馬鈴薯片在機(jī)械壓縮過(guò)程中的脆性分級(jí)研究

馬鈴薯片在機(jī)械壓縮過(guò)程中的脆性分級(jí)研究

近年來(lái)，脫水食品的脆脆休閑食品以其獨(dú)特的口感、豐富的營(yíng)養(yǎng)成分、便于攜帶、長(zhǎng)期維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)而聞名。目前，市場(chǎng)上出售的果蔬脆片種類越來(lái)越多，品質(zhì)也存在差異，影響果蔬干產(chǎn)品品質(zhì)的因素主要有色澤、硬度、韌性、脆性等。脆性與食品加工后的結(jié)構(gòu)、加工特性等因素息息相關(guān)，是衡量果蔬脆片品質(zhì)的一個(gè)重要屬性，也是果蔬脆片類食品主要研究方向之一目前學(xué)術(shù)界對(duì)食品“脆性”有多種定義，脆性判別依據(jù)主要有產(chǎn)品的質(zhì)地結(jié)構(gòu)、咬和咀嚼產(chǎn)生的聲音、產(chǎn)品破碎時(shí)需要的力、產(chǎn)品破碎后碎塊分布情況等材料受力產(chǎn)生變形或斷裂，以彈性波形式釋放出能量的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射，又稱應(yīng)力波發(fā)射本實(shí)驗(yàn)在機(jī)械法的基礎(chǔ)上，將聲學(xué)法與之相結(jié)合，擬發(fā)展果蔬干食品脆性的力學(xué)和聲學(xué)綜合測(cè)量新方法，以求更全面地定量分析果蔬片脆性。以3種不同馬鈴薯干脆片為實(shí)驗(yàn)材料，采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)薯片在壓縮過(guò)程中的聲音信號(hào)，構(gòu)建果蔬薄片機(jī)械壓縮過(guò)程力學(xué)和聲發(fā)射檢測(cè)平臺(tái)，采集馬鈴薯片在機(jī)械壓縮至斷裂過(guò)程中力學(xué)和聲學(xué)信號(hào)，從聲波能量信號(hào)的峰值與最大應(yīng)力的角度對(duì)馬鈴薯片進(jìn)行脆性分級(jí)，為果蔬干產(chǎn)品的脆性力學(xué)和聲學(xué)綜合評(píng)價(jià)提供參考。1材料和方法1.1良品檔案局ac營(yíng)養(yǎng)成分樣品A：馬大姐原味薯片北京京峰昌盛食品有限公司；樣品B：董小姐原味焙烤薯片浙江小王子食品有限公司；樣品C：良品鋪?zhàn)釉逗婵臼砥计蜂佔(zhàn)庸煞萦邢薰尽悠稟～C營(yíng)養(yǎng)成分如表1所示。圖1為樣品A～C外觀圖，其中樣品A為直徑43mm、厚度1.79mm的圓形薄片；樣品B為直徑44mm、厚度2.18mm的心形薄片；樣品C為直徑52mm、厚度1.46mm的圓形薄片。1.2ct-3食品質(zhì)構(gòu)Micro-II型數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)（包括聲發(fā)射儀、傳感器、前置放大器、信號(hào)采集系統(tǒng)等）北京聲華興業(yè)科技有限公司；CT-3食品質(zhì)構(gòu)儀美國(guó)博勒飛公司；Sigma300場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡德國(guó)卡爾蔡司管理有限公司。1.3方法1.3.1聲發(fā)射信號(hào)分析薯片脆性檢測(cè)裝置如圖2所示，主要包含食品質(zhì)構(gòu)儀和聲發(fā)射儀。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在質(zhì)構(gòu)儀載物臺(tái)上放置一塊直徑77mm、厚度4mm、表面平整的不銹鋼載物圓盤(pán)，將薯片放置在金屬載盤(pán)上，利用食品質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行機(jī)械壓縮。將一個(gè)聲發(fā)射傳感器探頭用耦合劑耦合在載物盤(pán)上，采集薯片在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生并通過(guò)金屬圓盤(pán)傳遞的聲發(fā)射信號(hào)；將另一個(gè)聲發(fā)射探頭放置在載物盤(pán)旁空氣中，作為對(duì)照組收集背景噪聲信號(hào)，以便和實(shí)驗(yàn)組聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。在壓縮測(cè)試過(guò)程中，質(zhì)構(gòu)儀選用TA35探頭（直徑35mm），經(jīng)過(guò)前期多次實(shí)驗(yàn)后，設(shè)置觸發(fā)力為5g，探頭前進(jìn)速率為2mm/s，應(yīng)力和聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集同時(shí)進(jìn)行1.3.2高真空電子顯微鏡掃描設(shè)備將新拆封的樣品A～C橫切，制取橫斷面切片，在場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡下進(jìn)行高真空電子顯微鏡掃描，實(shí)驗(yàn)前需對(duì)樣品進(jìn)行噴金處理，圖像放大50倍。