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2026年4月20日 星期一

蘋果硬脆VS梨酥脆,從結構失效看懂口感

 

 

Automatic 3D cell segmentation of fruit parenchyma tissue from X-ray micro  CT images using deep learning | Plant Methods

資料來源 https://link.springer.com/article/10.1186/s13007-024-01137-y

 

蘋果與梨子的口感差異不是水分不一樣

梨子與蘋果雖同為仁果類水果(pome fruit,口感差異卻非常明顯,關鍵正是組織結構與細胞層級的不同。我們可從「看不見的結構」來理解「一入口就知道不一樣」的原因是來自「結構如何失效」。



 

從細胞結構到感官讓咀嚼時發生了什麼?

實際咀嚼過程中,蘋果與梨子的口感差異並非來自甜度或含水量本身,而是由果肉內部的細胞結構破壞模式所主導。

蘋果的果肉細胞尺寸相對均一、排列緊密,細胞壁較厚,且細胞間膠層黏結力強。當施加咀嚼力時,細胞多以「同時破裂」的方式失效,使力—位移關係呈現陡峭上升並瞬間崩解,產生清楚、乾淨的脆裂感與明顯聲響。

相對地,梨子的細胞尺寸較大且分佈不均,細胞壁較薄,細胞間膠層中可溶性果膠比例較高。受力時,細胞傾向於先彼此分離而非立即破裂,結構破壞過程較為延續,水分也隨著細胞分離逐步釋放,形成多汁、柔軟且帶顆粒感的口腔感受。

蘋果與梨子在力學行為上呈現明顯差異,用質構儀,把「脆」的不一樣變成資料說清楚。



#大連2號 為梨子品種

嘎啦 為蘋果品種




用力學工程語言差異化脆度

果皮層級的口感邊界是否清楚

蘋果 果皮厚且具延展,剛性相對小,顯示果皮承受度相對大,結構失效模量大表徵出正在穿過一層結構,果皮與果肉為兩個力學模組,破壞行為分段發生的口感表現,邊界清楚、層次分明且節奏感強。

梨子 果皮剛性大但皮薄、結構失效快,從質構曲線顯示果皮屈服點與果肉質地的結構失效模量梯度緩慢下降,果皮與果肉力學性質相近,果皮與果肉的阻力變化不明顯,破壞行為重迭,口感表現為果皮存在感較低,整體感受偏軟脆、連續。

 



 


果肉層級的脆是怎麼「碎」的

果肉的差異化透過軟體的分析巨集,統計果肉平均硬度、峰形、峰數與產生的跌宕力值,並設定細胞破壞力學設定相應閾值,定義並量化“脆”的不同表現形態,牙齒(或質構儀探頭)壓入時,先是表層細胞破碎,接著內部細胞群和細小細胞團依次被壓碎、釋放,每個階段的力變化都形成一個小峰;以清晰的力學語言,解釋了舌尖上的微妙差異,將主觀的口感轉化為客觀、可量化的力學參數。

蘋果 呈現 “脆性破壞”,其“清脆”是瞬間整體斷裂,破碎過程更集中,峰的數量更少。

梨子 則屬“延性分離”,細胞大而鬆散,其間可溶性果膠易融,加之石細胞帶來的沙粒感,其“沙脆”質地決定了它的破碎是分步進行的。



綜合資料顯示,梨子的細胞結構表現在力學小於30g的波峰數值相對於蘋果普遍更明顯,梨子的細胞失效是微小而密集的,豐水梨表現出更少的峰值與更短的線性距離,反映出其組織極度均一,成就了梨子家族中頂級的「細緻感」。蘋果結構強度高,一旦失效就會釋放巨大的能量,相對「大起大落」的力學曲線,是蘋果口感「扎實、響脆」的來源,富士蘋果則具有「少峰數、小衰減」的特徵,這使其在保有蘋果脆性的同時,兼具了類似梨子的細膩組織感。

果膠與纖維決定脆的「存在方式」

果肉脆性特徵結合纖維緻密性指標,可以差異化兩種水果不一樣的果膠存在感,蘋果是結合型、不易溶的原果膠 (Protopectin,緊密分佈在細胞壁與中膠層,可以撐住結構、提高抗變形能力,蘋果細胞能撐到極限才一起破裂,所以脆裂感明確。梨子的可溶性果膠比例較高,容易水化後潤滑細胞間介面,降低細胞間黏結力,因此梨子細胞先分離、滑動感明顯。

蘋果在硬度、剛性、脆性等指標上普遍更高,對應其扎實、清脆的口感;在各項硬度指標上較低,尤其是果皮相關資料,對應其果皮薄嫩、果肉酥軟的質地。

 

簡單來說,蘋果普遍“脆硬扎實”,梨子則更“酥軟細膩”。

🍎 蘋果 以“脆”為核心的硬作風

蘋果的魅力在於其結構的完整性與破裂時的爆發力。

  • 果皮的「突破感」:具有較高的剛性與屈服強度。咬下的瞬間,果皮會提供明顯的抵抗力,隨後乾脆地「崩裂」,帶來鮮明的開場感。
  • 果肉的「高彈性與硬脆」:果肉細胞壁結實且排列緊密。極高的動態硬度意味著你需要施加較大的咬合力,一旦超過臨界點,果肉會發生劇烈且清脆的斷裂,伴隨清脆的響聲。
  • 扎實的「纖維緻密性」:質地均勻且緊實,這種「實誠」的咀嚼感來源於其高密度的結構,不容易產生破碎後的散落感。

🍐 梨子 以“酥”為特點的柔和派

梨子的精髓在於層次的細膩度與入口水潤的柔順感。

  • 果皮的「無縫過渡」:果皮資料較低且韌性小。從皮到肉的過渡平緩,沒有蘋果那種「突破屏障」的突兀感,介面感極低,咬合過程非常滑順。
  • 果肉的「酥軟與多汁」:動態硬度較低,齒尖能輕易陷落。其斷裂過程是「漸進式」的,脆性雖在,但表現得更為溫潤、細緻,這也是梨子口感顯得更「酥」的原因。
結構的「鬆軟與砂感」:較低的纖維緻密性造就了鬆軟的質地。部分品種特有的「石細胞」會帶來輕微的顆粒砂感,這種特殊的組織結構與蘋果的絲滑纖維截然不同。

 



🎙️當細胞「發聲」時,我們聽到了什麼?

從果皮的崩裂到果肉的碎裂的每一次結構失效的瞬間,都伴隨著不同能量級別的音訊釋放

預告 下一期內容中,我們將深入探討細胞受壓時產生的聲學訊號 (Acoustic Signals)。這不僅僅是聽覺上的清脆感,更是判定以下指標的核心資料:

·      破壞同步性:瞬間斷裂的聲壓強度,決定了口感是否「清脆」。

·      結構均質度:聲波訊號的穩定性,反映了果肉纖維的排列規律。

這些隱藏在哢嚓聲背後的「生物物理密碼」,將成為我們解構水果品質的完整化判定指標,敬請期待吧!

 




2025年9月24日 星期三

水果產品質地特性測試

超技儀器: 余建中、屈良靜、賴毓蘭

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12,透過直徑2mm5mm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。

. 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

圖六針形探頭與柱形探頭測試差異
圖七使用針形探頭可避免果皮延展性的影響

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。

圖八果皮與果肉分離的樣品測試曲線
圖九果皮與果肉緊貼的樣品測試曲線

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 SciencesBeijing 100083China

【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)

【8Measurement 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)