硬度是水果質地特性開始作為量化的指標，由於受果膠物質變化的影響，未成熟的果實含有不溶性的「原果膠」緊密地粘結果實細胞，隨著果實逐漸成熟，不溶性的原果膠轉變為水溶性的「果膠」，因此普遍作為成熟採摘期、品質控制和產品開發的依據【1】。然而口感量化指標目前存在不容易標準化的問題，來自口感感知多面向又極其細膩的差異化，例如蘋果的硬脆與梨子的清脆、葡萄的軟彈與荔枝的軟滑但韌彈、西瓜的沙脆與哈密瓜的軟脆、鳳梨的纖維感與化渣性等，怎麼能是一個『硬度』說的清道的明。現代質構儀的軟、硬體隨著食品科學輕工發展至目前的微輕工趨勢，本章節將探討水果口感評價標準化可行性與資料化方式。
常用分析方法
水果果實的結構大部分分為種子和果皮兩部分，果皮又分為外果皮、中果皮和內果皮，外果皮的表面有殼、皮、薄膜，內果皮則為堅硬的核殼，可食用的為中果皮。根據這樣結構與幾何形特徵，分為以下幾種測試方法：
1. 穿刺試驗：
破壞性的穿刺測試是水果進行質地分析時最為經典的方法，模擬牙齒刺破樣品的過程【1】【2】，透過直徑2mm至5mm小的圓柱形探頭從果實表皮穿刺到內部果肉，連續記錄穿刺過程動態的應力及位移的變化【3】【4】，同時獲得果皮及果肉的質地特徵進而評估與口感的關聯性，育種條件、儲藏運輸條件以及貨架期。穿刺帶皮果實典型的測試曲線如圖一所示，曲線上第一個峰值為穿破果皮時屈服點的力，表徵果皮硬度，而峰值對應的位移則表示果皮的脆性【5】，位移越小的果皮越快破損表示脆度越高，接著探頭穿破外果皮持續穿刺到中果皮時的作用力則反映出果肉的平均硬度，並以動態力值曲線變化幅度計算出線性位移表徵果肉的脆性，最後探頭穿刺至目標位置返回至初始位置時，果肉的纖維包覆住探頭並施加一個反作用力反映出果肉結構的緊實度。
2. 剪切試驗：因為水果具有纖維性的特徵，剪切模式是另一個經常使用的破壞性測試，以小刀片或大型刀具從表面的線接觸到縱深的面接觸，測試面積對於組織構造比較不均勻或者具有纖維性特徵的水果，增加測試面積比較能取得樣品的資料代表性。此外也適用在瓜果的裂果性，例如透過一個大刀型探頭對西瓜進行剪切，曲線上第一個波峰力為屈服點，破裂瞬間的作用力反映出果皮硬度，測試曲線如圖二所示，果實的裂痕長度及主動破裂的時間即可評估果實的裂果性，得到果皮硬度與果實裂果性呈正向關係【6】。
圖一. 帶皮果實穿刺曲線
圖二. 帶皮果實剪切曲線3. 壓縮試驗:可應用在非破壞性的形變測試，適用在表皮層柔軟的漿果類，或將樣品製備成大小相同，且表面平整的仁果、核果與瓜果類樣品，使用圓形探頭，並透過較小的固定應力或固定應變下壓測得表面硬度與彈性，其典型的測試曲線如下圖三所示，其壓縮到目標位置的最大波峰力為樣品的硬度，並以回復能(W2)及壓縮能(W1)的比值則為果實的彈性；壓縮試驗也適用在不製備的整果，透過面積比樣品大的圓柱形或圓盤型探頭對未製備的果實進行整體的壓縮，可測試得到表面的輕度損傷資料，破壞性測試的質地分析圖形如下圖四所示，峰值顯示其破裂的硬度與脆度。
圖三. 果實非破壞性壓縮曲線
圖四. 果實破壞性壓縮曲線 以上方法可適用範圍整理歸納如下表一：
表一. 水果基本方案選擇說明
* 剪切模式可以測試的指標
**壓縮模式可以測試的指標
測試注意事項
1. 測試位置與方向:使用底座可固定方式避免水果外型圓弧造成滾動或晃動，每個測點位置間距10mm以上確保每個測試點位置不受組織破壞影響資料，並需要考慮纖維有方向性，根據測試目的採用固定的順纖維或逆纖維方式測試。
2. 穿刺深度:從外表皮至中表皮層，目標位置約為果肉的50~75%，如下圖五所示，果肉厚度如為2cm那麼穿刺距離即為1~1.5cm，避免果核影響資料重現性，尤其在仁果、核果等，也避免過硬果核造成探頭毀損據。
圖五. 水果穿刺距離示意圖3. 觸發力:大部分果實不是屬於非常柔軟質地，觸發力無須設定太小避免探頭接觸果形圓弧表面輕微的滑動或不平整表面所形成質地分析圖形紀錄在不適當起始點。
4. 探頭選擇:外果皮與中果皮不分離的仁果、核果與瓜果等硬性果皮，適當的接觸面積的小柱形可以放大外果皮信號得到明顯屈服點，針形探頭的應力集中不易觀察皮肉信號差異，如下圖六所示；但太大的柱形探頭也可能因為壓縮力大於剪切力會失去脆度信號。柑橘類外果皮與中果皮有間隙的軟性果皮，考慮果皮延展性使屈服點信號延遲出現，針形可以改善延遲現象，如下圖七所示。
5. 具有明顯纖維性的水果其纖維方向會影響測試力值，逆纖維進行剪切可較容易切斷纖維，若順著纖維剪切則纖維不容易被切斷，反而會包覆住探頭並持續施加應力，使測得剪切力大於逆纖維的剪切力。如下圖八、九所示。
其他與進階應用
目前，質構分析已經被廣泛使用並發展，新鮮果實不在單純僅限於硬度、彈性、咀嚼性等基本的口感物理量測試，水果加工產品也能評估適當工藝參數與產品效益。
1. 榨汁率測試：對多汁果實(例如柑橘)進行固定應力的壓縮並搭配動態天平承接果實受到擠壓後流出的果汁，即可評估不同育種條件果實的果汁含量，如下圖十所示，以固定施壓至300N則可有1.05%的榨汁率。