1.4數(shù)據(jù)處理和分析對(duì)樣品A～C分別進(jìn)行50次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2007軟件整理，使用OriginPro軟件繪制圖表。2結(jié)果與分析2.1聲發(fā)射信號(hào)和能量圖3為樣品A的某個(gè)樣本在壓縮時(shí)應(yīng)力隨時(shí)間的變化，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，壓縮過(guò)程中出現(xiàn)多個(gè)峰值。在初始?jí)嚎s階段（0～0.35s）時(shí)，出現(xiàn)第一個(gè)應(yīng)力峰值。在0.35～0.68s時(shí)，應(yīng)力逐漸增大，應(yīng)力峰值在0.68s時(shí)達(dá)到最大，為0.058MPa，此時(shí)薯片被壓碎，質(zhì)構(gòu)儀停止運(yùn)行。圖4為樣品A在機(jī)械壓縮過(guò)程中的脈沖信號(hào)波形及能量圖。由圖4a可知，聲波脈沖信號(hào)豐富，而背景噪聲信號(hào)較少，說(shuō)明背景噪聲影響可以忽略。需要說(shuō)明的是，聲發(fā)射儀開(kāi)始采集的0.77s時(shí)刻，質(zhì)構(gòu)儀探頭剛達(dá)到觸發(fā)力（圖4a箭頭處），即相比聲波信號(hào)采集，應(yīng)力數(shù)據(jù)采集延遲0.77s。在聲發(fā)射信號(hào)全波形圖的初始階段即0.77～0.83s（扣除延遲時(shí)間0.77s后，為0～0.06s）時(shí)，薯片所受的應(yīng)力較小，無(wú)聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)；在0.84s和1.07s時(shí)刻左右（0.07s和0.30s），分別出現(xiàn)兩個(gè)短時(shí)、但幅度較大的聲發(fā)射信號(hào)峰，推測(cè)為薯片內(nèi)部單個(gè)孔洞破裂所致；在1.24～1.66s(0.47～0.89s），隨著應(yīng)力進(jìn)一步增大，薯片內(nèi)部孔洞在受壓過(guò)程中不斷破裂，聲發(fā)射信號(hào)峰連續(xù)出現(xiàn)，構(gòu)成一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)密集區(qū)，在1.28s(0.51s）時(shí)出現(xiàn)一個(gè)聲發(fā)射脈沖信號(hào)最大峰值。從圖4a篩選出其中一個(gè)特征參數(shù)——能量（單位時(shí)間聲發(fā)射脈沖信號(hào)能量累計(jì)值），得到圖4b，其橫坐標(biāo)表示從圖4a的時(shí)間軸中減去0.77s的時(shí)間差，得到應(yīng)力和聲發(fā)射信號(hào)采集開(kāi)始時(shí)刻同步的時(shí)間，縱坐標(biāo)為能量，能量隨壓縮時(shí)間的變化與圖4a基本一致。圖5為由圖3和圖4b合并得到的樣品A在機(jī)械壓縮時(shí)的應(yīng)力和聲發(fā)射能量圖。在0.68s時(shí)，薯片整體破裂，能量信號(hào)達(dá)到最大，為106.81mV·ms，此時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大，為0.058MPa，說(shuō)明薯片應(yīng)力變化和聲發(fā)射信號(hào)之間存在著一定的因果關(guān)系。2.2聲發(fā)射能量分布取50組樣品A，進(jìn)行機(jī)械壓縮過(guò)程力學(xué)和聲學(xué)測(cè)試，并重復(fù)2.1節(jié)中數(shù)據(jù)處理，以最大聲發(fā)射能量為橫坐標(biāo)，最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，可得到樣品A的50組樣本聲發(fā)射能量-應(yīng)力散點(diǎn)圖（圖6）。樣品A應(yīng)力跨度大，應(yīng)力范圍為0.015～0.12MPa；從分布位置看，應(yīng)力相對(duì)集中在0.015MPa和0.08MPa兩個(gè)區(qū)域；聲發(fā)射能量范圍為30～320mV·ms，但相對(duì)集中在50～120mV·ms區(qū)域。由圖7a可知，應(yīng)力在0～0.03MPa之間有一個(gè)密集區(qū)，數(shù)量占總樣本數(shù)的48%；在0.06～0.105MPa之間，數(shù)量占總樣本數(shù)的36%；累積頻率為0.5時(shí)，平均最大應(yīng)力為0.035MPa。