JP3757282B2

JP3757282B2 - 食品物性測定方法及びその装置

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Publication number: JP3757282B2
Application number: JP2003084901A
Authority: JP
Inventors: 直樹桜井; 真一郎岩谷
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004294173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品や農産物の力学特性測定器、および力学特性測定方法に関する。特に、所定の形状を持つプローブを被測定物に貫入させ、その際に発生した音響または振動スペクトルを利用して食品や農産物の食感を測定する測定器および測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人は、味、香りおよび色といった多くの要素を基準として食物や農産物の嗜好的判断を行うが、その中で食感は、特に重要な要素である。このような食感は、食物の力学特性（弾性や粘性）に由来している。従って、食物の弾性や粘性を測定すれば、このような食感を定量化することが考えられる。麺類やパスタなどでは、麺などの被試験体を押し圧治具で一定距離押し圧した後、被試験体が押し圧治具に与える応力（反発力）を零にする位置まで押し圧治具を戻したときの距離と押し圧加重の関係から被試験体が有する反発エネルギーを計算し、習慣的に使われていた「ねばり」や「腰の強さ」という食感を定量的に測定している（例えば特許文献１を参照。）。
【０００３】
ところが、食感には、「ねばり」や「腰」あるいはだけでなく、様々な種類がある。例えば農産物において、新鮮なキウリやセロリなどを咀嚼した際の「シャキシャキ」とした食感や、食べ頃になったセイヨウナシの「トロリ」とした食感は、我々の嗜好を大いにそそるものである。これらの食感は、従来のレオメーターなどの機械力学的な測定では表現できず、もっぱら人による官能検査により評価されている。
【０００４】
また、近年、クッキーやスナック菓子などの乾いた多孔質性をもつ食品において、「パリパリ感」であるクリプトネスを測定するために、これらの食品の破断曲線を測定し、その周波数領解析を行うことで所定の周波数領域での破断エネルギーを求め、それをクリプトネスの指標として定量化している（例えば特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１９０６８８号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−１３３３７４号公報（第２−４頁、第３図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
官能検査を利用して正確に食品の評価を行うためには、熟練した技術を持つ複数の試験者を必要とする。ワインや煙草といった高度な嗜好を要求される商品では、このような熟練した試験者が養成されているが、セロリやキウリなどの安価な農産物では、このような熟練者の養成は行われておらず、都度、非熟練の試験者を募り、予め定めた官能検査表に基づき、食感判定をしている。そのため、判定結果のばらつきが大きく、しかも官能試験の際の試験者は同一ではない場合が多いため、過去の測定結果と現在の測定結果とを正確に比較することは困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載されているような被試験体を破壊するときに生じる破断曲線を用いる方法では、測定対象物は水分含有量が数％以下の乾いた多孔性食品に限られ、キウリやレタスなど水分を多く含む食材に適用した場合には、破断曲線がその食感と必ずしも有意な相関が得られないと言う問題を有する。
【０００９】
本発明は、水分含有量の多い食材においても、「パリパリ感」あるいは「サクサク感」といった食感を正確に定量化する方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、
測定すべき食品に所定の治具を挿入し、その際に発生する振動を取得する第１の工程と、
前記振動をフーリエ変換することにより、振動スペクトルを得る第２の工程と、
前記振動スペクトルに対して知覚補正帯域幅を決定する第３の工程と、
前記知覚補正帯域幅に基づいて、前記振動スペクトルにおける複数の知覚補正周波数帯域を決定する第４の工程と、
前記複数の知覚補正周波数帯域に応じて前記振動スペクトルを分割し、複数の振動スペクトル区分を得る第５の工程と、
前記複数の振動スペクトル区分におけるそれぞれのスペクトル強度に対し、前記複数のスペクトル区分それぞれに対応する前記知覚補正周波数帯域に関連した補正係数を乗算して、複数の補正スペクトル強度値を算出する第６の工程と、
前記複数の補正スペクトル強度値を積算することにより食感値に相当するシャープネスを得る第７の工程とを具え、
前記第３の工程は、所定の周波数を基準として前記周波数以上の領域と前記周波数以下の領域とにおいて、異なる態様で実施することを特徴とする、請求項１に記載の食品物性測定方法に関する。
【００１１】
