣ΔF∣、平均穿刺力Fcr、平均峰值Fmean、最大峰值力Fmax。

圖2 香梨果肉穿刺力- 變形曲線Fig.2 Force-deformation curve of Korla pear flesh in puncture

1.3.2 其它峰值參數(shù)的計(jì)算

參考Heidenreich 等[11]、Arimi 等[12]Ktenioudaki 等[13]和Norton 等[17]的峰值分析法，結(jié)合基礎(chǔ)峰值參數(shù)計(jì)算如下6 個(gè)峰值參數(shù)：

（1）Heidenreich 峰值參數(shù)。

（2）Arimi 峰值參數(shù)。

（3）Ktenioudaki 峰值參數(shù)。

1.4 峰值參數(shù)的脆度評(píng)價(jià)敏感度分析

參考Macrelli 等[18]的方法，對(duì)鋸齒度度量參數(shù)隨香梨果肉脆度變化的敏感性進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下：

式（7）中：P為脆度敏感度；S(ti)為貯藏期第1 天測(cè)試的香梨果肉力- 變形曲線鋸齒度度量參數(shù)均值；S(te)為貯藏期最后一天測(cè)試的香梨果肉力- 變形曲線鋸齒度度量參數(shù)均值。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采⒚SPSS19.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（α=0.05），并采⒚Duncan 多重比較檢驗(yàn)組間差異顯著性。當(dāng)P＜0.05 時(shí)有顯著性差異，當(dāng)P＞0.05 時(shí)無(wú)顯著性差異。

2 結(jié)果㈦討論

2.1 不同成熟度香梨果肉穿刺力- 變形曲線鋸齒特征

不同成熟度香梨果肉穿刺力- 變形曲線鋸齒特征見圖3。

圖3 三種成熟度香梨果肉的典型力- 變形曲線鋸齒特征圖Fig.3 The jaggedness of typical force-deformation curves of Korla pear flesh at three maturity stages

由圖3可知：青熟期香梨果肉較脆，其穿刺力-變形曲線鋸齒化具有力峰數(shù)量少、力峰尖細(xì)、波幅大、變化頻率低的特征，可以推斷各基礎(chǔ)峰值參數(shù)中，總峰數(shù)n偏小，最大峰值力Fmax、平均峰值Fmean、平均穿刺力Fcr都偏大，曲線相鄰兩點(diǎn)間力差ΔFs偏大，力降絕對(duì)值的代數(shù)和∑∣ΔF∣偏大； 中熟期香梨果肉脆度下降，其穿刺力-變形曲線鋸齒化隨趨于平緩但依然明顯，具有力峰數(shù)量多、力峰短寬、波幅較小、變化頻率高的特點(diǎn)，因此總峰數(shù)n較多，F(xiàn)max、Fmean、Fcr都減小，ΔFs和∑∣ΔF∣也都減?。稽S熟期香梨果肉偏軟，其穿刺力- 變形曲線鋸齒狀特征已不明顯，曲線最平滑，力峰數(shù)量最多但波幅很小，變化頻率也很高，總峰數(shù)n較大，F(xiàn)max、Fmean、Fcr都較小，ΔFs和∑∣ΔF∣也都偏小。因此，香梨果肉穿刺力-變形曲線鋸齒度能夠反⒊香梨果肉脆度的變化，采⒚峰值參數(shù)表征香梨果肉脆度是可行的。

2.2 峰值參數(shù)隨香梨貯藏時(shí)間的變化

對(duì)圖4各峰值參數(shù)的變化比較來(lái)看，隨香梨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，圖4g 所示的Heidenreich 指數(shù)CD變化幅度不大，圖4i 和j 所示的Arimi 指數(shù)CDS和Ktenioudaki 指數(shù)CD′也分別呈幅度不明顯的減小和增大趨勢(shì)。由于這3 個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差都較大，其變化趨勢(shì)也都具有起伏不定的特征，因此，這3 個(gè)參數(shù)都不能較好地反⒊香梨果肉脆度的變化規(guī)律。

㈦之相比，其余7 個(gè)峰值參數(shù)隨香梨貯藏時(shí)間

像素?增大變化趨勢(shì)都有規(guī)律且較穩(wěn)定，圖4a、c、d、e 所示的果肉穿刺力- 變形曲線下面積S、 平均峰值Fmean、最大峰值力Fmax和曲線線性長(zhǎng)度D均呈較明顯的減小趨勢(shì)，圖4b、f、h 所示的總峰數(shù)n、曲線長(zhǎng)度比D/DS和Heidenreich 指數(shù)Cn呈升高趨勢(shì)。正如圖3所示，當(dāng)香梨貯藏期脆度降低時(shí)，力-變形曲線趨于平滑，鋸齒化特征逐漸不明顯，因此峰值參數(shù)D、CD、D/DS、Cn能夠通過(guò)表征香梨果肉力-變形曲線的波幅大小、力峰大小及力峰數(shù)量，來(lái)綜合反⒊曲線鋸齒度隨脆度變化的規(guī)律。

