马铃薯片脆性的力学和声学测量

坚持不懈

近年来，脱水果蔬脆片类休闲食品由于其口感酥脆、营养丰富、携带方便、保质期长等优点深受大众喜爱。目前，市场上出售的果蔬脆片种类越来越多，品质也存在差异，影响果蔬干产品品质的因素主要有色泽、硬度、韧性、脆性等。脆性与食品加工后的结构、加工特性等因素息息相关，是衡量果蔬脆片品质的一个重要属性，也是果蔬脆片类食品主要研究方向之一。

天津科技大学 天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室的胥慧丽、吴中华*、董晓林等人在机械法的基础上，将声学法与之相结合，拟发展果蔬干食品脆性的力学和声学综合测量新方法，以求更全面地定量分析果蔬片脆性。以3 种不同马铃薯干脆片为实验材料，采用声发射技术监测薯片在压缩过程中的声音信号，构建果蔬薄片机械压缩过程力学和声发射检测平台，采集马铃薯片在机械压缩至断裂过程中力学和声学信号，从声波能量信号的峰值与最大应力的角度对马铃薯片进行脆性分级，为果蔬干产品的脆性力学和声学综合评价提供参考。

1、单个样本力学和声学测量结果

图3为样品A的某个样本在压缩时应力随时间的变化，随着时间的延长，应力呈先增大后减小的趋势，压缩过程中出现多个峰值。在初始压缩阶段（0～0.35 s）时，出现第一个应力峰值。在0.35～0.68 s时，应力逐渐增大，应力峰值在0.68 s时达到最大，为0.058 MPa，此时薯片被压碎，质构仪停止运行。

图4为样品A在机械压缩过程中的脉冲信号波形及能量图。由图4a可知，声波脉冲信号丰富，而背景噪声信号较少，说明背景噪声影响可以忽略。需要说明的是，声发射仪开始采集的0.77 s时刻，质构仪探头刚达到触发力（图4a箭头处），即相比声波信号采集，应力数据采集延迟0.77 s。

在声发射信号全波形图的初始阶段即0.77～0.83 s（扣除延迟时间0.77s后，为0～0.06 s）时，薯片所受的应力较小，无声发射信号出现；在0.84 s和1.07 s时刻左右（0.07 s和0.30 s），分别出现两个短时、但幅度较大的声发射信号峰，推测为薯片内部单个孔洞破裂所致；在1.24～1.66 s（0.47～0.89 s），随着应力进一步增大，薯片内部孔洞在受压过程中不断破裂，声发射信号峰连续出现，构成一个声发射信号密集区，在1.28 s（0.51 s）时出现一个声发射脉冲信号最大峰值。从图4a筛选出其中一个特征参数——能量（单位时间声发射脉冲信号能量累计值），得到图4b，其横坐标表示从图4a的时间轴中减去0.77 s的时间差，得到应力和声发射信号采集开始时刻同步的时间，纵坐标为能量，能量随压缩时间的变化与图4a基本一致。

图5为由图3和图4b合并得到的样品A在机械压缩时的应力和声发射能量图。在0.68 s时，薯片整体破裂，能量信号达到最大，为106.81 mV·ms，此时应力达到最大，为0.058 MPa，说明薯片应力变化和声发射信号之间存在着一定的因果关系。

2、多样本力学和声学测量结果的统计分析

取50 组样品A，进行机械压缩过程力学和声学测试，并重复2.1节中数据处理，以最大声发射能量为横坐标，最大应力为纵坐标，可得到样品A的50 组样本声发射能量-应力散点图（图6）。样品A应力跨度大，应力范围为0.015～0.12 MPa；从分布位置看，应力相对集中在0.015 MPa和0.08 MPa两个区域；声发射能量范围为30～320 mV·ms，但相对集中在50～120 mV·ms区域。

由图7a可知，应力在0～0.03 MPa之间有一个密集区，数量占总样本数的48%；在0.06～0.105 MPa之间，数量占总样本数的36%；累积频率为0.5时，平均最大应力为0.035 MPa。由图7b可知，声发射能量在40～120 mV·ms之间有一个密集区，数量占总样本数的64%，可见样品A声发射能量分布较集中；当累积频率为0.5时，样品A平均最大声发射能量为93.51 mV·ms。

3、不同样品间应力-声发射测试结果比较
与样品A类似，对样品B和C的各50 个样本进行应力和声发射测试和实验数据分析，得到3 个样品最大应力-声发射能量散点分布图（图8）。样品A能量和应力分布比较离散，应力主要集中分布在0.015～0.08 MPa内，声发射能量主要集中分布在50～120 mV·ms；样品B分布较样品A集中，在应力较高区域内少有分布，能量较高区域内没有分布，应力主要集中分布在0.005～0.07 MPa之间，能量主要集中分布在15～75 mV·ms之间；样品C能量分布比较集中，在10～70 mV·ms之间，应力分布比较离散，主要分布在0.02～0.1 MPa区域内。

以平均最大应力和声发射能量对图8进行简化，得到图9。将平均声发射能量0～99 mV·ms均匀划分为低能量（0～33 mV·ms）、中能量（34～66 mV·ms）、高能量（67～99 mV·ms）3 个区域，将应力0～0.063 MPa均匀划分为低应力（0 ～0.021 MPa ）、中应力（0.022～0.042 MPa）、高应力（0.043～0.063 MPa）3 个区域。当累积频率为0.5时，样品A的平均最大能量为93.51 mV·ms、平均最大应力为0.035 MPa，分布在高能量-中应力区域；样品B平均最大能量为43.16 mV·ms、平均最大应力为0.025 MPa，分布在中能量-中应力区域；样品C平均最大能量为37.55 mV·ms、平均最大应力为0.061 MPa，分布在中能量-高应力区域。

图10为样品A～C侧断面放大倍数50 倍的扫描电子显微镜图片。样品A断口表面存在很多孔洞，整体呈蜂窝状结构，孔洞间排列均匀、致密；从单个孔洞来看，其形状规则、孔壁较厚，孔径跨度不大，较大孔洞附近聚集少量大小不一的小孔洞。样品B断口表面凹凸不平，存在多个不规则椭圆形孔洞，孔洞之间呈多层排列；从单个孔洞来看，其形状不规则，孔壁与样品A相比较薄。样品C可见多个扁平状长裂缝单层排列在断口表面，孔洞分布较样品A、B稀疏；从单个孔洞来看，孔壁较样品A稍厚，孔径跨度不大，长裂缝附近附着有少量小孔洞。

结 论
本实验通过构建果蔬干脆片机械压缩过程力学和声学特性检测平台，以市售马铃薯脆片为实验材料，采集马铃薯片在机械压缩至断裂过程中力学和声学信号，分析果蔬脆性与应力和声发射信号之间的关系，并得到结论：1）实验条件下，检测平台能够采集马铃薯片在被压缩至破碎过程中的应力和声发射脉冲连续信号。2）机械压缩过程中，马铃薯片单样本在整体破碎时出现的最大应力和声能量峰值之前，多次出现内部孔洞破裂导致的应力和声发射能量中间峰；多样本最大应力和声发射能量分别呈统计学分布特性。样品A的平均最大能量为93.51 mV·ms、平均最大应力为0.035 MPa。3）以平均最大应力和声发射能量对马铃薯片进行脆性分级，酥脆程度从大到小依次为样品A＞样品B＞样品C。

实验结果表明将力学和声发射技术综合测量新方法应用于马铃薯片的脆性研究是可行的，但其进一步应用仍需大量的工作。