马铃薯片在机械压缩过程中的脆性分级研究

马铃薯片在机械压缩过程中的脆性分级研究

近年来，脱水食品的脆脆休闲食品以其独特的口感、丰富的营养成分、便于携带、长期维护等优点而闻名。目前，市场上出售的果蔬脆片种类越来越多，品质也存在差异，影响果蔬干产品品质的因素主要有色泽、硬度、韧性、脆性等。脆性与食品加工后的结构、加工特性等因素息息相关，是衡量果蔬脆片品质的一个重要属性，也是果蔬脆片类食品主要研究方向之一目前学术界对食品“脆性”有多种定义，脆性判别依据主要有产品的质地结构、咬和咀嚼产生的声音、产品破碎时需要的力、产品破碎后碎块分布情况等材料受力产生变形或断裂，以弹性波形式释放出能量的现象称为声发射，又称应力波发射本实验在机械法的基础上，将声学法与之相结合，拟发展果蔬干食品脆性的力学和声学综合测量新方法，以求更全面地定量分析果蔬片脆性。以3种不同马铃薯干脆片为实验材料，采用声发射技术监测薯片在压缩过程中的声音信号，构建果蔬薄片机械压缩过程力学和声发射检测平台，采集马铃薯片在机械压缩至断裂过程中力学和声学信号，从声波能量信号的峰值与最大应力的角度对马铃薯片进行脆性分级，为果蔬干产品的脆性力学和声学综合评价提供参考。1材料和方法1.1良品档案局ac营养成分样品A：马大姐原味薯片北京京峰昌盛食品有限公司；样品B：董小姐原味焙烤薯片浙江小王子食品有限公司；样品C：良品铺子原味烘烤薯片良品铺子股份有限公司。样品A～C营养成分如表1所示。图1为样品A～C外观图，其中样品A为直径43mm、厚度1.79mm的圆形薄片；样品B为直径44mm、厚度2.18mm的心形薄片；样品C为直径52mm、厚度1.46mm的圆形薄片。1.2ct-3食品质构Micro-II型数字声发射系统（包括声发射仪、传感器、前置放大器、信号采集系统等）北京声华兴业科技有限公司；CT-3食品质构仪美国博勒飞公司；Sigma300场发射扫描电子显微镜德国卡尔蔡司管理有限公司。1.3方法1.3.1声发射信号分析薯片脆性检测装置如图2所示，主要包含食品质构仪和声发射仪。实验时，在质构仪载物台上放置一块直径77mm、厚度4mm、表面平整的不锈钢载物圆盘，将薯片放置在金属载盘上，利用食品质构仪进行机械压缩。将一个声发射传感器探头用耦合剂耦合在载物盘上，采集薯片在压缩过程中产生并通过金属圆盘传递的声发射信号；将另一个声发射探头放置在载物盘旁空气中，作为对照组收集背景噪声信号，以便和实验组声发射信号进行对比分析。在压缩测试过程中，质构仪选用TA35探头（直径35mm），经过前期多次实验后，设置触发力为5g，探头前进速率为2mm/s，应力和声发射数据采集同时进行1.3.2高真空电子显微镜扫描设备将新拆封的样品A～C横切，制取横断面切片，在场发射扫描电子显微镜下进行高真空电子显微镜扫描，实验前需对样品进行喷金处理，图像放大50倍。1.4数据处理和分析对样品A～C分别进行50次重复实验，实验数据采用Excel2007软件整理，使用OriginPro软件绘制图表。2结果与分析2.1声发射信号和能量图3为样品A的某个样本在压缩时应力随时间的变化，随着时间的延长，应力呈先增大后减小的趋势，压缩过程中出现多个峰值。在初始压缩阶段（0～0.35s）时，出现第一个应力峰值。在0.35～0.68s时，应力逐渐增大，应力峰值在0.68s时达到最大，为0.058MPa，此时薯片被压碎，质构仪停止运行。图4为样品A在机械压缩过程中的脉冲信号波形及能量图。由图4a可知，声波脉冲信号丰富，而背景噪声信号较少，说明背景噪声影响可以忽略。需要说明的是，声发射仪开始采集的0.77s时刻，质构仪探头刚达到触发力（图4a箭头处），即相比声波信号采集，应力数据采集延迟0.77s。在声发射信号全波形图的初始阶段即0.77～0.83s（扣除延迟时间0.77s后，为0～0.06s）时，薯片所受的应力较小，无声发射信号出现；在0.84s和1.07s时刻左右（0.07s和0.30s），分别出现两个短时、但幅度较大的声发射信号峰，推测为薯片内部单个孔洞破裂所致；在1.24～1.66s(0.47～0.89s），随着应力进一步增大，薯片内部孔洞在受压过程中不断破裂，声发射信号峰连续出现，构成一个声发射信号密集区，在1.28s(0.51s）时出现一个声发射脉冲信号最大峰值。