ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2012 z. 571: 87 92 ANALIZA KORELACJI WYBRANYCH MECHANICZNYCH I AKUSTYCZNYCH WŁAŚCIWOŚCI HERBATNIKÓW Agata Marzec, Agnieszka Ryczywolska, Arleta Błońska, Piotr Paweł Lewicki Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wstęp Tekstura jest jednym z podstawowych wskaźników charakteryzujących produkty żywnościowe i decydujących o ich jakości. Wynika ona z przyzwyczajeń i preferencji żywieniowych konsumentów. Szczególnie istotna dla konsumentów jest tekstura produktów niewykazujących zdecydowanego smaku ani zapachu lub charakteryzujących się wyrazistą chrupkością/kruchością [SURMACKA-SZCZEŚNIAK 2002]. Z tego względu dla wielu suchych produktów zbożowych tekstura jest jednym z podstawowych parametrów jakości. Zastosowanie w jej analizie metod mechanicznych polega na deformowaniu próbek z określoną szybkością i jednoczesną rejestracją zmian zachodzących w niszczonym materiale pod wpływem przyłożonej siły. Teksturę można także analizować metodami akustycznymi przez pomiar sygnałów dźwiękowych generowanych podczas niszczenia żywności. Wyniki badań SEYMOUR i HAMANN [1988] sugerują, że sensoryczna kruchość/ /chrupkość suchej żywności jest wynikiem połączenia wrażeń akustycznych i wytrzymałości mechanicznej. W badaniu produktów zbożowych celowe wydaje się zatem połączenie tych dwóch metod analizy tekstury pomiar siły powinien być łączony z analizą emitowanego dźwięku. Wykorzystując połączenie testów mechanicznych i akustycznych, opracowano różne równania regresji w celu przewidywania chrupkości/kruchości produktów [MOHAMED i in., 1982; SEYMOUR I HA- MANN 1988; LUYTEN i VAN VLIET 2006]. MOHAMMED i in. [1982] badali zależność sensorycznej kruchości, twardości i intensywności dźwięku oraz instrumentalnie zmierzonych cech mechanicznych i akustycznych dla produktów takich, jak: wafle, Maltesers i biszkopty. Otrzymali wysoki stopień korelacji sensorycznej kruchości ze współczynnikiem wyrażającym udział pracy pęknięcia w całkowitej pracy ściskania (r = 0,88) oraz z poziomem dźwięku (r = 0,701). Najwyższy stopień korelacji (r = 0,92) uzyskali jednak dla modelu regresyjnego uwzględniającego kombinację obydwu parametrów. MARZEC [2012] w celu określenie kruchości ciastek zestawiła akustyczne parametry (całkowitą liczbę zdarzeń EA, amplitudę dźwięku) z parametrami mechanicznymi (siłą, pracą ściskania i łamania). SEYMOUR i HAMANN [1988] uzyskali silną korelację (r = 0,97) między kruchością i średnim poziomem ciśnienia oraz pracy. ALCHAKRA i in. [1996] odnotowali liniową zależność maksymalnej 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl87 87 2013-02-11 15:38:27
88 A. Marzec, A. Ryczywolska, A. Błońska, P.P. Lewicki amplitudy sygnału akustycznego od maksymalnego naprężenia (r = 0,90) oraz silną zależność (r = 0,83) pomiędzy czasem trwania sygnału akustycznego i modułem Younga dla makaronu. Celem pracy była analiza korelacji pomiędzy wybranymi mechanicznymi i akustycznymi właściwościami herbatników pięciu marek powszechnie dostępnych na rynku polskim. Materiał i metody badań Materiałem badawczym były herbatniki pięciu popularnych marek. Ciastka po wyjęciu z opakowania były przechowywane przez dwa tygodnie w środowisku o aktywności wody 0,225, w temperaturze 25 C. Próbki poddawane były procesowi łamania w maszynie wytrzymałościowej ZWICK 1445 (ZWICK GmbH, Niemcy), z prędkością 50 mm min 1. Podczas testów rejestrowano siłę niszczenia z częstotliwością 10 Hz oraz emisję akustyczną kontaktowo, za pomocą akcelerometru piezoelektrycznego typu 4371 V (Brüel&Kjaer). Tor pomiarowy był testowany na powtarzalność zapisu za pomocą testu kruszenia grafitu 0,5 mm HB. Testy łamania