用于槟榔嚼块硬度评价的刀切探头及槟榔硬度测试方法

技术领域

本发明属于分析测试领域，具体涉及一种用于槟榔嚼块硬度评价的刀切探头及槟榔硬度测试方法。

背景技术

槟榔(Areca catechu L.)是棕榈科多年生常绿乔木，主要生产于东南亚沿海地区，在我国海南和台湾等地区也有大量出产。中医认为槟榔味苦、辛，性温，具有驱虫消积、降气，行气利水的功能。槟榔的消费形式主要为咀嚼食品，干制槟榔是现在食用槟榔的主要商品，由于其独特的风味和良好的咀嚼性，深受广大消费者的喜爱，槟榔已成为仅次于尼古丁、酒精和咖啡因的全球第四大嗜好品。近年来，海南省槟榔产业发展迅猛，种植面积和产量均占全国95％以上，成为仅次于橡胶的海南省第二大热带经济作物。

成熟的槟榔果实具有非常明显的纤维结构，这些纤维结构在槟榔内部以同一方向紧实排布，支撑起了槟榔果实椭球形的几何结构。同时，槟榔的纤维结构也大大提升了产品加工过程中风味物质的吸附能力。消费者在食用槟榔产品时，主要通过咀嚼槟榔果实中的纤维质，释放其中所含风味物质，感受槟榔果的风味特性，槟榔纤维的咀嚼性、韧性等质构特性，以获得感官愉悦。因此，如何准确地对槟榔嚼块硬度特性进行评价至关重要。

从槟榔嚼片产品的设计来说，在咀嚼槟榔过程中，其粗纤维对口腔的刺激和对口腔黏膜的破坏是消费体验中遇到的主要问题和顾虑，也是槟榔仅限于部分传统消费地区(湖南、海南、福建、台湾等)，却难以推广，让其他地区消费者接纳的主要原因。如何有效地软化、细化粗纤维成为更好地提升槟榔口感、健康性的关键。对槟榔嚼块的硬度特性和纤维特性进行准确的评价是实现上述提升的前提，对槟榔嚼块品质控制和消费体验都有重要意义。

槟榔产品体积较小、形状不规则等特点，是其硬度评价过程中的主要困难点，槟榔内的植物纤维结构是影响槟榔硬度的主要因素。目前对槟榔硬度的评价尚未有统一的测试方法，主要通过现有的两种食品硬度测试法——质构剖面分析法(Texture ProfileAnalysis,TPA)和穿刺法进行硬度测试：

(1)TPA测试是一种经典的质构测试方法，被广泛运用于食品、药品、烟草等产品的质构测试，该方法通过使用直径为50mm的圆柱形探头对槟榔样品进行两次挤压以模拟两次咀嚼过程，挤压距离通常超过50％的样品自高，并以第一次挤压时获得的最大力值作为样品的硬度值；

(2)穿刺法则是使用直径为5mm的P/5圆柱形探头对槟榔样品进行穿刺，并以穿刺过程中获得的最大力值作为样品的硬度。然而，众所周知消费者在实际咀嚼槟榔嚼块时除了挤压和穿刺作用，牙齿对槟榔嚼块还有很强的撕裂作用，因此仅单独使用TPA测试法或穿刺法对槟榔嚼块硬度进行评价存在一定的局限性，无法真实反应咀嚼过程中对槟榔嚼块纤维的破坏作用。同时，在实际测试过程中，由于槟榔嚼块样品硬度较大，在进行TPA测试时极易超过仪器最大测量量程(50kg力学感应元件)，无法完成测试；而进行穿刺测试时易造成P/5探头发生弯曲变形，无法获得准确稳定的硬度值，且造成仪器损坏。

如前所述，槟榔样品同样具有非常明显的以同一方向紧密排布的纤维结构，由于这些纤维排布的单一方向性，在进行硬度测试时，测试探头与纤维走向的位置关系将直接影响测试结果。

