魚(yú)糜凝膠脆性的力學(xué)性能表征與模型建立

安玥琦，趙思明，劉 茹，劉友明，尤 娟，熊善柏

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魚(yú)糜凝膠脆性的力學(xué)性能表征與模型建立

安玥琦1,2，趙思明1，劉 茹1,2，劉友明1,2，尤 娟1,2，熊善柏1,2※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070； 2. 國(guó)家大宗淡水魚(yú)加工技術(shù)研發(fā)分中心（武漢），武漢 430070）

為了用客觀(guān)準(zhǔn)確的方法評(píng)價(jià)魚(yú)糜凝膠的脆性，以求為魚(yú)糜凝膠的質(zhì)構(gòu)調(diào)控等相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)，該研究采用感官評(píng)價(jià)和單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲、穿刺等物性分析方法，對(duì)不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠感官脆性和力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，研究魚(yú)糜凝膠感官脆性與交聯(lián)度和力學(xué)指標(biāo)的關(guān)系并建立魚(yú)糜凝膠脆性的表征模型。結(jié)果表明，不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠表現(xiàn)出不同的口感，魚(yú)糜凝膠的感官脆性評(píng)分隨著交聯(lián)度的增加而增大。當(dāng)魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度小于30%時(shí)，咀嚼時(shí)魚(yú)糜凝膠不具備脆性。當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)30%后，魚(yú)糜凝膠開(kāi)始出現(xiàn)脆性，且隨著交聯(lián)度的增加其脆性顯著增加。而當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)75%時(shí)，感官脆性不再明顯增加。在交聯(lián)度30%～75.5%范圍內(nèi)，對(duì)魚(yú)糜凝膠脆性進(jìn)行力學(xué)表征并進(jìn)行多元回歸分析，建立了基于破斷力、脆裂功、斷裂應(yīng)力、初始切割系數(shù)和壓縮常數(shù)5個(gè)參數(shù)的魚(yú)糜凝膠的脆性表征方程（2=0.981 9），可較好地表征魚(yú)糜凝膠脆性。經(jīng)驗(yàn)證，該模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值無(wú)差異（>0.05），具有較好的準(zhǔn)確性和精確度，可客觀(guān)表征魚(yú)糜凝膠脆性，為開(kāi)發(fā)不同口感魚(yú)糜制品提供理論基礎(chǔ)。

品質(zhì)控制；水產(chǎn)品；檢測(cè)；魚(yú)糜凝膠；脆性；感官評(píng)價(jià)；力學(xué)特性；回歸分析

0 引 言

魚(yú)糜中肌原纖維蛋白在轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶低溫凝膠化作用下發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，在熱誘導(dǎo)下形成魚(yú)糜凝膠[1]。隨著魚(yú)糜凝膠交聯(lián)度增加，魚(yú)糜凝膠逐漸從彈粘體變?yōu)閺棿囿w[2]，表現(xiàn)出“脆性”，并賦予魚(yú)糜凝膠獨(dú)特口感[3-4]。脆性同硬度、彈性和黏性等一樣都是凝膠制品重要的物理特性[5-6]，但凝膠脆性并不能像硬度和彈性等一樣通過(guò)簡(jiǎn)便的全質(zhì)構(gòu)分析（texture profile analysis,TPA）進(jìn)行表征。