2. 損傷性測試：運輸或儲存時輕微的碰撞造成果實內部損傷【7】影響風味，輕微的損傷經常在外果皮強度下看不見中果皮的變化，透過音訊的差異進行測量，如下圖十一所示，壓縮蘋果測試可以觀察果實外果皮肉眼能見損傷時的破裂力是3.8Kg、對應破裂音頻為77dB，壓縮力為1.2Kg的外果皮無損狀態但果肉呈現磕傷的對應音訊為64dB。以目前基礎測試下優化測試方法，將能更準確的反映果實無損硬度與破壞性硬度的參數，協助研發自動化線上檢測裝置以提高檢測效率，減少果實損失方面具有重要的指導意義【8】。也應用在體現五感中清脆聽覺的新鮮度指標性。
圖十. 柑橘榨汁率測試的曲線圖
圖十一. 水果損傷測試曲線圖3. 採摘機械性
果實在採摘過程目前已逐漸用機械取代人力採摘，而末端執行器抓取果實是其中一個重要的作業環節。若末端執行器抓取果實方式的不同,其對果實產生的機械損傷程度也不盡相同，如碰撞、擠壓、衝擊等多種載荷作用而使果實產生塑性變形和粘彈性變形,導致現時損傷和粘彈性損傷的發生,其中塑性變形對果實品質的影響最為關鍵。大多數的果實為粘彈性體,利用粘彈性模型及參數對果實的變形進行分析,可以為減少與控制其在作業過程中的機械損傷,提高產品品質提供技術支援【9】【10】。
参考文献
【1】 Application Progress of Texture Analyzer in the
Research of Fruit and Vegetable Quality Evaluation （Chinese Academy of Agricultural
Mechanization Sciences，Beijing 100083，China）
【2】 Assessment of texture properties of 'Shawo' Green
Turnip by a puncture test.( Food Research and Development
2012 Vol.33 No.10 pp.196-199 ref.12)
【3】 Antioxidant profile of thinned young and ripe
fruits of Chinese peach and nectarine varieties. (International Journal of Food
Properties ,2020)
【4】Study on mechanical properties and fruit quality
analysis of watermelon.( Acta Agriculturae Zhejiangensis 2017 Vol.29 No.9
pp.1581-1588 ref.18)
【5】 Optimization of texture measurement parameters and characteristics analysis of fig fruit (Non-wood Forest. Research,2020,38(3):258-264.)
【6】Ethylene‐responsive
factor 4 is associated with the desirable rind hardness trait conferring
cracking resistance in fresh fruits of watermelon. (Plant
Biotechnology Journal , 2019)
【7】 The Study of Bruise Damage for Apple (Journal of
Agricultural Machinery 2007, Volume 16 Number 1)
【8】Measurement of Firmness Changes of Harvested ‘Fuji’ Apples with Destructive and Nondestructive Method.( Journal of Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry(natural Science Edition), 01 Jan 2004, 32(9):38-42,46)
【9】 Online
Estimation of Tomato Viscoelastic Parameters during Robot Grasping (Journal of
Agricultural Machinery,2017)
【10】Impact of Robot Grasping Control Modes on Mechanical Damage of Tomato (Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017,48(11):21-27)
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