因此针对上述问题，有必要精准设计一种具备稳定可行、操作安全、适用大硬度样品测试、结果可靠、易于维护的能够准确评价槟榔硬度的装置及测试方法。

发明内容

本发明的目的在于解决技术中无法准确测试槟榔嚼块样品硬度的问题，并提供一种用于槟榔质构分析中测试样品硬度的装置。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种用于槟榔嚼块硬度评价的刀切探头，其包括探头主体、刀切刀片、刀片固定组件和探头方向调节螺母；所述刀切刀片通过刀片固定组件可拆卸式固定于探头主体底部，所述刀切探头的底端具有刃侧朝下的长条形刀口；所述的探头主体顶部拧有探头方向调节螺母，探头方向调节螺母与外部的质构仪力臂之间通过螺丝同轴连接，使探头主体与外部的质构仪力臂之间具有轴向旋转调节的自由度。

作为上述第一方面的优选，所述的刀片固定组件包括刀片固定夹片和刀片固定螺丝，所述刀切刀片通过刀片固定夹片固定于探头主体上，刀切刀片和刀片固定夹片上开设有能够在装配状态下连通的一对螺孔，所述刀片固定螺丝穿过刀片固定夹和刀切刀片上的螺孔使两者可拆卸式固定。

作为上述第一方面的优选，所述的刀切刀片的刀口宽度为2～10mm，刀片厚度为0.3～0.7mm。

作为上述第一方面的优选，所述的刀切刀片的刀口宽度优选为5mm。

作为上述第一方面的优选，所述的刀切刀片采用双面刃，每侧刃部高度1～3mm。

作为上述第一方面的优选，所述的刀切刀片选用碳钢材质制作而成。

第二方面，本发明提供了一种基于第一方面所述刀切探头的槟榔硬度测试方法，其步骤如下：

S1：将所述刀切探头与质构分析仪的力臂相连形成组装装置，并对组装装置中的进行校准；

S2：将槟榔嚼块样品平稳摆放于质构分析仪样品待测台上，且保证槟榔嚼块样品纤维走向与刀切探头的刀刃方向垂直；

S3：利用质构分析仪驱动刀切探头沿着垂直于样品待测台的方向向下移动，使刀切探头底端刀刃接触到槟榔嚼块样品并继续保持向下移动，向下移动过程中刀刃不断对槟榔纤维进行切割，当深入槟榔内部后，质构分析仪驱动刀切探头回升，完成测试；

S4：从质构分析仪中获取S3中刀切探头切入槟榔嚼块样品过程中的最大力学值，将其作为该槟榔嚼块样品的硬度值表征。

作为上述第二方面的优选，所述S1中，组装装置校准时，先对质构分析仪进行力臂重力校正，使未测试时力臂感受力为0kg，再进行刀切探头高度校正，使刀切探头与样品待测台接触时显示高度为0mm。

作为上述第二方面的优选，所述S3中，质构分析仪采用Return to Start模式进行测试，预设参数具体设置如下：测试运行总距离为8.0mm，触发力为5g，测中速度为2.0mm/s，测后速度为10.0mm/s。

本发明相对于现有TPA质构测试和穿刺硬度测试技术而言，具有以下有益效果：

1)本发明可以很好的替代传统TPA质构测试和穿刺测试对槟榔嚼块硬度进行评价，与TPA法和穿刺法获得的硬度测试结果有较好的相关性；

2)本发明的刀切探头在测试时可以很好的模拟咀嚼过程中牙列对槟榔样品的破坏过程，准确评价槟榔硬度；

3)本发明的刀切探头对于槟榔这一类质地较硬的样品，相较于TPA法和穿刺法有更好的稳定性、适用性、安全性和精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明专利实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明专利的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明刀切探头的探头主体结构示意图；

