羅斌，趙有斌，尹學(xué)清，趙東林，杜志龍，何江濤

（中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083）

果蔬中含有人體所必需的維生素、礦物質(zhì)、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)成分，是人們?nèi)粘Ｉ钪袛z入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。英國《自然》雜志指出：果蔬具很強(qiáng)的抗氧化劑活性和抗腫瘤活性，能有效清除體內(nèi)“氧自由基”，延緩人體衰老、預(yù)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(qiáng)，采后容易腐爛變質(zhì)，不易貯藏，并且在運(yùn)輸和加工的過程中，果蔬很容易受到機(jī)械損傷，進(jìn)而導(dǎo)致其品質(zhì)下降，降低營(yíng)養(yǎng)和商品價(jià)值。所以，為了滿足消費(fèi)者對(duì)果蔬產(chǎn)品的消費(fèi)要求，加強(qiáng)果蔬加工貯藏中質(zhì)構(gòu)特性的檢測(cè)就顯得尤為重要[1]。

在食品工業(yè)中，質(zhì)構(gòu)貫穿于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈過程[2]，具有非常重要的地位。質(zhì)構(gòu)作為果蔬品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是果蔬產(chǎn)品的一項(xiàng)重要屬性，而且與果蔬的新鮮程度和可食性密切相關(guān)，從而會(huì)影響消費(fèi)者的選擇[3-4]。果蔬的質(zhì)構(gòu)通常與果蔬的形狀和大小以及一些力學(xué)特性相關(guān)[5]。人們最初采用感官評(píng)價(jià)的方式來判斷果蔬的品質(zhì)，但是這種方法會(huì)由于群體不同而存在一些主觀因素上的差異[6]。若采用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行試驗(yàn)，不僅可以得到豐富的特征參數(shù)，還可以將其與果蔬的硬度、脆性等力學(xué)特性關(guān)聯(lián)起來，并在品質(zhì)監(jiān)控、采后加工處理和運(yùn)輸貯藏監(jiān)測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié)得以應(yīng)用[7]。

1 質(zhì)構(gòu)儀簡(jiǎn)介

質(zhì)構(gòu)儀（texture analyzer）又稱物性分析儀，是一種可以對(duì)食品品質(zhì)做出客觀評(píng)價(jià)的感官化測(cè)量?jī)x器，可以將產(chǎn)品的物性特點(diǎn)做出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)化表述[8]，具有客觀性、易操作等優(yōu)點(diǎn)，避免了感官評(píng)價(jià)方法可能出現(xiàn)的主觀性誤差，從而經(jīng)常被用于食品質(zhì)構(gòu)檢測(cè)，越來越受到研究工作者的青睞[9]。

1.1 質(zhì)構(gòu)儀的構(gòu)造

質(zhì)構(gòu)儀主要由主機(jī)、備用探頭和附件等硬件設(shè)備以及專用軟件組成，其基本結(jié)構(gòu)由樣品變形裝置、樣品承載設(shè)備和結(jié)果記錄系統(tǒng)構(gòu)成。主機(jī)上有一個(gè)可以上下滑動(dòng)的機(jī)械臂，在機(jī)械臂末端與探頭相連，根據(jù)不同的樣品類型應(yīng)選擇合適的探頭，并將樣品放置于探頭下的主機(jī)底座上，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過主機(jī)傳輸至電腦。質(zhì)構(gòu)儀主要分析測(cè)試距離（distance）、時(shí)間（time）以及作用力（force）之間的關(guān)系，測(cè)定結(jié)果為食品質(zhì)構(gòu)特性在力學(xué)特性中的基本反映[10]。

1.2 質(zhì)構(gòu)儀的工作原理

食品質(zhì)構(gòu)儀的測(cè)量方法是將儀器的物理性質(zhì)與質(zhì)構(gòu)特性相關(guān)聯(lián)，通過一定的分析評(píng)定方法來評(píng)價(jià)質(zhì)構(gòu)[11]。在質(zhì)構(gòu)儀主機(jī)機(jī)械臂與探頭之間連接力學(xué)傳感器，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，機(jī)械臂根據(jù)設(shè)定的速度上下移動(dòng)，其上的探頭會(huì)在接觸樣品時(shí)受到一個(gè)作用力，此時(shí)力學(xué)傳感器將其傳輸至計(jì)算機(jī)當(dāng)中，通過專用軟件轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)據(jù)和圖形，從而反映出樣品物體的受力情況[12]。

