ANALIZA KORELACJI WYBRANYCH MECHANICZNYCHI AKUSTYCZNYCH WŁAŚCIWOŚCI HERBATNIKÓW

(1)

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 pro- dukty 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 [S^URMACKA-S^ZCZEŚNIAK 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 przyłożo- nej 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 wy- trzymałości 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 przewi- dywania chrupkości/kruchości produktów [MÔHAMED i in., 1982; SÊYMOURÎ HÂ-

MANN 1988; LÛYTEN i VÂN V^LIET 2006]. MÔHAMMED 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 ści- skania (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. MÂRZEC [2012] w celu określenie kruchości ciastek zestawiła akustyczne parametry (całkowitą liczbę zdarzeń EA, amplitudę dźwięku) z parametrami mechanicznymi (siłą, pracą ściskania i łamania). SÊYMOUR i HÂMANN [1988]

uzyskali silną korelację (r = 0,97) między kruchością i średnim poziomem ciśnie- nia oraz pracy. A^LCHAKRA i in. [1996] odnotowali liniową zależność maksymalnej

087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl87 87

087-092_II_Marzec_Ryczykowska_Bl87 87 2013-02-11 15:38:272013-02-11 15:38:27

(2)

ną 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 dostęp- nych 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, Niem- cy), z prędkością 50 mm·min^–1. Podczas testów rejestrowano siłę niszczenia z czę- stotliwością 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 któ- rym ulegały one złamaniu, a także pracę łamania i maksymalną siłę na podstawie charakterystyk mechanicznych produktów w układzie siła – czas. Sygnał EA, zapi- sany jako zmiany napięcia w czasie, był analizowany wstępnie za pomocą programu komputerowego Creative WaveStudio (Creative Technology Ltd., USA), a następ- nie 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 łama- nia. Analizę statystyczną przeprowadzono przy wykorzystaniu programu StatGra- phics 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 odwrot- ności, dla którego otrzymano najwyższe współczynniki determinacji. Model ten zastosowano do opisu relacji maksymalnej siły, pracy łamania i naprężenia łamią- cego oraz deskryptorów emisji akustycznej i współczynnika chrupkości. Przykła- dowe zależności pomiędzy właściwościami akustycznymi i mechanicznymi herbat- ników przedstawiono na rysunkach 1 i 2.

Współczynnik chrupkości wyrażony został stosunkiem liczby zdarzeń EA do wartości pracy łamania herbatników, stąd w pracy analizowano jego korela- cję z maksymalną siłą i naprężeniem łamiącym. W obu tych przypadkach uzyskano silną zależność współczynnika chrupkości i parametrów mechanicznych

(3)

A B C D E Naprężenie łamiące (kPa) Breaking stress (kPa)

100 200 300 400 500 600 700 800 900

Współczynnik chrupkości (l.zd.·J–1) Crispness index (no events·J–1)

0,0 2,0e+4 4,0e+4 6,0e+4 8,0e+4 1,0e+5 1,2e+5

Naprężenie; Breaking stress

Współczynnik chrupkości; Crispness index

Rys. 1. Naprężenie łamiące i współczynnik chrupkości herbatników różnych marek Fig. 1. Breaking stress and crispness index of biscuits of different brands

Rys. 2. Maksymalna siła i liczba zdarzeń EA herbatników różnych marek

Fig. 2. Maximum force and number of acoustic events of biscuits of different brands

A B C D E

Siła (N) Force (N)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Liczba zdarzeń EA Number of acoustic events

0 200 400 600 800 1000

Siła; Force

Liczba zdarzeń EA; Number of acoustic events

(tab. 1). MARZEC i GONDEK [2006], badając krakersy, otrzymały wysoką korela- cję tego współczynnika z wyróżnikami oznaczanymi sensorycznie: jakością ogólną (r = 0,837) i tonem dźwięku (r = –0,997). Natomiast słabiej korelował współczyn- nik 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-

(4)

kHz) i niskich (1–7 kHz) częstotliwości [M^ARZEC i in. 2002]. Implikuje to fakt, że brak jest zależności pomiędzy ilością dźwięku emitowanego w poszczególnych za- kresach częstotliwości a wytrzymałością czy twardością herbatników.

Liczba zdarzeń emisji akustycznej wykazała silną zależność z naprężeniem ła- miącym (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 odpo- wiadających pękaniu herbatnika. Poszczególne zdarzenia mechanicznego niszczenia odpowiadają zdarzeniom akustycznym. Pęknięcie zaczyna się przy osiągnięciu krytycznych parametrów, m.in. naprężenia łamiącego i krytyczniej intensywności nacisku [L^UYTEN i V^AN V^LIET 2006]. Wynika stąd uzyskana korelacja liczby zda- rzeń akustycznych i naprężenia. Odnotowano wysoką korelację (r = 0,759) pomię- dzy energią akustyczną i naprężeniem łamiącym herbatników. Słabsza zależność (r = 0,628) wystąpiła pomiędzy energią i maksymalną siłą. C^HAUNIER 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 [SÊYMOUR i HÂMANN 1988; MARZEC 2012]. Natomiast MÂRZEC i GÔN-

DEK [2006] odnotowały silną ujemną zależność maksymalnej siły ściskania kraker- sów od sensorycznie oznaczonej twardości i jakości ogólnej.

Praca łamania badanych herbatników wykazała słabą zależność od liczby zda- rzeń emisji akustycznej i energii sygnału akustycznego (tab. 1). Podobnie M^ARZEC i G^ONDEK [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

Właściwości mechaniczne Mechanical properties maksymalna siła

maximum force (N)

praca łamania breaking work

(mJ)

naprężenie łamiące breaking stress

(Pa) Liczba zdarzeń EA

Number of acoustic events 0,637 0,366 0,783

Współczynnik nachylenia charakterystyki widmowej Partition power spectrum slope

0,174 –0,114 0,431

Energia akustyczna

Acoustic emission signal energy (a.u.)

0,628 0,368 0,759

Współczynnik chrupkości

Crispness index 0,925 – 0,965

(5)

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 produk- tów 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., DELLAVALLE G., LOURDIN D. 2005. Physical and sen- sory evaluation of cornflakes crispness. J. Text. Stud. 36: 93–118.

LUYTEN H., VAN VLIET T. 2006. Acoustic emission, fracture behavior and morpho- logy of dry crispy foods: a discussion article. J. Text. Stud. 37: 221–240.

MARZEC A. 2012. Właściwości teksturalne ciastek kruchych w aspekcie ich struktu- ry. Rozprawy Naukowe i Monografie. Wydaw. SGGW, Warszawa.

MARZEC A., GONDEK E. 2006. Zależność pomiędzy wybranymi wyróżnikami tekstury krakersów oznaczonymi instrumentalnie i sensorycznie. Żywność. Nauka. Technolo- gia. 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 eva- luation 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 mo- isture 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

(6)

niczne: 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 chrupko- ści. 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