图2是本发明刀切探头的刀切刀片结构示意图；

图3是本发明刀片固定组件的结构示意图，包括配件1：刀片固定夹片、配件2：刀片固定螺丝；

图4是本发明刀切探头方向调节螺母结构示意图；

图5是本发明刀切探头的具体部件安装/连接示意图；

图5中各图标：①为探头方向调节螺母；②为刀切探头主体；③为刀片固定组件-配件1；④为刀片固定组件-配件2；⑤为刀切刀片；⑥为待测槟榔样品；⑦为质构仪样品待测台；⑧为探头主体M6螺丝用于与质构仪相连。

图6是使用本发明刀切探头进行刀切测试时获得的力学曲线图；

图7是使用刀切硬度测试法、TPA测试法、穿刺法三种测试方法分别测试槟榔嚼块的结果图；

图8是使用穿刺法、刀切硬度测试法两种测试方法分别测试槟榔青果的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

本发明中，为了客观评价由于槟榔嚼块的硬度，提供了一种用于槟榔嚼块嚼块的测试方法。本发明中构思是利用具有一定宽度的刀刃对槟榔进行切割，切割过程中槟榔的硬度会反应在刀刃切入槟榔嚼块所需的压力上，因此通过质构分析仪来获取切割过程中所需的压力值即可反映槟榔硬度。

为了实现该测试，本发明特别设计了一种用于槟榔嚼块硬度评价的刀切探头，其包括探头主体、刀切刀片、刀片固定组件和探头方向调节螺母几大部分。其中刀切刀片通过刀片固定组件可拆卸式固定于探头主体底部。需注意的是，质构分析仪属于现有设备，刀切探头顶部可连接在质构分析仪的力臂上，而为了能够切入槟榔嚼块，刀切探头的底端具有刃侧朝下的长条形刀口。当刀切探头在质构分析仪的驱动下向下移动时，刀刃需最先接触槟榔表面。探头主体顶部攻有外螺纹，外螺纹上拧有探头方向调节螺母，探头方向调节螺母与外部的质构仪力臂之间通过螺丝同轴连接，使探头主体与外部的质构仪力臂之间具有轴向旋转调节的自由度。

在本发明中，刀片固定组件可以选择多种不同形式包括刀片固定夹片和刀片固定螺丝，刀切刀片通过刀片固定夹片固定于探头主体上，刀切刀片和刀片固定夹片上开设有能够在装配状态下连通的一对螺孔，刀片固定螺丝穿过刀片固定夹和刀切刀片上的螺孔使两者可拆卸式固定。

刀切探头中长条形刀口的刀口宽度应当适宜，不能过宽也不能过窄，以2～10mm为宜，最优为5mm。长条形刀口的刀口宽度是指刀刃尖部脊线的长度。在刀刃完全接触槟榔嚼块没有超出槟榔嚼块边界的情况下，刀口宽度越宽其接触的槟榔纤维越多，刀口宽度越窄其接触的槟榔纤维越少，可根据测试结果的准确性以及稳定性来综合优化刀口宽度。另外，刀切探头中的底部刀片的其他尺寸也需要合理设置，刀片厚度优选为0.3～0.7mm；刀切刀片优选采用双面刃，每侧刃部高度优选为1～3mm；刀切刀片优选选用碳钢材质制作而成。

下面对本发明提出的用于槟榔嚼块硬度的测试方法实现步骤进行详细描述，具体参见S1～S4：

S1：将刀切探头与质构分析仪的力臂相连形成组装装置，并对组装装置中的进行校准。

在对组装装置进行校准时，先对质构分析仪进行力臂重力校正，使未测试时力臂感受力为0kg，再进行刀切探头高度校正，使刀切探头与样品待测台接触时显示高度为0mm。

S2：将槟榔嚼块样品平稳摆放于质构分析仪样品待测台上，且保证槟榔嚼块样品纤维走向与刀切探头的刀刃方向垂直。该步骤中方向的调整，可待槟榔嚼块样品放置完毕后，通过旋拧探头方向调节螺母改变刀切刀片的刀刃方向或者亦可调整槟榔嚼块样品的方向，使得槟榔嚼块样品纤维走向与刀切探头的刀刃方向垂直。