2 質(zhì)構(gòu)儀在果蔬產(chǎn)品中的應(yīng)用

質(zhì)構(gòu)儀在果蔬物性測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用主要是檢測(cè)其成熟度、硬度、彈性、脆性、斷裂強(qiáng)度、柔軟性等等[1]，常見的測(cè)試方法有直接和模擬測(cè)試法。直接測(cè)試法是將探頭按照給定的速度或壓力下壓得到相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來體現(xiàn)果蔬的質(zhì)構(gòu)特性，可用模式包括：質(zhì)構(gòu)剖面分析（texture profile analysis，TPA）、剪切、壓縮、穿刺試驗(yàn)等。模擬測(cè)試法是通過選擇適合不同果蔬質(zhì)構(gòu)的探頭來模擬果蔬的各種處理方式，可以判斷果蔬的質(zhì)構(gòu)變化[12]。資料顯示，研究人員用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)果蔬的質(zhì)地進(jìn)行研究時(shí)，大多選用TPA和穿刺的方法，應(yīng)用領(lǐng)域包括在測(cè)試蘋果、草莓、水蜜桃、枇杷、楊梅、芒果、桃、圣女果、藍(lán)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(zhì)構(gòu)及流變學(xué)特性。

2.1 TPA方法在果蔬質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

質(zhì)構(gòu)剖面分析（TPA）通過對(duì)樣品的兩次機(jī)械壓縮模擬牙齒咀嚼來得到相關(guān)的質(zhì)地參數(shù)[13]。潘秀娟等[14]對(duì)蘋果進(jìn)行TPA試驗(yàn)，比較不同品種蘋果采后果肉的質(zhì)地變化，通過分析果肉黏著性、凝聚性以及彈性值等與質(zhì)地參數(shù)的相關(guān)性，選取適合的5項(xiàng)參數(shù)來判斷嘎拉和紅富士蘋果的質(zhì)地差異，得出前者采后更容易變綿軟的結(jié)論。曹雪慧等[15]采用TPA試驗(yàn)對(duì)草莓的各項(xiàng)質(zhì)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行分析，比較新鮮草莓和經(jīng)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(jié)論：冷凍處理和提升凍結(jié)速度都會(huì)顯著抑制草莓的變質(zhì)。

用TPA方法不僅可以分析果蔬的品質(zhì)，還可以根據(jù)果蔬采摘后質(zhì)地的變化規(guī)律預(yù)測(cè)其貯藏期，為選取果蔬產(chǎn)品貯藏方法提供指導(dǎo)。姜松等[16]用質(zhì)構(gòu)儀研究水蜜桃在貯藏期間的質(zhì)地變化規(guī)律，通過TPA試驗(yàn)得到隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)在不同貯藏溫度條件下果肉質(zhì)地參數(shù)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)貯藏溫度對(duì)獼猴桃的品質(zhì)有顯著影響，各質(zhì)構(gòu)參數(shù)會(huì)隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)，且8℃的貯藏溫度較0℃條件下各參數(shù)下降更快。宋肖琴[17]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)6種枇杷果實(shí)采后質(zhì)地變化進(jìn)行研究，選取黏彈性、凝聚性、咀嚼性、出汁率等參數(shù)指標(biāo)比較不同貯藏條件對(duì)枇杷果實(shí)質(zhì)地的影響，結(jié)果表明先將枇杷在5℃進(jìn)行6 d的預(yù)貯，然后再轉(zhuǎn)至0℃下貯藏，可以顯著降低枇杷果實(shí)的衰老速度。徐志斌等[18]采用TPA方法研究楊梅果實(shí)采后果肉的品質(zhì)變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)果肉的硬度、咀嚼性、凝聚性、回復(fù)性會(huì)迅速下降，可以將以上4個(gè)質(zhì)構(gòu)參數(shù)作為楊梅果實(shí)品質(zhì)變化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究者還提出一個(gè)失重率與貯藏時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式，為貯藏期間評(píng)價(jià)楊梅果實(shí)品質(zhì)變化提供了一個(gè)簡(jiǎn)便方法。

