《Journal of Food Engineering》：Modelling the structure – property relationship in baked and extruded cereal foods and its influence on sensory perception
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熊天浩|伊德里斯·穆罕默德|范伟|詹姆斯·奥斯本|玛丽亚·查拉兰比德斯伦敦帝国理工学院机械工程系，南肯辛顿，伦敦，SW7 2AZ，英国摘要食物的感官感知受到其机械性能和微观结构的影响，而这些性能和结构会因烘焙和挤压等加工方法而变化。本研究比较了烘焙和挤压谷物食品的机械性能和微观结
熊天浩|伊德里斯·穆罕默德|范伟|詹姆斯·奥斯本|玛丽亚·查拉兰比德斯
伦敦帝国理工学院机械工程系，南肯辛顿，伦敦，SW7 2AZ，英国
摘要
食物的感官感知受到其机械性能和微观结构的影响，而这些性能和结构会因烘焙和挤压等加工方法而变化。本研究比较了烘焙和挤压谷物食品的机械性能和微观结构，并评估了它们对感官感知的影响。尽管相对密度（22%）相似，但烘焙威化片和挤压管在孔径大小和细胞壁厚度分布上存在显著差异，同时在压缩响应和断裂行为上也有所不同。研究人员利用X射线显微断层扫描重建数据开发了一个有限元（FE）模型，首次确定了这两种产品的固体壁模量和断裂应力。威化片的固体模量为572.7 MPa，断裂应力为64.9 MPa；而挤压管的固体模量为338.8 MPa，断裂应力为17.8 MPa。通过该模型，我们分离出了微观结构和固相属性对泡沫模量和断裂应力的贡献，结果表明微观结构是导致这两种产品机械性能差异的主要因素。随后进行的感官评估将泡沫属性和微观结构特征与感知属性联系起来，为基于挤压技术的替代品设计提供了微观结构-属性-感官属性之间的机制框架。
引言
几十年来，烘焙一直是制造用于糖果产品的酥脆威化片的传统方法。近年来，挤压工艺已成为生产早餐谷物和零食等食品的重要替代方法（Sumnu和Sahin，2008年）。与传统的烘焙工艺相比，挤压工艺具有在线调整过程的灵活性以及适合大规模生产的优势（Choton等人，2020年）。然而，要实现与烘焙威化片相当的感觉质地仍然具有挑战性。本研究探讨了这些感官差异的微观结构和机械原因，以支持挤压工艺的优化。
食品的口腔加工对于理解硬度、酥脆度和空气含量等感官属性至关重要（Chen，2009年）。第一口尤为重要，因为它涉及变形和断裂过程，这些过程不仅有助于进一步咀嚼，还能触发风味释放和初步的质地评估（Guinard和Mazzucchelli，1996年）。感官属性通常通过感官评价方法进行评估（Amyotte等人，2017年），并且已发现它们与杨氏模量、断裂应力和断裂韧性等宏观机械属性有关（Bikos等人，2022年；Kim等人，2012年；Swackhamer和Bornhorst，2019年；Vincent等人，2004年；Vincent等人，2002年；Young等人，2013年）。
孔隙率大于0.7的食品材料被归类为多孔固体或泡沫（Gibson和Ashby，1997年）。对于这类泡沫，宏观机械响应受到固体细胞壁的内在属性和细胞网络的空间配置的共同控制（Guessasma和Hedjazi，2012年；Gao等人，2015年，2017年）。这种双重依赖性在聚合物和陶瓷泡沫等非食品泡沫中得到了充分验证（Carranza等人，2019年；Deshpande和Piat，2023年；Horny和Schulz，2022年；Jiang等人，2021年），并且通常通过Gibson-Ashby模型来描述，该模型将泡沫属性与相对密度、微观结构参数和细胞壁属性联系起来。然而，在多孔食品中，量化这些因素及其对泡沫属性的贡献仍然很大程度上尚未得到研究。