在进行下一步之前，需要在质构分析仪中预先设置好测试参数，例如测试所需的驱动参数、模式等。

S3：利用质构分析仪驱动刀切探头沿着垂直于样品待测台的方向向下移动，使刀切探头底端刀刃接触到槟榔嚼块样品并继续保持向下移动，向下移动过程中刀刃不断对槟榔中与刀刃不平行的纤维进行切割，切断这些纤维所需的力会通过刀切探头反映至质构分析仪的力臂上。当深入槟榔内部一定距离(具体距离以刀片能够贯穿槟榔的大部分深度为准)后，质构分析仪驱动刀切探头回升，完成测试。此后，可从质构分析仪中获取刀切探头切入槟榔嚼块样品过程中的最大力学值，将其作为该槟榔嚼块样品的刀切硬度值。

S4：从质构分析仪中获取S3中刀切探头切入槟榔嚼块样品过程中的最大力学值，将其作为该槟榔嚼块样品的硬度值表征。

上述方法可以对槟榔样品进行纤维刀切，以分析槟榔样品硬度，区分不同产品的口感差异。下面通过具体实施例对上述S1～S4方法的实现细节以及技术效果进行详细说明。

实施例

1刀切硬度测试法装置搭建

在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种用于槟榔质构分析中硬度测试的刀切探头，其主要包括刀切探头主体(图1)、刀切刀片(图2)、刀片固定组件(图3)和探头方向调节螺母(图4)四部分。

图5为上述刀切探头各组件安装方式，其中：①为探头方向调节螺母；②为刀切探头主体；③为刀片固定夹片-配件1；④为刀片固定螺丝-配件2；⑤为刀切刀片；⑥为待测槟榔样品；⑦为质构仪样品待测台；⑧为探头主体M6螺丝用于与质构仪相连。具体而言，刀切刀片⑤通过刀片固定夹③和刀切刀片⑤组成的刀片固定组件固定于探头主体②底部，探头主体②顶部具有外螺纹，外螺纹上拧有探头方向调节螺母①，探头方向调节螺母①顶部拧有探头主体M6螺丝⑧，探头主体M6螺丝⑧一端拧入探头方向调节螺母①，另一端伸出探头方向调节螺母①可与质构仪力臂连接。刀切刀片⑤通过刀片固定夹片③固定于探头主体②上，刀切刀片⑤和刀片固定夹片③上开设有能够在装配状态下连通的一对螺孔，刀片固定螺丝④穿过刀片固定夹③和刀切刀片⑤上的螺孔使两者可拆卸式固定，以便于更换不同尺寸的刀片。刀切刀片⑤向下移动时，可切入质构仪样品待测台⑦上的待测槟榔样品⑥中。探头主体可以由包括不锈钢、铝合金、铜材等硬性非水溶、非形变材料制作而成，刀片固定组件也可以由包括不锈钢、铝合金、铜材等硬性制作而成，本实施例中均为不锈钢。本实施例中探头方向调节螺母选用聚乙烯塑料制作而成。本实施例中刀切刀片选用碳钢材质制作而成，刀切刀片刀口宽度设置3种选型(2mm、5mm、10mm)，刀片厚度均为0.5mm，采用双面刃，每侧刃部高度2mm，在刀片上部挖有一个供M3螺母穿过的螺孔。探头方向调节螺母①和刀片固定螺丝④上均具有滚花，以增大摩擦力。完成以上部件安装后，进行槟榔硬度测试。