感官評(píng)定是目前評(píng)價(jià)食品脆性最常用方法，但感官評(píng)定的主觀(guān)性大，易受評(píng)價(jià)員嗜好、情緒、健康狀況等因素影響，且受語(yǔ)言表述的限制而很難準(zhǔn)確表征食品的脆性[7-8]。因此，研究利用客觀(guān)方法代替感官評(píng)分在脆性評(píng)價(jià)中甚為重要。Primomarti等[9]通過(guò)食品破斷時(shí)的聲波強(qiáng)弱來(lái)反映谷物食品的脆性[10]，食品越脆，斷裂時(shí)的聲音就越大。孫鐘雷等[11]運(yùn)用聲級(jí)計(jì)對(duì)不同食品在人咀嚼破碎時(shí)產(chǎn)生的聲音信號(hào)進(jìn)行采集，也證明了脆裂聲音與食品脆性具有極顯著的相關(guān)性。盡管該方法可較準(zhǔn)確的反映樣品的脆性，但對(duì)試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)儀器的要求極高，難以推廣應(yīng)用。目前常用質(zhì)構(gòu)儀中三點(diǎn)彎曲、壓縮、穿刺、剪切等模式測(cè)試食品的脆性[8-9,12-13]。Valles等[14]曾將力-位移曲線(xiàn)經(jīng)傅里葉變換、分形分析并結(jié)合感官評(píng)價(jià)來(lái)表征谷物食品的脆性。在凝膠食品的力學(xué)特性研究中，雖然目前沒(méi)有明確提出“脆”的表述，但斷裂特性是反映凝膠食品脆性的重要指標(biāo)之一。與斷裂有關(guān)的力學(xué)特性在凝膠類(lèi)食品中被研究報(bào)道。Gamonpila等[15]通過(guò)單軸壓縮、線(xiàn)性切割和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了淀粉凝膠的斷裂特性，而Forte等[16]研究了明膠斷裂特性對(duì)壓縮速率的依賴(lài)性，并使用多孔材料模型對(duì)單軸壓縮數(shù)值進(jìn)行了擬合建模。盡管這些研究從不同側(cè)面研究了食品斷裂特性（脆性）的表征方法，但都沒(méi)有考慮凝膠的交聯(lián)度與其脆性的關(guān)系及影響。

本試驗(yàn)通過(guò)控制轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶添加量和凝膠化時(shí)間制備出不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠，然后采用感官評(píng)價(jià)和單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲、穿刺等物性分析方法測(cè)定其感官脆性和力學(xué)指標(biāo)，分析魚(yú)糜凝膠交聯(lián)度、感官脆性與力學(xué)特性的關(guān)系并建立了魚(yú)糜凝膠脆性的表征模型，可為魚(yú)糜凝膠的質(zhì)構(gòu)調(diào)控等相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

淡水冷凍魚(yú)糜（AAA級(jí)），購(gòu)于洪湖市井力水產(chǎn)食品股份有限公司。微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（3 000 U/g），購(gòu)于科納提克（瑞士）有限公司。

所需設(shè)備包括：擂潰機(jī)，CA-1型，金盛號(hào)鐵工廠(chǎng)；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-6型，國(guó)華電器有限公司；高速分散均質(zhì)機(jī)，F(xiàn)J-200型，上海標(biāo)本模型廠(chǎng)；質(zhì)構(gòu)儀，TA-XTPlus型，美國(guó)Stable Micro SurreyS公司；分光光度計(jì)，722型，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

1.2 方法

1.2.1 不同交聯(lián)度魚(yú)糜凝膠的制備

將冷凍魚(yú)糜于4℃解凍后，調(diào)整其含水率為78%，用斬拌機(jī)預(yù)斬2 min，加入2.5% NaCl和不同添加量的微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（MTGase，0～18 U/g），于45 r/min擂潰30 min，使用真空包裝機(jī)排氣后，使用灌腸機(jī)將魚(yú)糜灌入直徑22 mm的腸衣后封口，在水浴鍋中40℃低溫凝膠化一段時(shí)間（0～12 h）后，再于90℃魚(yú)糕化30 min，之后迅速冷卻獲得魚(yú)糜凝膠并在4℃貯藏備用。

1.2.2 魚(yú)糜凝膠交聯(lián)度的測(cè)定

參考Adler-Nissen等[17]的方法，用2,4,6-三硝基苯磺酸溶液（2,4,6-trinitrobenzenesulfonic acid solution，TNBS）法測(cè)定魚(yú)糜蛋白中自由氨基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，通過(guò)酶作用前后自由氨基的減少量表征魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)程度，即魚(yú)糜膠凝過(guò)程中形成的谷氨酸-賴(lài)氨酸交聯(lián)鍵（-(-Glu)-Lys）的鍵數(shù)[18]。取1 g魚(yú)糜凝膠，加入9 mL 10 g/L硼酸緩沖液（pH值8.2）后均質(zhì)，75℃水浴15 min，再60 ℃水浴2 h，取上清液待用，調(diào)整上清液蛋白濃度為1 mg/mL后，取0.125 mL上清液，加入1 mL 0.212 5 mol/L磷酸緩沖液（pH值8.2），1 ml 0.1%TNBS，用鋁箔避光在50 ℃水浴反應(yīng)1 h，然后加入2 mL 1mol/L HCl終止反應(yīng)，室溫冷卻30 min，于340 nm比色?？瞻撞捎?%硼酸緩沖液，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)采用L-亮氨酸制作。交聯(lián)程度的計(jì)算公式如下[19]

