五种苹果质构测定方法的比较及与感官评价的相关性分析

杜昕美,赵前程,吕 可,刘婧懿,程少峰,马永生(大连海洋大学食品科学与工程学院,辽宁大连116023)

苹果是辽宁省种植面积最大、产量最多和产值最高的栽培水果,2017年产量约241万吨[1],其中红富士、乔纳金、黄元帅、王林和国光为辽宁省代表性栽培品种[2]。苹果的质构特性是评价其品质的关键指标,如硬度、脆性和多汁性等,直接影响着消费者的选择。苹果质构可通过人的感官评定或仪器测量的方法获得,感官评定是判定苹果质构直观而灵敏的方法,但通常评价员培训程序复杂,且耗时较长[3]。质构仪是测定食品质构的常用设备,它能够基于样品的物性特点作出数据化的定量表述,从而实现对感官进行客观的量化评判。目前质构仪测定苹果质构的方法有多种,如压缩法[4]、穿刺法[5]、拉伸法和剪切法[6-7]等,但不同方法所测得质构参数难以比较;即便同一方法,如质构剖面分析(Texture profile analysis,TPA),不同学者选择不同测试条件,如探头、压缩形变量、样品大小等,得到的质构参数差异较大[8-10],可重复性和可比较性不足。此外,目前尚未完全阐明仪器所测得质构特性差异能否准确反映人对苹果质构的感官差异,缺乏对仪器测定参数与人感官评定结果的相关性分析。

本研究拟采用不同测定方法对不同种类苹果的质构进行比较测定,同时考察不同测试条件对测定指标的影响,并将仪器测定数据与人感官评定结果进行相关性分析,从而为苹果质构的客观评判提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

红富士(Fuji)、乔纳金(Jonagold)、黄元帅(Golden delicious)、王林(Orin)、国光(Ralls)5种苹果 大连某水果超市,要求新鲜,果形端正,大小和成熟度均匀一致,无虫害损伤,5种苹果均产于大连,采摘时间在10～11月份;乙醇、冰醋酸、甲醛 分析纯,上海生工生物工程有限公司。

TMS-Pro型质构仪 美国Food Technology Corporation公司;糖量计 泉州光学仪器厂。

1.2 实验方法

1.2.1 苹果质构特性的测定 本研究分别采用剪切、穿刺和质构剖面分析三种方法测定红富士、乔纳金、黄元帅、王林和国光5种苹果的质构,每种苹果选取10个,每次测定取3个平行样或穿刺3个位点,最后取平均值。

1.2.1.1 剪切实验 按横向切取待测苹果中部赤道部位果肉,并将其切成体积为1 cm×1 cm×1 cm正方体,用标准直板剪切探头进行剪切实验,调整承重平台的位置,确保直板探头下降过程中不碰到平台缝壁。将样品放置在刀具的中心下方,测试速度设置为60 mm/min,剪切距离为20 mm,即剪切探头越过砧床平面10 mm。剪切曲线如图1所示,曲线中最大正峰处对应的力值Fms表示苹果的硬度(N),Fms与其对应位移Dms的比值为最大模量Sts。

图1 苹果剪切时力-位移曲线图Fig.1 The shear force-displacement curve of the tested apples

1.2.1.2 穿刺测定 穿刺测定分为带皮穿刺和去皮穿刺两种方式。将待测苹果分别横向切成厚度一致的3个部分,即果肩、中部赤道和果顶部分如图2所示,分别置于TMS-Pro质构仪测试台上进行穿刺实验,果肩和果顶部分进行纵向穿刺,赤道部分进行横向穿刺,探头选择直径为6 mm、高为36 mm的柱型穿刺探头,测试速度60 mm/min,穿刺深度为10 mm。去皮穿刺时将果皮去除后按同样步骤进行实验。穿刺曲线如图3所示,曲线中最大正峰处对应的力值Fmp表示苹果的硬度,Fmp与其对应位移Dmp的比值表示最大模量Stp。

图2 苹果样品的取样及穿刺位点Fig.2 Illustration of apple sampling and puncture locations

图3 苹果穿刺时力-位移曲线图Fig.3 The puncture force-displacement curve of the tested apples注:a:带皮穿刺;b:去皮穿刺。