2刀切硬度法测试过程及运行参数设置

将上述刀切探头主体、刀切刀片、刀片固定组件和探头方向调节螺母按上述方式组装，并与质构分析仪相连。完成装置组装后，先在质构分析仪上安装合适的力学感应元件，以满足测试量程要求，本实施例中选用50kg力学感应元件。然后对质构分析仪进行力臂重力校正，使未测试时力臂感受力为0kg，再进行探头高度校正，使探头与样品待测台接触时显示高度为0mm。质构分析仪采用Return to Start模式进行测试，该模式下具体参数设置如下：测试运行距离为8.0mm，触发力为5g，测中速度为2.0mm/s，测后速度为10.0mm/s。完成质构分析仪参数设置后，将待测槟榔样品放置于质构分析仪样品待测台中心。通过调节探头方向螺母，控制刀切探头刀片朝向与槟榔样品纤维走向呈垂直关系，完成上述所有步骤后进行测试。

图6为使用本发明的刀切探头及测试方法进行一次刀切测试时获得的测试结果图线，可以看出，当刀切探头接触到槟榔样品时，质构分析仪获得相应力学值，随着刀片深入槟榔样品，其力学值不断增大，当刀片穿透样品时，图线到达最大值，随后力学值逐渐下降，其中的最大值被定义为本次刀切硬度测试过程中的刀切硬度值。

3TPA法测试过程及运行参数设置

TPA测试法选用直径为50mm的P/50柱形探头进行测试，测试前，将P/50柱形探头通过探头上端螺母与质构分析仪相连。完成组装后，同样在质构分析仪上安装50kg的力学感应元件，然后对质构分析仪进行力臂重力校正和探头高度校正。TPA法选用质构分析仪Special Test中的TPA测试模式，设置测试下压百分比为70％，触发力为5g，两次下压间隔时间为5s，测前速度为2.0mm/s，测中速度为2.0mm/s，测后速度为10.0mm/s。完成质构分析仪参数设置后，将待测槟榔样品放置于质构分析仪待测台上，保持样品位于P/50探头中心位置，完成上述所有步骤后进行测试。TPA测试完成后，第一次挤压获得的最大力值即为测试样品的硬度值。

4穿刺法测试过程及运行参数设置

TPA测试法选用直径为5mm的P/5柱形探头进行测试，测试前，将P/5柱形探头通过探头上端螺母与质构分析仪相连。完成组装后，同样在质构分析仪上安装50kg的力学感应元件，然后对质构分析仪进行力臂重力校正和探头高度校正。穿刺法测试选用Return toStart模式，设置探头运行距离为8.0mm，触发力为5g，测前速度为2.0mm/s，测中速度为2.0mm/s，测后速度为10.0mm/s。完成质构分析仪参数设置后，将待测槟榔样品放置于质构分析仪待测台上，保持样品的中心位于P/5探头正下方位置，完成上述所有步骤后进行测试。穿刺测试完成后，穿刺过程中获得的最大力值即为测试样品的硬度值。

5质构分析仪中自动硬度计算代码设置

运用质构分析仪代码器自动运算三种硬度测试方法(刀切硬度法、TPA法、穿刺法)获得的每根力学曲线得到的硬度值，具体代码如下：

“

1:Clear Graph Results

2:Change Y Axis Type Force

3:Change X Axis Type Time

4:Change Units Force N

5:Change Units Time sec

6:Change Units Distance mm(Relative)

7:Go to Min.Time

8:Go to Absolute+ve Value Force Current Units

9:hardness＝Mark Value(Force(N))As Hardness(R)

”

6实施例实验(一)

为了更好的比较和验证本发明的刀切探头及测试方法的有效性、准确性及优势性，本具体实施例中，购买常见、易得的市售槟榔样品若干(品牌：湖南口味王有限责任公司；品名：和成天下-福星高照)，根据重量、形态、完整度三个角度，从中共选取品相均一的槟榔嚼片样品150颗，150颗槟榔样品品相参数如表1所示。