przeprowadzono w 15 powtórzeniach, z czego do dalszej analizy wybrano wyniki otrzymane dla 11 prób, odrzucając wartości skrajne. Określono wytrzymałość herbatników wyrażoną przez naprężenie, przy którym ulegały one złamaniu, a także pracę łamania i maksymalną siłę na podstawie charakterystyk mechanicznych produktów w układzie siła czas. Sygnał EA, zapisany jako zmiany napięcia w czasie, był analizowany wstępnie za pomocą programu komputerowego Creative WaveStudio (Creative Technology Ltd., USA), a następnie przy wykorzystaniu oprogramowania dedykowanego. Wyznaczono deskryptory emisji akustycznej dla 5-sekundowych zapisów dźwięków łamania: energię akustyczną, współczynnik nachylenia charakterystyki widmowej i liczbę zdarzeń emisji akustycznej za pomocą programów Policz, Widmo i Średni. Współczynnik chrupkości wyznaczono jako iloraz liczby zdarzeń emisji akustycznej i pracy łamania. Analizę statystyczną przeprowadzono przy wykorzystaniu programu StatGraphics plus 3.0. Wynik i dyskusja Model regresyjny zależności parametrów mechanicznych i wyróżników akustycznych herbatników handlowych wyznaczono w programie statystycznym Stat- Graphics plus 3.0. Najlepsze dopasowanie uzyskano dla modelu regresji odwrotności, dla którego otrzymano najwyższe współczynniki determinacji. Model ten zastosowano do opisu relacji maksymalnej siły, pracy łamania i naprężenia łamiącego oraz deskryptorów emisji akustycznej i współczynnika chrupkości. Przykładowe zależności pomiędzy właściwościami akustycznymi i mechanicznymi herbatników przedstawiono na rysunkach 1 i 2. Współczynnik chrupkości wyrażony został stosunkiem liczby zdarzeń EA do wartości pracy łamania herbatników, stąd w pracy analizowano jego korelację z maksymalną siłą i naprężeniem łamiącym. W obu tych przypadkach uzyskano silną zależność współczynnika chrupkości i parametrów mechanicznych 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl88 88 2013-02-11 15:38:27
ANALIZA KORELACJI WYBRANYCH MECHANICZNYCH I AKUSTYCZNYCH... 89 900 1,2e+5 Naprężenie łamiące (kpa) Breaking stress (kpa) 800 700 600 500 400 300 200 1,0e+5 8,0e+4 6,0e+4 4,0e+4 2,0e+4 Współczynnik chrupkości (l.zd. J 1 ) Crispness index (no events J 1 ) Rys. 1. Fig. 1. 100 A B C D E Naprężenie; Breaking stress Współczynnik chrupkości; Crispness index Naprężenie łamiące i współczynnik chrupkości herbatników różnych marek Breaking stress and crispness index of biscuits of different brands 0,0 22 1000 20 18 800 Siła (N) Force (N) 16 14 12 10 8 600 400 Liczba zdarzeń EA Number of acoustic events 6 4 200 Rys. 2. Fig. 2. 2 A B C D E Siła; Force Liczba zdarzeń EA; Number of acoustic events Maksymalna siła i liczba zdarzeń EA herbatników różnych marek Maximum force and number of acoustic events of biscuits of different brands 0 (tab. 1). MARZEC i GONDEK [2006], badając krakersy, otrzymały wysoką korelację tego współczynnika z wyróżnikami oznaczanymi sensorycznie: jakością ogólną (r = 0,837) i tonem dźwięku (r = 0,997). Natomiast słabiej korelował współczynnik chrupkości z czasem trwania dźwięku (r = 0,657) i twardością (r = 0,627). Nie odnotowano korelacji pomiędzy współczynnikiem nachylenia charakterystyki widmowej i parametrami mechanicznymi. Współczynnik ten zostały wyra- 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl89 89 2013-02-11 15:38:27