交聯(lián)程度=(1?′/)×100% （1）

式中為生魚(yú)糜中游離氨基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；′為制備得到的魚(yú)糜凝膠中游離氨基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3 魚(yú)糜凝膠脆性的感官評(píng)定

食品脆性的感官評(píng)定主要根據(jù)樣品被牙齒咀嚼發(fā)生破裂時(shí)對(duì)產(chǎn)品的主觀(guān)感受，從力、聲音和破碎性3個(gè)方面綜合評(píng)分[20]。本試驗(yàn)的感官評(píng)定在食品感官評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室完成，邀請(qǐng)10名受過(guò)培訓(xùn)且長(zhǎng)期研究魚(yú)糜凝膠的試驗(yàn)員進(jìn)行感官鑒評(píng)。把魚(yú)糜凝膠樣品切成20 mm高的圓柱體，隨機(jī)編號(hào)，由專(zhuān)人呈送給評(píng)定員，每個(gè)人獨(dú)立進(jìn)行品評(píng)，重復(fù)3次，按照表1的標(biāo)準(zhǔn)，并且在感官評(píng)價(jià)時(shí)用“?”“+”模糊評(píng)價(jià)樣品“脆”的程度，“-”表示樣品沒(méi)有脆性，“+”表示樣品有脆性，“++”表示樣品具有明顯脆性。脆性感官評(píng)定總體評(píng)分計(jì)算公式如下

脆性=（力分值+聲音分值+破碎性分值）/3 （2）

1.2.4 單軸壓縮試試驗(yàn)

參考Gamonpilas等[15-16]研究方法。將樣品切成高20 mm的圓柱，置于質(zhì)構(gòu)儀的測(cè)試平臺(tái)，在室溫（20～24℃）下完成試驗(yàn)。測(cè)試探頭P/36R，壓縮比80%，測(cè)前速率2 mm/s，測(cè)中速率1 mm/s，測(cè)后速率2 mm/s，觸發(fā)力5 g。得到的反映凝膠樣品壓縮破斷特性的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的上升部分可以用如下本構(gòu)模型進(jìn)行擬合

式中為壓縮應(yīng)力，kPa；為壓縮比，=exp()；為壓縮應(yīng)變，%；是壓縮常數(shù)，不同的樣品有不同的壓縮常數(shù)；為初始切割系數(shù)，與樣品特性有關(guān)。

表1 魚(yú)糜凝膠脆性的感官評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，可以計(jì)算出每個(gè)樣品的和值。應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的初始傾斜度（符合胡克定律范圍內(nèi)，壓縮比40%之前）通過(guò)線(xiàn)性回歸分析，依據(jù)下述公式可以得到樣品的楊氏模量（1）。

式中和分別為壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的應(yīng)力與應(yīng)變。

1.2.5 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E399-09）進(jìn)行樣品準(zhǔn)備與結(jié)果計(jì)算[21]。將凝膠樣品切成55 mm× 10 mm×10 mm的立方體，且在底部中心位置切割出1 mm的缺口，置于質(zhì)構(gòu)儀三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置中央。試驗(yàn)中的下壓速率為0.5 mm/s。參考Puri等[22]的方法，對(duì)力-位移曲線(xiàn)中的特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。脆裂距離（d，mm）為力-位移曲線(xiàn)中的最大值時(shí)的距離。脆裂功（W，kJ）通過(guò)TA-Plus軟件計(jì)算力-位移曲線(xiàn)的斷裂前的曲線(xiàn)下面積表示。魚(yú)糜凝膠脆裂應(yīng)力（σ，kPa）的計(jì)算參照公式（5），彈性模量（2，kPa）的計(jì)算根據(jù)公式（6）。

式中為力-位移曲線(xiàn)中的最大值時(shí)的負(fù)荷，N；為支點(diǎn)間跨度，40 mm；為樣品寬度，10 mm；為樣品厚度，10 mm；為樣品的撓度，即施力點(diǎn)的位移，在本試驗(yàn)中等于魚(yú)糜凝膠脆裂時(shí)的位移，mm。