从图4a筛选出其中一个特征参数——能量（单位时间声发射脉冲信号能量累计值），得到图4b，其横坐标表示从图4a的时间轴中减去0.77s的时间差，得到应力和声发射信号采集开始时刻同步的时间，纵坐标为能量，能量随压缩时间的变化与图4a基本一致。图5为由图3和图4b合并得到的样品A在机械压缩时的应力和声发射能量图。在0.68s时，薯片整体破裂，能量信号达到最大，为106.81mV·ms，此时应力达到最大，为0.058MPa，说明薯片应力变化和声发射信号之间存在着一定的因果关系。2.2声发射能量分布取50组样品A，进行机械压缩过程力学和声学测试，并重复2.1节中数据处理，以最大声发射能量为横坐标，最大应力为纵坐标，可得到样品A的50组样本声发射能量-应力散点图（图6）。样品A应力跨度大，应力范围为0.015～0.12MPa；从分布位置看，应力相对集中在0.015MPa和0.08MPa两个区域；声发射能量范围为30～320mV·ms，但相对集中在50～120mV·ms区域。由图7a可知，应力在0～0.03MPa之间有一个密集区，数量占总样本数的48%；在0.06～0.105MPa之间，数量占总样本数的36%；累积频率为0.5时，平均最大应力为0.035MPa。由图7b可知，声发射能量在40～120mV·ms之间有一个密集区，数量占总样本数的64%，可见样品A声发射能量分布较集中；当累积频率为0.5时，样品A平均最大声发射能量为93.51mV·ms。2.3声发射能量分析与样品A类似，对样品B和C的各50个样本进行应力和声发射测试和实验数据分析，得到3个样品最大应力-声发射能量散点分布图（图8）。样品A能量和应力分布比较离散，应力主要集中分布在0.015～0.08MPa内，声发射能量主要集中分布在50～120mV·ms；样品B分布较样品A集中，在应力较高区域内少有分布，能量较高区域内没有分布，应力主要集中分布在0.005～0.07MPa之间，能量主要集中分布在15～75mV·ms之间；样品C能量分布比较集中，在10～70mV·ms之间，应力分布比较离散，主要分布在0.02～0.1MPa区域内。以平均最大应力和声发射能量对图8进行简化，得到图9。将平均声发射能量0～99mV·ms均匀划分为低能量（0～33mV·ms）、中能量（34～66mV·ms）、高能量（67～99mV·ms)3个区域，将应力0～0.063MPa均匀划分为低应力（0～0.021MPa）、中应力（0.022～0.042MPa）、高应力（0.043～0.063MPa)3个区域。当累积频率为0.5时，样品A的平均最大能量为93.51mV·ms、平均最大应力为0.035MPa，分布在高能量-中应力区域；样品B平均最大能量为43.16mV·ms、平均最大应力为0.025MPa，分布在中能量-中应力区域；样品C平均最大能量为37.55mV·ms、平均最大应力为0.061MPa，分布在中能量-高应力区域。样品A～C薯片应力和声发射能量分布差异，可利用扫描电子显微镜观察其不同的内部结构结合薯片内部显微质构图（图10）和图5可知，当内部孔洞或裂缝呈多层排列且排列越规则、紧密时，压碎样品得到的声发射能量信号峰值越大。样品A断口表面呈蜂窝状结构，孔洞之间排列规则、紧密，压碎样品A前需要压破排列紧密、形状规则的孔洞，因此得到的能量信号峰值较大；样品B断口表面凹凸不平，孔洞之间呈多层排列，与样品A相比排列稍散乱、稀疏，采集到的能量信号峰值较样品A稍弱；样品C断口表面为多个扁平状长裂缝单层排列，孔隙分布较样品A、B稀疏，因此采集到的能量信号峰值最弱。此外，样品C的孔壁较样品A稍厚、并且孔壁单层排列，结合密实；而样品B孔壁最薄，孔壁之间连接松散。因此，可知将样品C压碎所需的应力最大，样品A所需的应力比样品C稍小，样品B所需的应力最小。3大应力-声发射能量本实验拟将薯片力学和声学测量所获得的最大应力-声发射能量图（图8和图9）用于食品脆性分级系统构建。例如以最大应力，即质构仪在下压过程样品的断裂力用来表示硬度4马铃薯片应力和声发射能量分布本实验通过构建果蔬干脆片机械压缩过程力学和声学特性检测平台，以市售马铃薯脆片为实验材料，采集马铃薯片在机械压缩至断裂过程中力学和声学信号，分析果蔬脆性与应力和声发射信号之间的关系，并得到结论：1）实验条件下，检测平台能够采集马铃薯片在被压缩至破碎过程中的应力和声发射脉冲连续信号。2）机械压缩过程中，马铃薯片单样本在整体破碎时出现的最大应力和声能量峰