导　　师： 孙永海

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 吉林大学

摘　　要： 食品质地是食品检测的主要指标,是消费者选择食品的重要参考依据。食品质地评价方法包括主观评价和客观评价两类。由于感官评价易受主观因素的影响,存在一定缺陷,因此探寻利用客观、可靠的分析方法对食品质地进行质地评价逐渐成为研究热点。本文旨在利用断裂声音信号对胡萝卜质地进行评价,在样品质地测试过程中采集断裂声音信号,利用小波理论及希尔伯特变换理论对声音信号进行分析处理,提取相应的时频特征值,分析特征值与食品质地的关系,在此基础上构建胡萝卜断裂声音信号的质地评价模型,并结合胡萝卜结构、主要营养成分的变化探索模型的评价机制。该研究可以为声音信号技术在食品质地评价中的应用提供理论支撑,为食品质量检测提供一种新方法。本文主要研究内容如下:(1)确定了胡萝卜断裂声音信号采集与分析方法。利用质构仪压缩、剪切两种断裂模式进行胡萝卜质地测定,测试过程中用计算机、声音传感器采集样品断裂时释放的声音信号。利用小波理论对断裂声音信号进行消噪处理。利用时域分析理论,确定了声音信号时域特征提取方法,特征值主要包括波形指标、声强、最大振幅以及幅值差四个指标;利用希尔伯特黄变换(HHT)理论,确定了声音信号频域特征提取方法,提取不同频率范围的相对能量。(2)研究了压缩断裂模式下胡萝卜声音信号与脆度、硬度的关系。压缩探头型号为TA-25圆柱形探头,样品为10×12 mm(直径×高)的圆柱体。结果表明:胡萝卜脆度与声音信号时域特征值中的波形指数(r=0.785,P<0.01)、声音强度(r=0.732,P<0.01)呈现极显著正相关性;与声音信号频域特征值即不同频率范围内相对能量(Er)相关性不显著。胡萝卜硬度与声音信号时域特征值、频域特征值的相关性均不显著。(3)研究了剪切断裂模式下胡萝卜声音信号与脆度、硬度的关系。探头型号选用与人切齿类似的TA7型探头,样品为直径30×20×10 mm(长×宽×高)的长方体。结果表明:胡萝卜脆度与声音信号时域特征值中的波形指数(r=0.723,P<0.01)、声音强度(r=0.725,P<0.01)呈现极显著正相关性;与声音信号频域特征值中的高频区相对能量呈现极显著负相关性(r=-0.676,P<0.01)。胡萝卜硬度与声音信号时域特征值中的波形指数(r=0.722,P<0.01)、声音强度(r=0.806,P<0.01)呈现极显著正相关性;与声音信号时域特征值中的高频区相对能量呈现极显著负相关性(r=-0.726,P<0.01)。与压缩模式相比,剪切断裂模式所产生的声音信号时域特征值中的波形指标、声音强度以及频域特征值中的高频区相对能量都与脆度呈现较好的相关性,可利用剪切模式下断裂声音信号对胡萝卜质地进行评价。(4)对声音信号的胡萝卜质地评价模型进行了构建及验证。利用主成分分析算法,筛选与胡萝卜质地具有显著相关性的声音信号时域、频域特征值,最终得到两个主成分,主成分1为高频相对能量,主成分2为时域特征值,两个主成分的有效信息保留率为75.47%。依据多元线性回归方法,利用两个主成分构建质构评价模型,模型脆度预测平均相对误差为4.11%,硬度预测平均相对误差为1.28%。利用反向传播神经网络(BPNN)算法,对构建过程中隐含层神经元数、训练函数等参数进行筛选,最终确定反向传播神经网络模型的拓扑结构为[6-12-2]即:输入层神经元数为6,隐含层神经元数为12,输出层神经元数为2。两个指标的平均值预测相对误差均小于3%。结果表明多元线性回归模型基本可以实现胡萝卜质地的预测,但精确度不高,反向传播神经网络也可以实现胡萝卜质地的预测,效果略优于多元线性回归模型。(5)对声音信号的胡萝卜质地评价机制进行了初步探索。随着贮藏时间的延长,胡萝卜脆度、硬度,声音信号中的波形指标、声强等指标均呈现下降趋势,且各贮藏期内差异均较为显著(P<0.05),声音信号的频率总能量在各贮藏期内差异不显著。利用国标检测方法测定不同贮藏时间样品的水分、还原糖、果胶三个主要营养物质指标的含量变化,结果表明水分、果胶都随贮藏时间的延长而呈现下降趋势,且各贮藏期内差异均较为显著(P<0.05),但还原糖一定程度上反映了胡萝卜的动态变化,呈现先上升而后再下降的趋势,贮藏14天后的样品差异不显著。利用扫描电镜技术对不同贮藏时间的样品的微结构进行观察,结果证实新鲜的胡萝卜细胞结构排列紧致有序,没有明显的断裂带,随着贮藏时间的延长,细胞壁的纤维素聚合体逐渐松散,贮藏14天后细胞结构出现断裂,贮藏28天后的样品结构断裂则更为严重。通过上述结果明确了断裂声音信号的胡萝卜质地评价机制,即:随着贮藏时间的延长,胡萝卜的水分、果胶含量均不断下降,影响了胡萝卜的细胞结构。这种结构的改变进而影响了胡萝卜细胞的机械特性,因此也同时致使胡萝卜的脆度、硬度逐渐下降,从而导致胡萝卜质地测试过程中断裂力学特性发生了显著的变化,进而导致断裂释放能量的下降,最终致使由断裂释放能量转变而来的声音信号发生变化。由此证明利用断裂声音信号对胡萝卜质地进行评价是科学、可靠的。综上所述,本文所做的基于断裂声音信号的胡萝卜质地评价研究,可以为声学技术在食品质量检测中的应用提供可靠的理论依据。利用时域分析与希尔伯特黄变换理论提取的食品断裂声音信号时域、频域信息,可清晰的描述食品断裂声音信号在时频域的变化情况,掌握食品声音信号有用信息,为声音信号技术在食品质量检测中的推广及应用,提供了必要的理论基础及重要依据。

关 键 词： 食品检测 质地评价 胡萝卜 声音信号 希尔伯特黄变换

分 类 号： [TS255.7]

领　　域： [轻工技术与工程] [轻工技术与工程]