1.2.6 穿刺試驗(yàn)

參考Liu等[23]的試驗(yàn)方法，樣品為20 mm高的圓柱，使用P0.25/S探頭，對(duì)樣品進(jìn)行刺壓。壓縮距離為15 mm；測(cè)前速度5 mm/s，測(cè)中速度1 mm/s，測(cè)后速度5 mm/s；觸發(fā)力為5 g；同一樣品重復(fù)測(cè)試6次。對(duì)得到的力-位移曲線(xiàn)的上升段和下降段進(jìn)行線(xiàn)性回歸擬合，測(cè)試破斷力（F，g），凹陷深度（，mm），上升斜率（1）和下降斜率（2）。

1.2.7 數(shù)據(jù)分析

每組試驗(yàn)樣品做6個(gè)平行，重復(fù)3次。采用SAS System for Windows V8和Excel軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Orgin 8.6作圖。采用SAS對(duì)感觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果與力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析和多元回歸分析。顯著性分析取95%置信度（<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 交聯(lián)程度對(duì)感官脆性的影響

通過(guò)控制MTGase添加量和低溫凝膠化時(shí)間制備魚(yú)糜凝膠樣品，并通過(guò)自由氨基的減少量表征魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)程度，不同魚(yú)糜凝膠樣品的交聯(lián)度、脆性感官評(píng)分與脆性模糊評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可知，12種魚(yú)糜凝膠樣品的交聯(lián)度、脆性評(píng)分有明顯差異，其交聯(lián)度在13.71%～78.79%范圍、脆性感官評(píng)分分值在1.06～8.83之間。隨著交聯(lián)度的增加，魚(yú)糜凝膠的感官脆性評(píng)分呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，且脆性的模糊評(píng)價(jià)也呈現(xiàn)從無(wú)脆性（?）、出現(xiàn)脆性（+）到有明顯脆性（++）的變化規(guī)律。當(dāng)魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度低于30%時(shí)，其脆性感官評(píng)分隨交聯(lián)度增加而增加，但咀嚼時(shí)無(wú)明顯脆感；當(dāng)魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度超過(guò)30%、脆性感官評(píng)分超過(guò)3后，魚(yú)糜凝膠開(kāi)始出現(xiàn)脆性（咀嚼時(shí)伴有嘎吱聲），且其脆性隨著交聯(lián)度升高而顯著增強(qiáng)；魚(yú)糜凝膠交聯(lián)度超過(guò)75.46%時(shí)，其脆性感官評(píng)分不再顯著變化，其值在8.78～8.83之間，維持在較高水平。

表2 不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠的感官脆性評(píng)價(jià)

注：上標(biāo)不同字母表示列組間有顯著差異（<0.05），下同。

Note: Different letters on the bar denote the significant differences (<0.05), the same below.

圖1顯示了魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度與感官脆性的關(guān)系。由圖1可知，當(dāng)交聯(lián)度小于30%時(shí)，魚(yú)糜凝膠的感官脆性均1分（脆性感官評(píng)價(jià)最低分）附近，近似于一條直線(xiàn)；而當(dāng)交聯(lián)度大于30%后，兩者關(guān)系符合指數(shù)模型，即魚(yú)糜凝膠的感官脆性評(píng)分隨著交聯(lián)度的增加首先快速增加，而當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)60%后，感官脆性評(píng)分的增加趨勢(shì)變緩，當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)75%后，其脆性評(píng)分達(dá)到最高值且保持穩(wěn)定。

圖1 魚(yú)糜凝膠的感官脆性與交聯(lián)程度的關(guān)系曲線(xiàn)

食品的脆性與食品結(jié)構(gòu)以及水分的變化（含水率或水分活度）密切相關(guān)[3,14]。在淀粉樣品中的研究發(fā)現(xiàn)，油炸后淀粉脆性與淀粉的交聯(lián)程度正相關(guān)[14]，即交聯(lián)程度改變了其結(jié)構(gòu)，從而影響了食品的脆性。Martínez等[24]在藍(lán)蟹糜中添加6 g/kg MTGase后，發(fā)現(xiàn)蟹肉凝膠的脆性顯著增加。這是因?yàn)镸TGase的加入使凝膠形成了過(guò)度緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)降低了凝膠持水性[5]，含水率的降低導(dǎo)致了脆性的增加[10,25]。由此可見(jiàn)，本試驗(yàn)中魚(yú)糜凝膠脆性的產(chǎn)生與MTGase誘導(dǎo)的交聯(lián)反應(yīng)改變了凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及束縛水分的能力有關(guān)。