1.2.1.3 质构剖面分析 横向切取待测苹果赤道部位果肉,去皮后将其切成体积为1 cm×1 cm×1 cm正方体,采用直径为25 mm、高度为35 mm的圆柱形压缩探头进行TPA测试,压缩形变量分别设置为25%、50%和75%,测试速度60 mm/min,两次压缩间停留时间为3 s。TPA测试的力量-位移曲线如图4所示,参照Szczesniak等[11]和Bourne等[12]的方法,第一次压缩的最大受力Fmt表示苹果硬度,二次压缩所做正功的比值W2/W1表示苹果内聚性,样品第一次压缩后的恢复高度D2表示弹性,D2/D1表示弹性系数,苹果咀嚼性用Fmt×(W2/W1)×D2表示。

挤压水分测定参照潘秀娟等[4]方法,略作改动。切取1 cm×1 cm×1 cm大小的苹果样品,在样品上、下各放8层Whatman定性滤纸,按TPA程序进行挤压测试,形变量设定为50%,根据压缩前后滤纸质量差计算出苹果挤压水分量。

图4 苹果TPA力-位移曲线图Fig.4 The TPA force-displacement curve of the tested apples

1.2.2 光学显微结构观察 带皮切取苹果赤道部位样品,放入福尔马林-乙酸-乙醇溶液中进行组织固定,石蜡包埋后切片,脱蜡处理,经番红染色1～2 h,再用50%、70%、80%梯度酒精各脱色3～8 s,然后固绿复染30～60 s,无水乙醇脱水后二甲苯透明5 min,中性树胶封片,最后在倒置显微镜下观察细胞结构,并采集图像分析。

1.2.3 感官评定 评价员筛选和培训方法参照《GB/T 16291.1-2012感官分析选拔、培训与管理评价员一般导则》进行[13]。将5种苹果带皮切开后,置于一次性杯子中,用三位随机码编号,随机呈送给50名经筛选和培训的评价员。苹果感官属性及其定义如表1所示,包括硬度、脆性、咀嚼性和多汁性4个质构属性。参照直线标尺自由量值估计法[14],评价员将感官强度在长度为100 mm的线段上进行赋值标记,线段最左端为“0”,表示强度最弱;线段最右端为“10”,代表强度最大。每种苹果的感官评分数据根据箱线图法去除异常值后计算出算术平均值,用于代表该苹果的感官测定值。

表1 感官评定各指标的含义Table 1 Sensory texture attributes and their definitions

1.3 数据处理

实验数据以平均值±标准差(Mean±SD)表示,采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和变量间相关性分析,多组数据间比较采用Student-Neuman-Keuls(SNK)法,当P<0.05表示统计学显著差异,当P<0.01表示统计学极显著差异;两变量间相关性以Pearson相关系数r表示。

2 结果与分析

2.1 苹果质构仪器检测差异

2.1.1 剪切法检测对比 剪切力是指质构仪的刀具探头切断被测样品时所用的力,通过记录刀具切割样品时的用力情况,可获得最大剪切力、最大剪切模量及剪切力做功等参数。五种苹果的剪切测定结果如图5和表2所示。苹果的硬度可定义为引起苹果破断的最大剪切力[15],五种苹果的剪切硬度依次为王林>红富士>国光>乔纳金>黄元帅,其中王林苹果平均剪切硬度值最大,为12.5 N,其次为红富士,为9.48 N,而黄元帅最小,为4.16 N;最大剪切模量也有一致结果,其中王林苹果最大剪切模量为5.46 N/mm,其次为红富士,为4.37 N/mm,而黄元帅最小,为1.83 N/mm。

图5 五种不同苹果的剪切曲线图Fig.5 Sheer force of the five tested apple cultivars

剪切法目前广泛应用于肉类硬度或嫩度的测定,并已形成标准化检测方法[16]。但剪切法在水果中应用并不多见,可能是因为其检测结果受样品大小影响较大,不同研究间样品大小不容易一致,故检测结果难以横向比较,而下述的穿刺法则不受样品大小的影响。

表2 五种不同苹果剪切结果(n=10)Table 2 The result of sheer force of the five tested apple cultivars(n=10)

2.1.2 穿刺法检测对比 穿刺方法广泛应用于水果质构测定[6],与剪切和TPA方法相比,其优势在于不依赖样品的大小和形状,省略了不易统一的样品制备过程。图6A显示的是5种苹果保留果皮穿刺时的力-位移曲线,探头运行时首先接触到果皮,随穿刺深度增加,探头受力增加,达到最大受力时,果皮破裂致受力突降,之后感应果肉穿刺的力值变化。五种苹果的穿刺测定结果如表3所示。可见,5种苹果保留果皮时的硬度和最大模量均显著高于去除果皮时(P<0.05),其中保留果皮时苹果(果肩、赤道和果顶)硬度值依次为王林>红富士>国光=乔纳金>黄元帅,而去皮后硬度(果肩和赤道)大小顺序则为王林>红富士>国光>乔纳金>黄元帅,这与剪切法测定结果一致。