不同的測(cè)試條件對(duì)TPA方法得到的結(jié)果也有很大的影響，對(duì)于不同種類的果蔬，應(yīng)該選取相應(yīng)的測(cè)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(cè)試條件，研究測(cè)試速度、壓縮率和測(cè)試方向?qū)Σ煌墒於鹊拿⒐赓|(zhì)構(gòu)特性測(cè)定結(jié)果的影響。研究表明，測(cè)試速率和測(cè)后速率選用1 mm/s、壓縮率選取20%～30%、果皮面向探頭，測(cè)試結(jié)果可以客觀反映出芒果果肉的質(zhì)構(gòu)特征。李永紅等[20]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)鮮食桃進(jìn)行TPA測(cè)試，分析壓縮速度和壓縮程度對(duì)桃果實(shí)的硬度、內(nèi)聚性、彈性等質(zhì)地參數(shù)的影響情況。結(jié)果表明，壓縮速度為1 mm/s，壓縮程度為20%的測(cè)試條件能夠較好的表征鮮食桃果肉的質(zhì)地特性。

為了給生產(chǎn)銷售過程提供最佳品質(zhì)的果蔬產(chǎn)品，還可以模擬果蔬加工、運(yùn)輸?shù)戎虚g過程，通過質(zhì)構(gòu)儀來測(cè)試其質(zhì)構(gòu)特性的變化。胡亞云等[21]將TPA方法和感官評(píng)價(jià)法結(jié)合起來，模擬圣女果在超市貨架期的狀態(tài)，測(cè)定其在銷售期間質(zhì)構(gòu)特性變化的指標(biāo)，將貨架期同品質(zhì)變化規(guī)律相關(guān)聯(lián)。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(fù)性等質(zhì)構(gòu)特性下降較慢，具有較好的食用價(jià)值；貨架期的第6天開始，這些質(zhì)構(gòu)特性會(huì)急劇降低，不再具有食用價(jià)值，此結(jié)果可以為相關(guān)的生產(chǎn)、銷售及消費(fèi)人員提供指導(dǎo)性建議。劉萌等[22]將新鮮藍(lán)莓用6種方式包裝并模擬物流的運(yùn)輸過程，物流結(jié)束后用TPA方法測(cè)定藍(lán)莓的質(zhì)構(gòu)特性，同時(shí)對(duì)物流結(jié)束后藍(lán)莓6 d貨架期期間的質(zhì)構(gòu)變化進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選用預(yù)冷+自發(fā)氣調(diào)保鮮袋+蓄冷劑包裝的藍(lán)莓在物流結(jié)束后可以呈現(xiàn)更好的質(zhì)構(gòu)特性，并且在貨架期內(nèi)也能保持較好的品質(zhì)。吳旻丹等[23]用質(zhì)構(gòu)儀TPA試驗(yàn)對(duì)3個(gè)品種的獼猴桃在常溫儲(chǔ)藏時(shí)的質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行分析，并建立了模擬人工咀嚼獼猴桃果實(shí)的數(shù)學(xué)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(zhì)構(gòu)儀通過模擬口腔咀嚼來檢測(cè)獼猴桃果實(shí)在貯藏期間的質(zhì)構(gòu)變化可以更加客觀準(zhǔn)確。