2.2 魚(yú)糜凝膠脆性對(duì)其力學(xué)參數(shù)的影響

為了客觀(guān)科學(xué)地表征魚(yú)糜凝膠的脆性，在進(jìn)行了多種質(zhì)構(gòu)測(cè)試的基礎(chǔ)上，本文篩選出單軸壓縮、三點(diǎn)彎曲和穿刺這3種力學(xué)測(cè)試結(jié)果與魚(yú)糜凝膠的脆性較大的質(zhì)構(gòu)模式，對(duì)魚(yú)糜凝膠的脆性進(jìn)行表征。

2.2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

在單軸壓縮測(cè)試中，如果壓縮過(guò)程中樣品沒(méi)有被破壞，此時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的峰值為樣品的硬度，但如果在壓縮循環(huán)中，樣品發(fā)生破裂，則斷裂點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變可以反映樣品的斷裂特性[17]。表3顯示了不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠在單軸壓縮試驗(yàn)得到的力學(xué)特性參數(shù)。

由表3可知，交聯(lián)度小于30%的3個(gè)樣品并沒(méi)有被壓破，表現(xiàn)出高彈性，不具有脆性，這與感官評(píng)價(jià)的結(jié)果一致。交聯(lián)度超過(guò)30%的樣品均在壓縮過(guò)程中發(fā)生破斷，隨著交聯(lián)度的增加，魚(yú)糜凝膠的斷裂應(yīng)力先升高后降低，在交聯(lián)度為68.22%（樣品9）時(shí)達(dá)到最大值。斷裂時(shí)的應(yīng)力（所受最大力）反映了樣品的硬度，由此可見(jiàn)，MTGase的添加提高了魚(yú)糜凝膠樣品的硬度，同時(shí)改變了其脆性。而魚(yú)糜凝膠的斷裂應(yīng)變則隨著交聯(lián)度的增大不斷降低，也就是說(shuō)，交聯(lián)度越大，魚(yú)糜凝膠越容易發(fā)生斷裂。這也是交聯(lián)度超過(guò)68.22%的魚(yú)糜凝膠斷裂應(yīng)力減小的原因，此時(shí)的魚(yú)糜凝膠具有較高的脆性，使其在壓縮試驗(yàn)到達(dá)最大承受力之前發(fā)生斷裂，故應(yīng)力降低。

此外，隨著交聯(lián)度的增大，魚(yú)糜凝膠的壓縮常數(shù)（值）、初始切割系數(shù)（值）、楊氏模量（1）均逐漸增大。其中，值在交聯(lián)度超過(guò)60%后達(dá)到最大值且基本保持不變，而值和1則在交聯(lián)度為78.79%時(shí)達(dá)到最大值。值越大說(shuō)明樣品的硬度越大[16]。楊氏模量是描述固體材料抵抗形變能力的物理量，反應(yīng)了彈性體的剛度。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶誘導(dǎo)的魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度的增加，魚(yú)糜凝膠的硬度和剛性增大，硬度在交聯(lián)度超過(guò)60%后基本保持不變而剛性則繼續(xù)隨著交聯(lián)度的增加而不斷增大。當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)75%時(shí)，魚(yú)糜凝膠的剛性達(dá)到最大值。

表3 不同脆性凝膠樣品的單軸壓縮測(cè)試參數(shù)

注：“—”表示無(wú)法測(cè)定這項(xiàng)指標(biāo)。

Note: “—” means the index was not measurable.