图6 五种苹果穿刺曲线Fig.6 The puncture test of the five tested apple cultivars注:A:保留果皮;B:去除果皮。

表3 五种不同苹果穿刺结果(n=10)Table 3 The result of puncture test of the five tested apple cultivars(n=10)

本研究同时考察了苹果各部位的质构差异,对同种苹果的果肩、赤道和果顶3个不同部位进行了穿刺实验,结果显示,除国光苹果外,其他4种苹果的果肩和果顶部位的硬度和最大穿刺模量均显著高于赤道部位(P<0.05)。杜社妮等[17]研究结果也显示红富士和秦冠苹果果顶部位硬度最高,其次为果肩。这提示在比较苹果质构差异时,有必要对苹果的测定部位进行具体限定。

2.1.3 TPA测定结果 TPA测定受样品大小、压缩形变量及探头类型等多种因素影响,其中压缩形变量是关键参数[18],本研究主要考察了不同压缩形变量对苹果质构指标测定的影响,测定结果如图7和表4所示。由表4可见随着压缩形变量的增大,硬度测定值呈增大趋势,对王林和红富士两种硬度较大的苹果,75%形变量时的硬度值显著高于形变量为25%和50%时(P<0.05)。总体上王林苹果硬度值最大,其次为红富士,而乔纳金、黄元帅和国光苹果硬度相对较低。王林和红富士是晚熟品种,耐贮性优于乔纳金和黄元帅等中熟品种,能较长时间保持脆硬。国光虽也是晚熟品种,但在本研究中硬度相对较小,可能与其采摘后贮藏条件有关。

图7 五种苹果在不同压缩形变量时的TPA曲线Fig.7 Texture profile analysis of the five tested apple cultivars at different deformation rate注:A:25%;B:50%;C:75%。

表4 五种不同苹果的TPA测定结果Table 4 Texture profile analysis of the five tested apple cultivars

由表4可见,在压缩形变量为25%时,王林和红富士苹果的内聚性最大,乔纳金和黄元帅次之,国光苹果的内聚性最小。随着压缩形变量的增加,苹果果肉组织破碎程度增加,表现为内聚性测定值显著减小(P<0.05),且苹果品种间内聚性差异减小。

脆性是反映苹果品质和成熟状态的另一重要指标,它与硬度指标相关[6],感官上表示食物在牙齿咬合力作用下仅产生很小的形变即发生断裂的性质。在TPA测试中,样品脆性常用第一次挤压时的破裂力来表示,但测试时发现并不是每个苹果样品在力-位移曲线上都会出现破裂峰,故TPA方法测试苹果样品的脆性时重复性并不理想。此外,鉴于苹果水分较大,被压缩后组织结构基本被破坏,故并不适宜用弹性来表示其质构特征。虽然具体测定时仪器给出弹性数值,但这主要由于探头与苹果样品间的粘附作用,导致探头回程时苹果样品受拉所致,在此并无明确的力学和感官意义,故不将其列入本文分析中。

两个非独立参数胶粘性和咀嚼性,分别表示把半固态和固态食品咀嚼成能够吞咽状态所需要的能量[19],本研究仅采用咀嚼性参数。可见,红富士和王林苹果的咀嚼性最大,乔纳金、黄元帅和国光的咀嚼性相对较低,这与硬度测定结果一致。但在前人研究[9]中常出现把这两个指标同时用于表征苹果样品,其合理性有待商榷。

此外,可挤压水分含量与苹果的多汁性相关,本研究中红富士的挤压水分含量最高,达到了229.6 mg;其次为王林,为188.9 mg;而黄元帅可挤压水分含量最低,为101.8 mg。

2.2 苹果穿刺组织结构分析

为从微观角度解释苹果穿刺检测结果产生差异的原因,本研究对苹果果皮和果肉结构进行了显微观察。如图8所示,苹果果皮最外部为单层表皮细胞,其外壁角质化形成一层脂肪类物质,即角质层[20]。表皮细胞下由多层厚壁细胞组成,起机械支撑作用,细胞大小和形状各异。王林(图8d)和国光(图8e)苹果厚壁细胞层数较多,细胞壁厚且纤维素含量高,表现为带皮穿刺硬度值较大。