2.2 穿刺方法在果蔬質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

質(zhì)構(gòu)儀的穿刺方法和牙齒刺破樣品的過程相似，測(cè)試用的探頭面積通常比樣品的接觸面積小，測(cè)試參數(shù)包括破裂強(qiáng)度——曲線第一峰的力值、凹陷深度——曲線第一峰的運(yùn)行距離、凝膠強(qiáng)度——曲線第一峰力值與運(yùn)行距離的乘積[24]。Guinéa[25]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)辣椒邊緣進(jìn)行穿刺試驗(yàn)以測(cè)定辣椒的硬度，探頭選用2 mm直徑、測(cè)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(biāo)。Chiavaro等[26]用質(zhì)構(gòu)儀穿刺試驗(yàn)測(cè)定馬鈴薯的硬度，選用3 mm直徑的圓柱形探頭、測(cè)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(biāo)。姜松等[27]用TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀對(duì)水果黃瓜進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，研究水果黃瓜在不同貯藏溫度下質(zhì)地特性的變化，得到果實(shí)的堅(jiān)實(shí)度、壓縮斜率和破裂變形這3個(gè)參數(shù)的變化關(guān)系。結(jié)合貯藏期間果實(shí)的感官品質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)參數(shù)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(shí)間，為貯藏期間水果黃瓜的品質(zhì)變化提供了可以量化的依據(jù)。張謙益等[28]用穿刺的方法研究梨果實(shí)的質(zhì)構(gòu)特性，監(jiān)測(cè)其在貨架期期間的質(zhì)地變化，并分析各質(zhì)地參數(shù)的相關(guān)性，得到梨果實(shí)在貨架期的破裂強(qiáng)度和軟化過程中品質(zhì)變化趨勢(shì)的信息。

由于不同果蔬的質(zhì)構(gòu)和感官特性可能存在一些差異，因此有必要進(jìn)行相關(guān)性分析的試驗(yàn)。楊靜等[29]為了驗(yàn)證西瓜力學(xué)特性和感官品質(zhì)的相關(guān)性，用質(zhì)構(gòu)儀分別對(duì)15個(gè)不同品種的西瓜進(jìn)行穿刺試驗(yàn)。研究證明，果肉的脆度及緊實(shí)度等質(zhì)構(gòu)參數(shù)與感官評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系存在很高的相關(guān)性。Paul等[30]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)9個(gè)不同品種的蘋果進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，鑒別脆度與感官評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性。結(jié)果表明，用質(zhì)構(gòu)儀分析蘋果的脆度水平與感官分析得到的結(jié)論有很高的相關(guān)性，并較其他儀器更加準(zhǔn)確。

用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)果蔬進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，采取不同的測(cè)試和樣品條件都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生不同的影響。馮慧敏等[31]用質(zhì)構(gòu)儀在不同加載速度和測(cè)試形態(tài)下對(duì)蘋果進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，分別測(cè)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(xué)指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，不同加載速度和測(cè)試形態(tài)對(duì)蘋果果實(shí)的質(zhì)構(gòu)特性影響顯著，對(duì)蘋果切塊試樣穿刺得到的數(shù)據(jù)不如整果試樣測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，而且對(duì)蘋果軸向和縱向穿刺的力學(xué)特性也存在差異。孫銳等[32]分析比較從3個(gè)不同部位對(duì)無花果果實(shí)進(jìn)行穿刺試驗(yàn)的差異性，并采用配對(duì)T檢驗(yàn)對(duì)不同成熟度的無花果果實(shí)進(jìn)行比較分析。得到近果柄端、近果目端和果實(shí)中部的硬度差異以及不同成熟度下力學(xué)特性的區(qū)別，為果實(shí)食用和后期加工處理提供理論依據(jù)。梁靜等[33]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)不同品種果桑進(jìn)行穿刺試驗(yàn)，采用方差分析法分析質(zhì)構(gòu)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(guān)性。趙登超等[34]用不同型號(hào)的探頭分別測(cè)試不同品種石榴籽的質(zhì)構(gòu)特性，通過穿刺試驗(yàn)得到果肉硬度及果膜強(qiáng)度等品質(zhì)的精確數(shù)據(jù)。

2.3 其它測(cè)試方法在果蔬質(zhì)構(gòu)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