2.2.2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料脆度的常用方法。結(jié)晶固體材料的斷裂通常發(fā)生在一個(gè)明確的瞬間，而凝膠樣品的斷裂存在延遲現(xiàn)象[26]，因此凝膠樣品的力-位移曲線(xiàn)中的斷裂峰并不是尖峰，而存在一定的弧度，這說(shuō)明魚(yú)糜凝膠樣品斷裂的過(guò)程不是一個(gè)瞬間發(fā)生的過(guò)程。經(jīng)方程擬合得到的魚(yú)糜凝膠的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 不同脆性凝膠樣品的三點(diǎn)彎曲測(cè)試參數(shù)

從表4可知，隨著交聯(lián)度增加，魚(yú)糜凝膠的脆裂應(yīng)力和彈性模量先增加后減少，在交聯(lián)度50%左右（樣品8）時(shí)達(dá)到最大值。魚(yú)糜凝膠的脆裂距離與單軸壓縮試驗(yàn)中的斷裂應(yīng)變表現(xiàn)出類(lèi)似的變化趨勢(shì)，均隨著交聯(lián)度的增加而逐漸降低。當(dāng)交聯(lián)度小于30%時(shí)，魚(yú)糜凝膠的脆裂功隨著脆性的增加而增大，而當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)40%后，其脆裂功則隨著脆性的增加而減小。脆裂應(yīng)力可以反映樣品的斷裂韌性。斷裂韌性是物料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)，當(dāng)樣品表現(xiàn)出脆性后，斷裂韌性值越低，樣品的脆性越高[22]。由此可見(jiàn)，當(dāng)魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度小于30%時(shí)，魚(yú)糜凝膠因自身質(zhì)地較軟，故而不能抵抗脆性破壞；當(dāng)交聯(lián)度為30%～50%時(shí)，魚(yú)糜凝膠的脆裂應(yīng)力、脆裂功和彈性模量都是逐漸升高的，說(shuō)明此時(shí)魚(yú)糜凝膠的韌性較高且彈性較大，可以抵抗較大程度的脆性破壞；而當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)50%后，魚(yú)糜凝膠由于出現(xiàn)明顯的脆性，故降低了抵抗脆性破壞的能力，其韌性和彈性等顯著降低。

2.2.3 穿刺試驗(yàn)

穿刺試驗(yàn)是評(píng)價(jià)魚(yú)糜凝膠硬度和彈性最常用的方法[27]。由表5可以看出，隨著魚(yú)糜凝膠脆性的增加，魚(yú)糜凝膠的凹陷深度無(wú)明顯的變化規(guī)律，其破斷力隨著交聯(lián)度的增加大體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其上升斜率和下降斜率均隨著脆性的增加而顯著增大，但是在樣品表現(xiàn)出明顯脆性后變化不明顯。在穿刺試驗(yàn)中，力-位移曲線(xiàn)的上升斜率與單軸壓縮試驗(yàn)中的楊氏模量所代表的意義類(lèi)似，均為在壓縮樣品過(guò)程中的初始傾斜度，反映了樣品抵抗彈性形變的程度[16]。趙阿丹等[28]利用物性測(cè)試儀表征了包括火腿腸在內(nèi)的20種食品的脆性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)用力-位移曲線(xiàn)中在力達(dá)到最大值后的下降峰的斜率2（即本試驗(yàn)中的下降斜率）可表征食品的脆性。而在本試驗(yàn)中，當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)70%后，魚(yú)糜凝膠的下降斜率隨脆性不再顯著增大。

表5 不同脆性凝膠樣品的穿刺測(cè)試參數(shù)

2.3 魚(yú)糜凝膠脆性評(píng)價(jià)模型的建立與驗(yàn)證

2.3.1 魚(yú)糜凝膠脆性評(píng)價(jià)模型的建立

本試驗(yàn)中，當(dāng)交聯(lián)度小于30%時(shí)，魚(yú)糜凝膠不具有脆性，所以此階段進(jìn)行脆性表征并無(wú)意義，且根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)75.5%（樣品11）時(shí)，魚(yú)糜凝膠的感官脆性不再隨交聯(lián)度的增加而顯著變化，所以，以交聯(lián)度在30%～75.5%范圍內(nèi)的樣品為樣本，以脆性感官評(píng)分為因變量，以上述力學(xué)測(cè)試參數(shù)及其平方值為自變量，進(jìn)行多元逐步回歸分析，建立表征模型，結(jié)果如表6所示。從表中可知，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和穿刺試驗(yàn)得到的力學(xué)特性參數(shù)可以較好地表征魚(yú)糜凝膠脆性。依據(jù)決定系數(shù)2和值判斷回歸方程的優(yōu)劣，選擇魚(yú)糜凝膠脆性的表征方程。2越接近1，值越小，回歸方程越優(yōu)。因此，選取方程5表征魚(yú)糜凝膠脆性，即通過(guò)破斷力（F）以及脆裂功（W）、斷裂應(yīng)力（σ）、初始切割系數(shù)（）和壓縮常數(shù)（）的平方值和這5個(gè)參數(shù)表征魚(yú)糜凝膠脆性得到模型的2為0.981 9。