苹果果肉部分由薄壁细胞组成,果肉硬度与薄壁细胞大小、形状、壁厚及胞间间隙等因素相关。一般细胞较小,细胞壁较厚,胞间间隙小的果肉硬度较大[21],不过图8所示的5种苹果间薄壁细胞未明显呈现这些差异。此外,果肉质构特性也与薄壁细胞膨压密切相关[22]。本研究中王林和红富士可挤压水分含量较高(表4),故液泡渗透压大,果肉薄壁细胞膨压相应较高,表现为较高的硬度、脆性和多汁性。因此,本研究中膨压是影响苹果质构的主要因素。

图8 五种苹果组织结构解剖图Fig.8 The anatomy of the five tested apple cultivars注:a:红富士;b:乔纳金;c:黄元帅;d:王林;e:国光。图中C为角质层;E为表皮层;H为皮下层;标尺长度为150 μm,放大倍数为200×。

2.3 感官评价

五种苹果的感官评分如表5所示,可见王林、红富士和乔纳金苹果的硬度、脆性、咀嚼性和多汁性评分较高,黄元帅次之,国光苹果的感官质构评分最低,这与前面的仪器测定结果一致。

表5 五种苹果质构的感官评分(分)Table 5 Sensory evaluation of the five tested apple cultivars(score)

2.4 仪器与感官检测质构的相关性分析

本研究通过相关性分析来阐明仪器测定指标参数与感官分析结果之间的联系,以期获得能客观预测人感官反应的指标参数。如表6所示,剪切法所测得苹果最大剪切力和最大剪切模量均与感官硬度、感官脆性及感官咀嚼性呈极显著相关(P<0.01),且最大剪切模量的相关性较优。

表6 苹果感官评价指标与仪器测定指标的相关性分析Table 6 Correlation analysis between sensory descriptors for texture and instrumental attributes

本研究将果肩、赤道和果尾三个部位穿刺数据的平均值与感官分析结果进行相关性分析,结果显示最大穿刺力与感官脆性、硬度、咀嚼性和多汁性均呈极显著相关(P<0.01),且去除果皮时相关性更好,这与Harker等[6]的结果基本一致;同样,最大穿刺模量与感官脆性、硬度、咀嚼性和多汁性也均呈极显著相关(P<0.01),但带皮状态时相关性更优。穿刺模量曾被用来表征冬枣的脆性[23],本研究中最大穿刺模量也与苹果的感官脆性呈极显著相关(r=0.638,P<0.01),故最大穿刺模量可作为苹果脆性的表征指标。

目前TPA法测得的质构指标与感官评价结果之间的相关性已被证实[4,24],但并没有具体考察压缩形变量的影响。Bourne等[12]认为TPA是模仿人口腔咀嚼的,因此压缩形变量不应偏小,如30%是不合适的。但也有学者认为形变量设置应依据具体食品类型,即应超过样品的弹性极限,但不能越过样品的破裂点[19]。故本实验将压缩形变量分别设置为25%、50%和75%进行分别测试,并基于和感官评定的相关性分析,找出适合于苹果质构测试的形变参数。如表6所示,三种压缩形变量下TPA所测得的硬度、内聚性和咀嚼性均与感官结果显著相关,但形变量增大,TPA结果与感官的相关系数并没有增加。形变量为25%时苹果硬度优于压缩形变量为50%和75%时,其原因可能是当形变量超过苹果的破裂点时,其组织结构破碎严重,以致相互间质构差异难以区分,故对苹果的TPA测试而言,压缩形变量不宜设置偏大。

3 结论

本研究对剪切、穿刺和TPA压缩3种苹果质构测定方法进行了比较研究,并将仪器测定结果与人感官评价进行了相关性分析。结果显示剪切、穿刺和TPA压缩均能测得苹果的硬度特征,并区分不同品种间的差异,去皮果肉硬度大小依次为王林>红富士>国光>乔纳金>黄元帅。穿刺法不受样品制备一致性限制,且能区分果皮特征,适用性更广;果皮对苹果质构有显著影响,且不同穿刺部位的质构差异显著,其中果顶部位穿刺硬度值最大,其次为果肩和赤道;最大穿刺模量可作为苹果脆性的表征指标。压缩形变量对TPA法测定结果有显著影响,与苹果感官评价相关性分析发现,形变量为25%时的测定结果更优,本研究结果为苹果质构的客观测定及评判提供了依据。