由圖7b可知，聲發(fā)射能量在40～120mV·ms之間有一個(gè)密集區(qū)，數(shù)量占總樣本數(shù)的64%，可見(jiàn)樣品A聲發(fā)射能量分布較集中；當(dāng)累積頻率為0.5時(shí)，樣品A平均最大聲發(fā)射能量為93.51mV·ms。2.3聲發(fā)射能量分析與樣品A類似，對(duì)樣品B和C的各50個(gè)樣本進(jìn)行應(yīng)力和聲發(fā)射測(cè)試和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到3個(gè)樣品最大應(yīng)力-聲發(fā)射能量散點(diǎn)分布圖（圖8）。樣品A能量和應(yīng)力分布比較離散，應(yīng)力主要集中分布在0.015～0.08MPa內(nèi)，聲發(fā)射能量主要集中分布在50～120mV·ms；樣品B分布較樣品A集中，在應(yīng)力較高區(qū)域內(nèi)少有分布，能量較高區(qū)域內(nèi)沒(méi)有分布，應(yīng)力主要集中分布在0.005～0.07MPa之間，能量主要集中分布在15～75mV·ms之間；樣品C能量分布比較集中，在10～70mV·ms之間，應(yīng)力分布比較離散，主要分布在0.02～0.1MPa區(qū)域內(nèi)。以平均最大應(yīng)力和聲發(fā)射能量對(duì)圖8進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到圖9。將平均聲發(fā)射能量0～99mV·ms均勻劃分為低能量（0～33mV·ms）、中能量（34～66mV·ms）、高能量（67～99mV·ms)3個(gè)區(qū)域，將應(yīng)力0～0.063MPa均勻劃分為低應(yīng)力（0～0.021MPa）、中應(yīng)力（0.022～0.042MPa）、高應(yīng)力（0.043～0.063MPa)3個(gè)區(qū)域。當(dāng)累積頻率為0.5時(shí)，樣品A的平均最大能量為93.51mV·ms、平均最大應(yīng)力為0.035MPa，分布在高能量-中應(yīng)力區(qū)域；樣品B平均最大能量為43.16mV·ms、平均最大應(yīng)力為0.025MPa，分布在中能量-中應(yīng)力區(qū)域；樣品C平均最大能量為37.55mV·ms、平均最大應(yīng)力為0.061MPa，分布在中能量-高應(yīng)力區(qū)域。樣品A～C薯片應(yīng)力和聲發(fā)射能量分布差異，可利用掃描電子顯微鏡觀察其不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)合薯片內(nèi)部顯微質(zhì)構(gòu)圖（圖10）和圖5可知，當(dāng)內(nèi)部孔洞或裂縫呈多層排列且排列越規(guī)則、緊密時(shí)，壓碎樣品得到的聲發(fā)射能量信號(hào)峰值越大。樣品A斷口表面呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，孔洞之間排列規(guī)則、緊密，壓碎樣品A前需要壓破排列緊密、形狀規(guī)則的孔洞，因此得到的能量信號(hào)峰值較大；樣品B斷口表面凹凸不平，孔洞之間呈多層排列，與樣品A相比排列稍散亂、稀疏，采集到的能量信號(hào)峰值較樣品A稍弱；樣品C斷口表面為多個(gè)扁平狀長(zhǎng)裂縫單層排列，孔隙分布較樣品A、B稀疏，因此采集到的能量信號(hào)峰值最弱。此外，樣品C的孔壁較樣品A稍厚、并且孔壁單層排列，結(jié)合密實(shí)；而樣品B孔壁最薄，孔壁之間連接松散。因此，可知將樣品C壓碎所需的應(yīng)力最大，樣品A所需的應(yīng)力比樣品C稍小，樣品B所需的應(yīng)力最小。3大應(yīng)力-聲發(fā)射能量本實(shí)驗(yàn)擬將薯片力學(xué)和聲學(xué)測(cè)量所獲得的最大應(yīng)力-聲發(fā)射能量圖（圖8和圖9）用于食品脆性分級(jí)系統(tǒng)構(gòu)建。例如以最大應(yīng)力，即質(zhì)構(gòu)儀在下壓過(guò)程樣品的斷裂力用來(lái)表示硬度4馬鈴薯片應(yīng)力和聲發(fā)射能量分布本實(shí)驗(yàn)通過(guò)構(gòu)建果蔬干脆片機(jī)械壓縮過(guò)程力學(xué)和聲學(xué)特性檢測(cè)平臺(tái)，以市售馬鈴薯脆片為實(shí)驗(yàn)材料，采集馬鈴薯片在機(jī)械壓縮至斷裂過(guò)程中力學(xué)和聲學(xué)信號(hào)，分析果蔬脆性與應(yīng)力和聲發(fā)射信號(hào)之間的關(guān)系，并得到結(jié)論：1）實(shí)驗(yàn)條件下，檢測(cè)平臺(tái)能夠采集馬鈴薯片在被壓縮至破碎過(guò)程中的應(yīng)力和聲發(fā)射脈沖連續(xù)信號(hào)。2）機(jī)械壓縮過(guò)程中，馬鈴薯片單樣本在整體破碎時(shí)出現(xiàn)的最大應(yīng)力和聲能量峰