表6 多元逐步回歸分析統(tǒng)計(jì)表

在表征方程中，σ、和這3個(gè)指標(biāo)來(lái)自單軸壓縮試驗(yàn)。其中，和均與樣品本身的特性有關(guān)，σ反映了魚(yú)糜凝膠樣品在擠壓破斷時(shí)所承受的最大應(yīng)力，只用當(dāng)樣品出現(xiàn)脆性后才可被測(cè)出，與魚(yú)糜凝膠的脆性大小有關(guān)，是反映其脆性大小的重要指標(biāo)。與σ類(lèi)似，反映魚(yú)糜凝膠樣品破斷力的F值是穿刺試驗(yàn)常見(jiàn)的表征凝膠類(lèi)食品硬度的指標(biāo)?？梢?jiàn)，脆度和硬度同作為凝膠類(lèi)食品的品質(zhì)特性，兩者之間存在一定的關(guān)聯(lián)[29]。孫鐘雷等[30]運(yùn)用三點(diǎn)彎曲的方法結(jié)合感官評(píng)定表征了榨菜的脆性，其結(jié)果表明脆裂應(yīng)力與感官評(píng)分具有極顯著的相關(guān)性，可較準(zhǔn)確地表征榨菜脆性。而在本試驗(yàn)得到的表征方程中，則包含三點(diǎn)彎曲得到的脆裂功的平方值（W2），這是因?yàn)轸~(yú)糜凝膠脆裂過(guò)程的延遲現(xiàn)象，導(dǎo)致脆裂應(yīng)力不是瞬間發(fā)生的，而反映脆裂過(guò)程的脆裂功則能更好地反映樣品的脆性。

2.3.2 魚(yú)糜凝膠脆性表征模型的驗(yàn)證

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)上述試驗(yàn)得到的魚(yú)糜脆性的表征方程在凝膠脆性測(cè)試中的應(yīng)用效果，再次制作交聯(lián)度在30%～75.5%之間的魚(yú)糜凝膠樣品，分別按照同樣的方法對(duì)其凝膠脆性進(jìn)行感官評(píng)定和力學(xué)測(cè)定，將力學(xué)測(cè)定結(jié)果依據(jù)本試驗(yàn)的表征模型計(jì)算出預(yù)測(cè)脆性值。選用檢驗(yàn)的>值，檢驗(yàn)的>||值，和殘差均方值（root mean square，RMS）評(píng)價(jià)脆性表征方程的優(yōu)劣，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可知，通過(guò)模型預(yù)測(cè)的魚(yú)糜凝膠樣品的脆性值與感官脆性值無(wú)顯著差異。分別以感官脆性值和模型預(yù)測(cè)的脆性值為樣本，進(jìn)行檢驗(yàn)和檢驗(yàn)，結(jié)果顯示預(yù)測(cè)脆性值與感官脆性值之間無(wú)顯著性差異（>0.05），且RMS值較小、在0.037～0.109之間，該模型能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出魚(yú)糜凝膠脆性，具有較好的準(zhǔn)確性和精確度，可作為表征魚(yú)糜凝膠脆性的模型。

表7 魚(yú)糜凝膠脆性表征模型的驗(yàn)證

3 結(jié) 論

不同交聯(lián)度的魚(yú)糜凝膠表現(xiàn)出不同的脆性口感，且魚(yú)糜凝膠的脆性隨著交聯(lián)度的增加而增大。當(dāng)魚(yú)糜凝膠的交聯(lián)度小于30%時(shí)，魚(yú)糜凝膠不具備脆性。當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)30%后，魚(yú)糜凝膠開(kāi)始出現(xiàn)脆性，且隨著交聯(lián)度的增加脆性顯著增加。而當(dāng)交聯(lián)度超過(guò)75%時(shí)，感官脆性不再顯著增加。在交聯(lián)度30%～75.5%范圍內(nèi)對(duì)魚(yú)糜凝膠感官脆性進(jìn)行力學(xué)表征，多元回歸分析結(jié)果顯示，采用破斷力以及脆裂功、斷裂應(yīng)力、初始切割系數(shù)和壓縮常數(shù)平方值等5個(gè)參數(shù)可以較好地表征魚(yú)糜凝膠脆性，得到其脆性表征方程且2為0.981 9。