90 A. Marzec, A. Ryczywolska, A. Błońska, P.P. Lewicki żony jako stosunek gęstości widmowej mocy sygnału w pasmach wysokich (12 14 khz) i niskich (1 7 khz) częstotliwości [MARZEC i in. 2002]. Implikuje to fakt, że brak jest zależności pomiędzy ilością dźwięku emitowanego w poszczególnych zakresach częstotliwości a wytrzymałością czy twardością herbatników. Liczba zdarzeń emisji akustycznej wykazała silną zależność z naprężeniem łamiącym (r = 0,783) i słabszą z maksymalną siłą łamania (r = 0,637). Natomiast nie odnotowano korelacji tego deskryptora EA z pracą łamania. Liczba zdarzeń EA jest liczbą impulsów na wykresie amplitudowo-czasowym sygnału dźwiękowego odpowiadających pękaniu herbatnika. Poszczególne zdarzenia mechanicznego niszczenia odpowiadają zdarzeniom akustycznym. Pęknięcie zaczyna się przy osiągnięciu krytycznych parametrów, m.in. naprężenia łamiącego i krytyczniej intensywności nacisku [LUYTEN i VAN VLIET 2006]. Wynika stąd uzyskana korelacja liczby zdarzeń akustycznych i naprężenia. Odnotowano wysoką korelację (r = 0,759) pomiędzy energią akustyczną i naprężeniem łamiącym herbatników. Słabsza zależność (r = 0,628) wystąpiła pomiędzy energią i maksymalną siłą. CHAUNIER i in. [2005], badając płatki kukurydziane różnych producentów, uzyskali niski stopień korelacji (r = 0,40) dla zależności maksymalnej siły niszczenia od kruchości ocenianej sensorycznie. W innych badaniach stwierdzono ujemną korelację kruchości w odniesieniu do twardości określonej jako maksymalna siła niezbędna do zniszczenia badanego materiału [SEYMOUR i HAMANN 1988; MARZEC 2012]. Natomiast MARZEC i GON- DEK [2006] odnotowały silną ujemną zależność maksymalnej siły ściskania krakersów od sensorycznie oznaczonej twardości i jakości ogólnej. Praca łamania badanych herbatników wykazała słabą zależność od liczby zdarzeń emisji akustycznej i energii sygnału akustycznego (tab. 1). Podobnie MARZEC i GONDEK [2006] nie otrzymały korelacji pracy ściskania krakersów z ich jakością ogólną i sensoryczną twardością. Tabela 1; Table 1 Współczynniki korelacji właściwości mechanicznych i wyróżników akustycznych herbatników Correlation coefficients of mechanical properties and acoustic features of biscuits Wyróżniki akustyczne Acoustic properties Liczba zdarzeń EA Number of acoustic events Współczynnik nachylenia charakterystyki widmowej Partition power spectrum slope Energia akustyczna Acoustic emission signal energy (a.u.) Współczynnik chrupkości Crispness index maksymalna siła maximum force (N) Właściwości mechaniczne Mechanical properties praca łamania breaking work (mj) naprężenie łamiące breaking stress (Pa) 0,637 0,366 0,783 0,174 0,114 0,431 0,628 0,368 0,759 0,925 0,965 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl90 90 2013-02-11 15:38:27
ANALIZA KORELACJI WYBRANYCH MECHANICZNYCH I AKUSTYCZNYCH... 91 Wnioski 1. Liczba zdarzeń EA i energia sygnału EA były silnie skorelowane z naprężeniem łamiącym i maksymalną siłą niszczenia, a słabo z pracą łamania herbatników. 2. Nie odnotowano zależności współczynnika nachylenia charakterystyki widmowej od parametrów mechanicznych. 3. Współczynnik chrupkości ciastek wykazał najsilniejszą korelację z naprężeniem łamiącym i siłą łamania. Sugeruje to, że istnieje możliwość powiązania wrażeń akustycznych z niektórymi właściwościami mechanicznymi suchych produktów zbożowych. Zależności te można opisać równaniami regresji odwrotności. Literatura ALCHAKRA W., ALLAF K., JEMAI A. 1996. Characterization of brittle food products: application of the acoustic emission method. J. Text. Stud. 27: 327 348. CHAUNIER L., COURCOUX P., DELLA VALLE G., LOURDIN D. 2005. Physical and sensory evaluation of cornflakes crispness. J. Text. Stud. 36: 93 118. LUYTEN H., VAN VLIET T. 2006. Acoustic emission, fracture behavior and morphology of dry crispy foods: a discussion article. J. Text. Stud. 37: 221 240. MARZEC A. 2012. Właściwości teksturalne ciastek kruchych w aspekcie ich struktury. Rozprawy Naukowe i Monografie. Wydaw. SGGW, Warszawa. MARZEC A., GONDEK E. 2006. Zależność pomiędzy wybranymi wyróżnikami tekstury krakersów oznaczonymi instrumentalnie i sensorycznie. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość 2 (47): 223 230. MARZEC A., LEWICKI P.P., RANACHOWSKI Z., DĘBOWSKI T. 2002. The influence of moisture content on spectral characteristic of acoustic signals emitted by flat bread samples. In: AMAS Course on Nondestructive Testing of Materials and Structures NTM 02 (ed. J. Deputat, Z. Ranachowski). Warsaw: 127 135. MOHAMED A.A.A., JOWITT R., BRENNAN J.G. 1982. Instrumental and sensory evaluation of crispness: 1. In: Friable foods. J. Food Eng. 1982, 1: 55 75. SEYMOUR S.K., HAMANN D.D. 1988. Crispness and crunchiness of selected low moisture foods. J. Text. Stud. 19, 79 95. SURMACKA-SZCZEŚNIAK A. 2002. Texture is a sensory property. Food Qual. Prefer. 13: 215 225. Słowa kluczowe: herbatniki, właściwości mechaniczne, emisja akustyczna, praca łamania, naprężenie łamiące Streszczenie Celem pracy była analiza korelacji wybranych mechanicznych i akustycznych właściwości herbatników pięciu marek powszechnie dostępnych na rynku polskim. Ciastka poddane były procesowi łamania w maszynie wytrzymałościowej ZWICK 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl91 91 2013-02-11 15:38:28
92 A. Marzec, A. Ryczywolska, A. Błońska, P.P. Lewicki 1445, z jednoczesną rejestracją emisji akustycznej. Oznaczono parametry mechaniczne: pracę łamania, naprężenie łamiące, siłę łamania, oraz deskryptory emisji akustycznej: liczbę zdarzeń emisji akustycznej, energię akustyczną, współczynnik nachylenia charakterystyki widmowej oraz współczynnik chrupkości. Dla opisu relacji wyróżników akustycznych i właściwości mechanicznych zastosowano model regresyjny odwrotności. Uzyskano silną korelację naprężenia łamiącego i maksymalnej siły z liczbą zdarzeń EA, energią akustyczną i współczynnikiem chrupkości. Praca niszczenia herbatników słabo korelowała z liczbą zdarzeń akustycznych i energią sygnału. Nie odnotowano zależności współczynnika nachylenia charakterystyki widmowej i wyznaczonych parametrów mechanicznych. CORRELATION ANALYSIS OF MECHANICAL AND ACOUSTIC PROPERTIES OF BISCUITS Agata Marzec, Agnieszka Ryczywolska, Arleta Błońska, Piotr Paweł Lewicki Department of Food Engineering and Process Management Warsaw University of Life Sciences SGGW Key words: biscuits, mechanical properties, acoustic emission, breaking work, breaking stress Summary The aim of the paper was to analyze the correlation of the set of mechanical and acoustic features of five brands of biscuits popular on the Polish market. The cookies were subjected to breakage process in the universal hardness tester ZWICK 1445. During breaking process, acoustic emission was registered. Mechanical parameters were determined: breaking work, breaking strain, breaking force as well as acoustic descriptors: number of acoustic events, acoustic energy, partition power spectrum slope and crispness index. In order to describe the dependency between acoustic features and mechanical properties, reciprocal regression model was used. Strong correlation was noticed between breaking strain, maximal force and number of acoustic events, acoustic energy and crispness index. Biscuits breaking work was correlated in a weak way with a number of acoustic events and signal energy. There were no dependencies observed between partition power spectrum slope and determined mechanical parameters. Dr hab. inż. Agata Marzec Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Katedra Inżynierii Żywności i Organizacji Produkcji ul. Nowoursynowska 159c 02-776 WARSZAWA e-mail: agata_marzec@sggw.pl 087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl92 92 2013-02-11 15:38:28