可以使用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）来观察微观结构，但这些技术提供的只是二维图像，可能无法反映真实的三维结构（Baker等人，2012年）。X射线显微断层扫描（XRT）通过实现三维重建和基于图像的有限元（FE）建模克服了这一限制（Lim和Barigou，2004年）。尽管已有研究应用XRT结合FE方法研究食品材料，但由于多孔食品在断裂后常常表现出高度不规则的应力-应变响应，因此进行可靠的断裂建模比在其他多孔系统中更具挑战性（Assad-Bustillos等人，2020年；Babin等人，2005年；Drücker等人，2021年；Guessasma和Nouri，2015年；Jebalia等人，2022年；Schukraft等人，2022年）。以往关于挤压产品的研究虽然实验测量了微观结构和压缩响应，但并未通过FE模拟确定固体属性（Butt等人，2018年）。Mohammed等人（2014年）使用FE建模重现了烘焙威化片的应力-应变曲线，但没有进行微观结构量化或与挤压产品进行直接比较。重要的是，这两项研究均未结合感官评估，也未探讨微观结构和机械属性的差异如何影响感知质地。
基于上述背景，本研究将XRT与FE建模相结合，比较了在单轴压缩条件下烘焙威化片和挤压产品的性能。通过结合定量微观结构特征和基于图像的模拟，确定了固体壁的机械属性，并分离出了微观结构和固体属性对泡沫属性的各自贡献，而这些信息仅凭实验是无法获得的。FE建模部分中的这种密度匹配比较用于确定加工方法对泡沫力学和微观结构的影响。遗憾的是，由于缺乏密度匹配的挤压产品的感官数据，因此使用了密度较高的挤压产品进行感官评估。尽管如此，这项感官研究仍提供了将泡沫属性和微观结构特征与感知感官属性联系起来的补充证据。因此，感官结果用于解释结构-属性-感官属性之间的关系，而不是加工效果。
本研究基于以下假设：首先，具有相同相对密度的烘焙和挤压谷物产品会表现出不同的机械响应，因为这两种加工方法产生了不同的细胞微观结构；其次，基于XRT的FE建模能够分离出固相属性和微观结构的各自贡献，从而解释产品之间的机械差异；第三，泡沫属性和微观结构的差异会反映在感知感官属性上，从而使感官评估能够为结构-属性-感官属性之间的关系提供支持。
章节片段
样品
烘焙威化片和挤压产品由雀巢PTC York提供。为了研究加工对泡沫力学和微观结构的影响，这两种产品均按照表1中的配方生产，并调整至相同的相对密度（泡沫密度除以固体壁密度）22%。这两种产品分别被命名为“威化片”和“标准密度（SD）管”。威化片在152°C下在两个加热板之间烘烤，形成矩形片状结构。
微观结构表征
图5展示了通过SEM获得的烘焙威化片和挤压管的横截面。烘焙威化片呈现出明显的三明治状结构，两侧有较密的表皮区域，中间是多孔的核心区域（图5a）。与表皮区域相比，核心区域的孔径较大，细胞壁较薄。相比之下，挤压管没有明显的表皮-核心结构，而是整个产品的细胞壁厚度和孔径大小都不均匀。
结论
本研究建立了一个实验-计算框架，以探讨加工方法如何影响微观结构和固相属性，以及它们如何共同决定谷物食品的机械性能。尽管烘焙威化片和挤压SD管的相对密度相同，但XRT获得的微观结构信息和机械测试显示了明显的细胞结构、变形模式和断裂响应差异。通过结合XRT重建
CRediT作者贡献声明
詹姆斯·奥斯本：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法论、概念化。玛丽亚·查拉兰比德斯：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法论、概念化。熊天浩：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法论、调查、数据分析、数据整理。伊德里斯·穆罕默德：撰写——审稿与编辑、监督、软件应用、方法论、概念化。范伟：
伦理声明
批准日期：2016年3月18日
在实验开始前，所有参与者均签署了知情同意书，并在完成研究后获得了相应的报酬。该实验符合赫尔辛基宣言的要求，并经内部审核认为符合此类感官研究的伦理标准。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
