面包的质构特性与隔声系数相关性研究

梁 义 冯 涛 张子涵 - 汪 婕 王 晶

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048)

面包作为人们喜爱的食品，具有丰富的营养价值，目前世界上已有很多国家以面包为主食，研究其品质特性具有重要意义[1-2]。评价面包品质的方法分为主观评价和客观评价[3]。主观评价采用人工评分的方法，对面包的外观、内部结构、品尝口感进行打分，由于其具有主观性强、操作繁琐、准确性和复现性差等缺点[4]，现在主要采用仪器对面包的品质特性进行客观的评价，即TPA质构分析。TPA质构分析又被称为两次咀嚼测试，通过模拟人口腔咀嚼运动，对面包进行两次压缩得到测试曲线，从中分析面包质构特性参数：硬度、弹性、咀嚼性、胶黏性等。彭义峰等[5]的研究证明了客观评价与主观评价具有显著的相关性，但是TPA质构分析需对面包进行破坏，无法实现无损检测。

目前，利用食品的声学特性进行食品的无损检测研究倍受重视。Lakshmanan S等[6]根据肉制品在超声波作用下的吸收特性和衰减系数以及其本身的声阻抗,对肉制品中脂肪含量进行了无损检测研究。危艳君等[7]利用声波信号的声透过率建立了西瓜糖度检测模型，为声学无损检测西瓜成熟度提供了参考。张林[8]采用传递函数法在阻抗管中对小麦、精米、糙米、大豆、稻谷、玉米6种粮食进行了声阻抗特性、吸声系数的检测，设计了粮堆声信号无损检测分析平台。以上研究都是以食品的隔声系数、吸声系数为研究重点，说明食品的隔声系数、吸声系数与食品品质特性的相关性更大些。由于隔声系数能够反映物质整体的结构特征，本研究拟从面包的声学特性入手，针对面包隔声系数与质构特性参数的相关性进行研究，建立起面包声学特性与面包客观评价的桥梁，并用最小二乘法进行回归分析，为实现面包品质特性的无损检测提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

面包材料：主要是从超市购买的白面包和全麦面包2种，全麦面包是指用没有去掉外面麸皮和麦胚的全麦面粉制作的面包，白面包则是用精粉制作的普通面包；

阻抗管：B&K4206型，丹麦Bruel&Kjaer公司；

数据采集前端：B&K3560B型，丹麦Bruel&Kjaer公司；

质构仪：TA.XT Plus型，英国Stable Micro System公司。

1.2 试验步骤与方法

1.2.1 隔声系数测定 对新鲜的面包切片，得到直径为29 mm，高度为10 mm的圆柱体面包样本，将样本置于声学阻抗管中，按照GB/T 18696.2—2002进行面包片样品隔声系数的测量，得到100～6 400 Hz的隔声系数曲线[9]，之后将新鲜的面包置于空气中，每隔1 h对其进行类似步骤的测量。测试系统见图1。

图1 材料隔声测试系统图Figure 1 Material sound insulation test system diagram

1.2.2 质构特性参数测定 对新鲜面包切片，得到10 cm×10 cm，高10 mm的长方体面包样本，然后将样本置于质构仪试验台进行TPA质构分析，测前速度：2.00 mm/s；测中速度：1.00 mm/s；测后速度：1.00 mm/s；压缩程度：50%，得到面包的质构特性参数：硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性[10]，之后将新鲜的面包置于空气中，每隔1 h对其进行采样测量。

1.2.3 数据分析方法 用Matlab软件编程对测得不同时间点面包的隔声系数和其质构特性参数进行双变量相关分析，求其Pearson系数，公式为

(1)

式中：

r——Pearson系数；

xi——某个时间点在同一频率的隔声量，dB；

yi——某个时间点的质构特性参数值；

选取最大的Pearson系数所对应的频率，对该频率的隔声系数与质构特性参数进行最小二乘法回归分析。

2 结果与分析

2.1 全麦面包分析结果

2.1.1 隔声系数 从试验数据中提取5个时间点的隔声系数曲线进行分析，见图2。

根据图2可以发现，随着面包在空气中放置时间的延长，面包的隔声系数曲线整体向上移动，说明面包的隔声系数在不断提高。由于面包长时间置于空气中，其结构会变得密实，结构表面变得坚硬，大多数声能在面包中被反射回来，导致隔声系数在不断提高。

图2 不同时间的隔声系数曲线Figure 2 Sound insulation coefficient curve at different time

2.1.2 质构特性参数 从试验数据中提取5个相同时间点的质构特性参数进行分析，见表1。

表1 不同时间的质构特性参数

根据表1可以发现，随着面包在空气中放置时间的延长，面包的硬度、胶黏性、咀嚼性都有所提高，而面包的弹性却随之降低，这是由于面包中的支链淀粉结晶以及水分的迁移，导致面包结构变得密实，结构表面变得坚硬[12]。