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Mechanical characterization and establishment of its model for crunchiness of surimi gels

An Yueqi1,2, Zhao Siming1, Liu Ru1,2, Liu Youming1,2, You Juan1,2, Xiong Shanbai1,2※

(1.430070;2.()430070,)

Surimi gels, one of the deeply processed aquatic products, have received wide attention due to their unique texture and high nutrition. Surimi gels with less MTGase show soft and elastic mechanical properties, while the textural properties of surimi gels are transferred from elastico-viscous body to elastico-crispy body if surimi was set with much MTGase at a low temperature for a long time owing to the excessive cross-links. When excessively cross-linked, surimi gels become easier to be broken and show “fracture properties”, also called “crunchiness” or “brittleness”. Sensory evaluation is the most commonly used method for evaluating food brittleness. However, sensory sensations can be affected by some instable factors such as preference, mood and health of panelists. Therefore, it is necessary to focus on the instrument measurement to evaluate the crunchiness. In this paper, frozen fresh-water surimi (AAA grade) was used as material. Surimi gels with different crunchiness were produced under different setting time and MTGase addition. Uniaxial compression test, three-point bending test and puncture test were used to realize a mechanical characterization of the sensory crunchiness of surimi gels with different cross-linking extent. It was found that surimi gels with different cross-linking extents showed different mouth feel, and the sensory score of crunchiness of surimi gels increased with the cross-linking extent. Moreover, when the cross-linking extent was less than 30%, surimi gel was not crunchy, while when the cross-linking extent was more than 30%, crunchiness appeared and increased significantly as cross-linking extent increased. When the cross-linking extent was over 75%, the sensory crunchiness did not increase significantly anymore. In uniaxial compression test, surimi gels with lower cross-linking extent (<30%) could not be broken. With the increase of cross-linking extent, the fracture stress, compression constant, initial cutting coefficient and Young’s modulus all increased. In three-point bending test, the brittle fracture stress and elasticity modulus increased first and then decreased, reaching the maximum at 50% cross-linking extent. When the cross-linking extent was less than 30%, the fracture work showed an increasing trend, while when the cross-linking extent was over 30%, the fracture work decreased with the increasing of crunchiness. In puncture test, the deformation of surimi gels did not show obvious change regulation. Additionally, the breaking force, rising slope and decreasing slope increased as cross-linking extent increased. Multiple regression analysis was applied to model the sensory crunchiness by mechanical indices of surimi gels with the cross-linking extent of 30%-75.5%. It was showed that the sensory crunchiness of surimi gels could be characterized by breaking force, fracture work, fracture stress, compression constant and initial cutting coefficient. The crunchiness characterization equation was obtained, which was proved to be accurate and precise, and there was no significant difference between the predicted and measured values of surimi gels crunchiness (>0.05). The research provides new ideas and methods for the evaluation of the surimi gel products.

quality control; aquaculture; monitoring; surimi gel; crunchiness

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.040

S986.1

A

1002-6819(2018)-02-0292-07

2017-09-13

2017-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31671884；31371796）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（大宗淡水魚(yú)）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專(zhuān)項(xiàng)基金(CARS-45-27)

安玥琦，博士生，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品加工。 Email：ayq19911111@126.com

熊善柏，教授/博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗a(chǎn)品加工及貯藏工程。Email：xiongsb@mail.hzau.edu.cn

安玥琦，趙思明，劉 茹，劉友明，尤 娟，熊善柏. 魚(yú)糜凝膠脆性的力學(xué)性能表征與模型建立[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(2)：292－298. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.040 http://www.tcsae.org

An Yueqi, Zhao Siming, Liu Ru, Liu Youming, You Juan, Xiong Shanbai. Mechanical characterization and establishment of its model for crunchiness of surimi gels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(2): 292－298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.02.040 http://www.tcsae.org