表1槟榔测试样品品相信息

将上述150颗样品均分为3组，分别使用刀切硬度法、TPA法、穿刺法进行硬度测试。

刀切硬度法、TPA法和穿刺法测试方法及预设测试参数分别如前文2、3、4节所述。

表2三种方法测试市售槟榔嚼块样品硬度

测试结果如表2和图7所示，由于在开始测试前对槟榔嚼块测试样品进行了筛选且通过随机取样进行分组，因此，可以假定上述四组槟榔样品差异不大，但是通过三种硬度测试法进行测试，发现结果存在较大的差异。经方差分析(one-way ANOVA)，TPA法与穿刺法、刀切硬度测试法间均存在极显著性差异(p<0.001)，穿刺法与刀切硬度测试法之间不存在显著差异(p＝0.139>0.05)。

对上述实施结果分析：

(1)TPA测试法与其余2种方法均存在极显著差异的原因主要是由于受力面积差异及TPA测试自身存在的缺陷。具体而言，TPA测试中使用的P/50探头，探头面积为直径为50mm的圆面，即使在挤压过程中其有效接触面积小于探头面积，但是随着挤压的进行，相较于穿刺法的P/5探头和本发明的刀切探头，其有效接触面积都是远远过大且偏离实际的，因此测试结果会极显著大于另外两组。另一方面，由于TPA测试过程中探头为向下挤压式，缺少对槟榔嚼块样品的破坏和撕裂，易受槟榔嚼块几何外型影响，测试结果不稳定，偏差较大。

(2)穿刺法作为一种经典的硬度测试方法被广泛运用于各类产品的硬度测试，弥补了TPA测试法无法对样品进行破坏、撕裂的缺点。本实施例中，穿刺法与刀切硬度测试法测试结果无显著差异，表明了本发明的刀切硬度测试法对穿刺法的有效替代性，且刀切硬度测试法也可有效对槟榔嚼块样品进行破坏、撕裂。另一方面，穿刺法测试时与槟榔嚼块样品是“点-面”接触的形式，而横纤维刀切法测试时是“线-面”接触的形式，在实际咀嚼槟榔时，牙列与槟榔样品正是一种“线-面”接触的模式，且由表2的测试结果可以看出刀切硬度测试法标准偏差(值＝5.4)远小于穿刺法(值＝20.8)，更加稳定，综上所述，刀切硬度测试法可有效替代穿刺法测试槟榔嚼块硬度，且测试结果更稳定可靠。

5.7实施例实验(二)

由于市售槟榔嚼块为工业加工成品，有效测试面积较小，无法在同一颗样品中进行多种测试，因此为了进一步比较穿刺法与刀切硬度测试法的相关性、可替代性及测试有效性，本实施例从海南省万宁市槟榔果园收购了一批新鲜的槟榔青果进行测试。测试前，对槟榔青果进行筛选，选出表面光滑无疤痕、形态完整、饱满新鲜、质量各异的槟榔青果共100颗，在同一颗槟榔青果上分别进行穿刺法测试、刀切硬度法测试各3次，并分别取3次平行测试结果的平均值作为该颗槟榔青果的穿刺硬度值、刀切硬度值。

表3两种方法测试槟榔青果样品硬度

由表3及图8可以看出，与实施例实验(一)结果相似，经成对方差分析(one-wayANOVA)，穿刺法与刀切硬度测试法之间不存在显著差异(p＝0.405>0.05)。同时，刀切硬度测试法测试结果的标准偏差(值＝3.1)小于穿刺法(值＝5.1)，有更好的稳定性。

表4两种方法测试槟榔青果硬度结果相关性分析(N＝100)

使用皮尔逊相关性分析，

由于实施例实验(二)中三种测试方法同时对100颗槟榔青果分别进行了测试，上述结果均为成对结果，因此可以通过皮尔逊相关性分析对三种测试方法获得的硬度值进行相关性分析。结果如表4所示，穿刺法与刀切硬度测试法之间存在显著的相关性(p<0.01)且为正向的强相关关系，相关系数0.725。

综合上述结果可以看出，本发明的刀切硬度测试法可以很好的替代经典的穿刺法评价槟榔产品的硬度，测试结果数值具有高度相关性、无显著差异、且结果更稳定偏差更小。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。