基于食品材料力学与声学特性的脆度指数构建及无量纲模型研究

《Journal of Food Engineering》：Proposing a new Crispness Index Based on Mechanical and Acoustic Properties of Food Materials

本文提出了一种结合力学质地分析（Texture Analyzer）与声学信号处理（STFT/PSD）的脆度量化新方法，通过定义脆度指数（CI=声学能量/机械能量）实现跨样品对比，并基于白金汉π定理（Buckingham Pi theorem）建立无量纲预测模型。研究揭示了孔隙率、弹性模量等关键参数对脆度的主导作用，为食品质构优化提供了客观评价框架。

　　

亮点

脆度被广泛认为是一种多感官属性，其主要特征在于坚硬、酥脆或发出咔嚓声的食品结构在断裂过程中产生的独特听觉信号。这些声音发射是感知新鲜度和结构完整性的关键指标（Saeleaw和Schleining，2011）。这些特征性声音的减弱或消失通常与质地劣化和产品状态不佳相关。

机械能量

机械断裂测试使用质地分析仪进行，测量压缩力（F，单位：牛）与探头位移（δ，单位：米）的函数关系。探头与样品的总接触面积（A，单位：平方米）定义为上下齿接触面之和。探头位移对应样品高度的瞬时变化（Δh，单位：米），最大位移（δ_max，单位：米）设定为样品的初始厚度（h₀，单位：米）。工程应力（σ，单位：帕斯卡）通过...

材料

选取了六种市售以脆脆口感著称的食品，基于实验室初步筛选试验确定。所选样品包括：木薯淀粉饼干、奶油克力架饼干、玉米 tortilla 片、吐司、猪油渣和玉米零食。根据食品行业报告的各生产工艺，木薯淀粉饼干、奶油克力架和吐司是烘烤制成的；猪油渣是油炸的；玉米零食是...

样品描述

选择了一组多样化的市售脆脆食品，以代表广泛的配方、结构特征和预期的质地行为。所选产品包括木薯淀粉饼干、奶油克力架、玉米零食、吐司、猪油渣和 tortilla 片，每种产品在成分、加工和典型感官感知上各不相同。这些样品的物理和质地特性总结在表1中。木薯淀粉饼干是最厚的样品...

结论

本研究证明，结合力学、声学和结构参数的分析能够客观、定量地表征脆性食品体系中的脆度。无量纲脆度指数（CI），定义为声学能量与机械能量的比值，捕捉了断裂抗性和声音发射之间的基本平衡，提供了一个物理意义明确的度量标准，超越了传统感官或单参数方法的局限性。该...