Jaiswal等[35]用剪切的方法測(cè)試熱燙處理后卷心菜硬度等質(zhì)構(gòu)參數(shù)，并與新鮮卷心菜做比較，分析卷心菜在加工過程中對(duì)溫度的敏感程度。張謙益等[36]用TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀對(duì)梨果實(shí)進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，比較分析不同載荷和不同蠕變時(shí)間對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，梨果實(shí)的蠕變變形量會(huì)隨載荷和蠕變時(shí)間的增加而變大，其中載荷的影響效果要比蠕變時(shí)間更加顯著；而當(dāng)載荷過小時(shí)又會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力飽和的現(xiàn)象，也容易發(fā)生損傷。郭文斌[37]對(duì)完整的馬鈴薯塊莖進(jìn)行壓縮-應(yīng)力松弛試驗(yàn)，并比較整莖和切割后試樣相應(yīng)的壓縮-應(yīng)力松弛特性參數(shù)，通過建立黏彈性模型，取得壓縮過程中黏彈性參數(shù)，以上參數(shù)可以為測(cè)定馬鈴薯淀粉含量提供依據(jù)。王海鷗等[38]用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)獼猴桃果實(shí)進(jìn)行壓縮-應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析果肉和果囊的流變特性參數(shù)差異，此試驗(yàn)為獼猴桃果實(shí)的品質(zhì)評(píng)價(jià)和特性分析提供了基礎(chǔ)。王海鷗等[39]還對(duì)蘋果進(jìn)行了加載-卸載試驗(yàn)，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(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，以上特性均隨時(shí)間延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)，并且得出擬合度最高的3次多項(xiàng)式模型來預(yù)測(cè)蘋果貨架期間的硬度變化，為蘋果質(zhì)構(gòu)品質(zhì)的快速檢測(cè)提供了參考。

3 存在的問題

雖然目前質(zhì)構(gòu)儀在果蔬質(zhì)構(gòu)檢測(cè)方面的研究不斷加深，但還是存在缺乏標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試參數(shù)及方法等局限性。比如測(cè)試條件會(huì)影響果蔬質(zhì)構(gòu)的測(cè)定結(jié)果，包括測(cè)試樣品本身（規(guī)格大小、型號(hào)、取樣量、取樣部位、擺放方式等）、測(cè)試模式（拉伸、穿刺、壓縮、剪切等）、測(cè)試參數(shù)條件（探頭、壓縮程度、壓縮速率等）以及測(cè)試關(guān)鍵指標(biāo)的選取等。另外，質(zhì)構(gòu)特性的研究雖然可以在一定程度上指導(dǎo)生產(chǎn)，但與工業(yè)化生產(chǎn)的聯(lián)系還不是十分的緊密。而且質(zhì)構(gòu)儀的測(cè)定結(jié)果和實(shí)際上的感官結(jié)果還是存在一定的差距，缺少科學(xué)的量化指標(biāo)，仍需要結(jié)合感官評(píng)價(jià)的方法來對(duì)果蔬的品質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。

4 總結(jié)及展望

總的來說，質(zhì)構(gòu)儀在測(cè)定果蔬產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的研究，為果蔬采后加工、運(yùn)輸、貯藏及開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。目前，已經(jīng)有越來越多的果蔬質(zhì)構(gòu)測(cè)試方法被開發(fā)出來，而且質(zhì)構(gòu)儀有著檢測(cè)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確客觀等優(yōu)勢(shì)，對(duì)品質(zhì)控制和產(chǎn)品開發(fā)都可以提供技術(shù)支撐。另外，還可以考慮將質(zhì)構(gòu)儀的測(cè)定結(jié)果與果蔬產(chǎn)品成熟、衰老、腐爛、變質(zhì)等生理生化指標(biāo)結(jié)合起來，為果蔬的系列研究提供理論依據(jù)。由于TPA、穿刺等測(cè)試方法會(huì)對(duì)果蔬本身造成破壞，可以考慮開發(fā)超聲、光學(xué)等無損檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)地檢測(cè)果蔬產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性。綜上所述，質(zhì)構(gòu)儀在果蔬研究領(lǐng)域還有更加廣闊的發(fā)展空間。