2.1.3 相关性分析及最小二乘法回归分析 在测量隔声系数试验中，得到的是面包100～6 400 Hz的隔声系数曲线。由于不能对所有频段的隔声系数进行最小二乘法回归分析，需要选出相关性较大的频段，因此先进行双变量相关分析，计算不同频率的Pearson系数，选取Pearson系数最大值(指绝对值最大)所在的频段[13]，见表2。

表2 不同质构特征参数的Pearson系数

根据表2和图3可以发现，面包的硬度、胶黏性、咀嚼性都与100，1 684，1 764 Hz频率的隔声系数呈显著正相关，面包的弹性与6 304 Hz隔声系数呈显著负相关。分别选择100，6 304，1 684，1 764 Hz的隔声系数与面包的硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性进行最小二乘法回归分析[14]。

100 Hz隔声系数与面包硬度回归方程为y=1.480 6x-1.110 8；6 304 Hz隔声系数与面包弹性回归方程为y=-0.067 9x+6.663 9；1 684 Hz 隔声系数与面包胶黏性回归方程为y=0.738 5x-2.339 4；1 764 Hz的隔声系数与面包咀嚼性回归方程为y=3.276 8x-7.051 0，均呈线性关系。

2.2 白面包分析结果

2.2.1 隔声系数 从试验数据中提取8个时间点的隔声系数曲线进行分析，见图4。

根据图4可以发现，随着面包在空气中放置时间的延长，面包的隔声系数曲线没有明显的变化规律，在10∶00时面包的隔声系数曲线在最下边，说明此时的面包隔声系数最低；在12∶00时面包的隔声系数曲线在最上边，说明此时的面包隔声系数达到最高。

图3 质构特性参数与不同频率隔声系数回归分析图Figure 3 Regression analysis chart of textural characteristic parameters and sound insulation coefficient at different frequencies

图4 不同时间的隔声系数曲线Figure 4 Sound insulation coefficient curve at different time

2.2.2 质构特征参数 从试验数据中提取8个时间点的质构特性参数进行分析，见表3。

根据表3可以发现，随着面包在空气中放置时间的延长，面包的硬度、胶黏性、咀嚼性都有所提高，而面包的弹性有下降的趋势，与全麦面包相同，都是由于面包中的支链淀粉结晶以及水分的迁移，导致面包结构硬化。

2.2.3 相关性分析及最小二乘法回归分析 先对所有频段隔声系数与质构特性参数做双变量相关分析，计算不同频率的Pearson系数，选取Pearson系数最大值(指绝对值最大)的频段，见表4。

表3 不同时间的质构特性参数

表4 不同质构特征参数的Pearson系数

根据表4可以发现，面包的硬度和胶黏性都与6 116 Hz的隔声系数呈中度相关，面包的咀嚼性与6 168 Hz的隔声系数也呈中度相关，而面包的弹性与5 920 Hz的隔声系数呈中度负相关，与全麦面包相比相关性较差。分别选择6 116，5 920，6 116，6 168 Hz的隔声系数与面包的硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性进行最小二乘法回归分析。

根据图5可以发现，样本点零散的分布在最小二乘法回归直线两边，说明白面包的隔声系数与其硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性不具有线性关系。相比于全麦面包，白面包中不含有麸皮，其结构变化不会受到麸皮的影响，因此白面包的隔声系数与其硬度、弹性、胶黏性、咀嚼性不具有线性关系。

图5 质构特性参数与不同频率隔声系数回归分析图Figure 5 Regression analysis chart of textural characteristic parameters and sound insulation coefficient at different frequencies

3 结论

由于试验选取的样本数量和品种的限制，本研究有一定的局限性，且面包只放置了比较短的时间，对于放置长时间的研究试验，还需要进一步完善。本试验主要对全麦面包和白面包的质构特性参数与隔声系数进行相关性研究，最后用最小二乘法进行了线性回归分析。得到以下几个结论：

(1) 两种面包在空气中的时间越长，其硬度、胶黏性、咀嚼性越大，弹性降低。

(2) 全麦面包在空气中的时间越长，其隔声系数也随之增加；白面包在空气中的时间越长，其隔声系数没有明显的规律性变化。

(3) 全麦面包的硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性都分别与特定频率的隔声系数呈线性关系；白面包的硬度、弹性、胶黏性和咀嚼性与隔声系数不呈线性关系。

本试验构建的面包质构特性参数与隔声系数的数学模型，可为面包品质特性的无损检测提供试验依据，由于全麦面包的质构特性参数与隔声系数具有线性相关性，接下来可以研究全麦面包品质特性无损检测系统的设计与实现。

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