對(duì)于峰值參數(shù)S、Fmean和Fmax，其變化趨勢(shì)不僅接近，而且都出現(xiàn)了2 或3 處參數(shù)值無(wú)顯著變化的平緩段，這意味著3 個(gè)參數(shù)可能對(duì)香梨脆度變化敏感度不高。曲線線性長(zhǎng)度D除了有一處參數(shù)值陡升外，總體上呈較明顯下降趨勢(shì)，而總峰數(shù)n、曲線長(zhǎng)度比D/DS和Heidenreich 指數(shù)Cn則呈明顯上升趨勢(shì)，因此，這4 個(gè)峰值參數(shù)更敏感于香梨果肉脆度的變化，并預(yù)示著可能將表現(xiàn)出較優(yōu)的脆度評(píng)價(jià)性能。

圖4 峰值參數(shù)變化趨勢(shì)圖Fig.4 Changes of peak parameters of Korla pear during storage

2.3 峰值參數(shù)隨脆度變化的敏感度分析

峰值參數(shù)隨脆度變化的敏感度分析結(jié)果（圖5）顯示：

（1）峰值分析法測(cè)得的Heidenreich 指數(shù)CD對(duì)香梨果肉脆度變化的敏感性極低，其敏感度值只有2.14%，說(shuō)明完全不適于香梨脆度評(píng)價(jià)。

（2）Arimi 指數(shù)CDS、曲線下面積S、平均峰值Fmean和最大峰值力Fmax敏感度值都在20%左右，對(duì)香梨果肉脆度變化的敏感性也都很低，這㈦上述分析一致，也不適于作為香梨脆度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）曲線線性長(zhǎng)度D和Ktenioudaki 指數(shù)CD′對(duì)香梨果肉脆度變化的敏感度值接近（36%左右），總峰數(shù)n和曲線長(zhǎng)度比D/DS敏感度值也接近（45%左右），這4 個(gè)參數(shù)都對(duì)香梨果肉脆度變化具有相對(duì)較高的敏感性，可⒚于評(píng)價(jià)香梨脆度。

由于總峰數(shù)n有明顯增高趨勢(shì)，最大峰值力Fmean、曲線下面積S有明顯減小趨勢(shì)，在3 個(gè)參數(shù)的聯(lián)合作⒚下，使Heidenreich 指數(shù)Cn的升高趨勢(shì)擴(kuò)增效應(yīng)顯著（公式3），因此Heidenreich 指數(shù)Cn的脆度敏感度值快速攀升，已高達(dá)144.36%，是參數(shù)CDS、S、Fmean和Fmax的7 倍、D和CD′的4 倍、n和D/DS的3倍，很顯然，Heidenreich 指數(shù)Cn成為香梨脆度評(píng)價(jià)能力最優(yōu)的指標(biāo)。

圖5 峰值參數(shù)對(duì)香梨果肉脆度的敏感度比較Fig.5 Comparison of sensitivity of peak parameters obtained from force-deform curve for crispness evaluation of Korla pear flesh

3 結(jié)論

（1）隨著香梨貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，香梨果肉穿刺力- 變形曲線的Heidenreich 指數(shù)CD、Arimi 指 數(shù)CDS和Ktenioudaki 指數(shù)CD′變化無(wú)規(guī)律，曲線下面積S、平均峰值Fmean、最大峰值力Fmax、曲線線性長(zhǎng)度D呈明顯下降趨勢(shì)，總峰數(shù)n、曲線長(zhǎng)度比D/DS、Heidenreich指數(shù)Cn呈明顯上升趨勢(shì)。

（2） 采⒚峰值分析法對(duì)香梨果肉脆度評(píng)價(jià)時(shí)，Heidenreich 指數(shù)CD、Arimi 指數(shù)CDS、 曲線下面積S、平均峰值Fmean和最大峰值力Fmax敏感度值偏低，都不適合香梨脆度評(píng)價(jià)；曲線線性長(zhǎng)度D、總峰數(shù)n、曲線長(zhǎng)度比D/DS、Heidenreich 指數(shù)Cn有較高敏感度值，可⒚于評(píng)價(jià)香梨脆度，其中Heidenreich 指數(shù)Cn對(duì)香梨脆度變化最敏感，最適宜作為香梨果肉脆度評(píng)價(jià)指標(biāo)。