本発明によれば、食品から発生する振動（音）のスペクトルを直接的に利用し、これに対して例えば人間の聴力の性向などを考慮した解析を施して、シャープネスという前記食品の食感値と直接的に対応した新規な特性値を導出するようにしている。したがって、上述した方法により前記シャープネスを導出すれば、前記食品の食感値を前記シャープネスという特性値を用いて定量化することができる。この結果、従来、観察者の熟練度合いに応じて変動が著しかった食品の食感を正確に定量化することができるとともに、「パリパリ感」あるいは「サクサク感」などの従来困難であった食感をも定量化することができる。
【００１２】
また、本発明は、
側面に凹凸を設けた押し圧治具と、
前記押し圧治具を被試験体に移送するための移送手段と、
前記押し圧治具と前記移送手段を繋合する繋合手段と、
前記繋合手段に設けられた前記被試験体に前記押し圧治具を挿入した際に発生する振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段からの検出信号を増幅するための増幅手段と、
前記増幅手段からの出力をフーリエ変換し振動スペクトルに変換するフーリエ変換手段と、
前記振動スペクトルに対して所定の周波数を基準として前記周波数以上の領域と前記周波数以下の領域とにおいて、異なる態様で知覚補正帯域幅を決定し、前記知覚補正帯域幅に基づいて、前記振動スペクトルにおける複数の知覚補正周波数帯域を決定し、
前記複数の知覚補正周波数帯域に応じて前記振動スペクトルを分割し、複数の振動スペクトル区分を得、前記複数の振動スペクトル区分におけるそれぞれのスペクトル強度に対し、前記複数のスペクトル区分それぞれに対応する前記知覚補正周波数帯域に関連した補正係数を乗算して、複数の補正スペクトル強度値を算出し、前記複数の補正スペクトル強度値を積算することにより食感値に相当するシャープネスを得る演算手段と、
を具えることを特徴とする、食品物性測定装置に関する。
【００１３】
上記測定装置を用いることにより、上述した測定を簡易に実行することができるようになる。
本発明の詳細及びその他の特徴については、以下に詳述する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に本願発明の測定装置の構成を示す。載置台８に被試験体７が置かれており、その直上に側面に凹凸を設けた押し込み治具４が配置されている。なお、治具４の表面に凹凸を付けることで、測定する物体に治具を挿入する際に、測定する物体からの振動を起こしやすくするため、正確な測定を行うことができる。
【００１５】
治具４の表面凹凸の状態は、例えば、図２に示すような態様を例示することができる。
【００１６】
図２ａは、先端が円錐状に尖った円柱プローブの側面に螺旋状の鍔をもつ。このプローブの水平断面は、円に限らず楕円および多角形でも良い。またこの鍔の上面からの投影形状は円に限らず、多角形、楕円でも良い。また、これらの鍔は、その少なくとも一部に切り込みを持つ形状を持つようにしても良い。
【００１７】
図２ｂは、先端が四角錐状に尖った円柱プローブの側面に複数の鍔を持つ。この鍔は、プローブの側面に水平に取り付けても良いし、斜めに取り付けても良い。このプローブの水平断面は、円に限らず楕円および多角形でも良い。またこの鍔の上面からの投影形状は円に限らず、多角形、楕円でも良い。また、これらの鍔は、その少なくとも一部に切り込みを持つ形状を持つようにしても良い。
【００１８】
図２ｃは、先端が尖った角柱プローブの両側面に複数の水平に広がった鋸状の鍔を持つ。このプローブの水平断面は、円に限らず楕円および多角形でも良い。またこの鍔において、少なくとも一部に切り込みを持つものであっても良い。
【００１９】
図２ｄは、先端が尖った角柱プローブの両側面に複数の水平に広がった直方体の鍔を持つ。このプローブの水平断面は、円に限らず楕円および多角形でも良い。またこの鍔において、少なくとも一部に切り込みを持つものであっても良い。
【００２０】
押し込み治具４の一方に押し込み時の振動を検出するための振動検出手段３であるピエゾ素子が図示しない繋合手段にてピストン２に繋合されている。ピストン２はシリンダ１内部に有り、シリンダ１はチュープ５を介して液体ポンプ６に接続されている。この液体ポンプ６は、図示しない指令信号により液体をシリンダ１に送出あるいは吸入することによりシリンダ１内部のピストン２を上下させることが出来る。なお、液体ポンプを使用することで不要な音や振動を発生させることなくピストンを移動できるので、測定時の不要なノイズの発生が抑えられ、正確な測定を行うことが出来る。
【００２１】
被試験体の食感を測定する時は、液体ポンプ６より液体がシリンダ1に実線矢印の方向に送出されるためピストン２は下がり、押し圧治具４は被試験体７に貫入していく。押し圧治具４の貫入速度は、液体ポンプ６のモーターの回転数を制御して液体送出速度を変更することにより、被試験体に最適な値を選ぶことが出来る。
【００２２】
押し圧治具4が被試験体に貫入するに従い発生する振動は、振動検出手段3により検出され、その出力は増幅手段９に入力される。増幅手段９の出力はフーリエ変換手段１０に入力され、前記振動に応じた振動スペクトルが算出される。この振動スペクトルは演算手段１１に出力され、以下に示すような演算処理が施される。
【００２３】
ヒトの聴覚は、聞き取ることができる振動強度の最小値を周波数毎に定められているのではなく、一定の周波数区間で決めている。さらに高周波域になるほど、この聞き取ることができる振動強度の最小値が大きくなる。これは低周波域より高周波域のほうが聞き取りにくいということを表している。
【００２４】
すなわち、知覚できる振動強度の情報は、ある一定の範囲の周波数であり（以下、「知覚周波数帯域」とする。）、しかもその知覚できる振動強度の最小値は、周波数によって異なるので、周波数により知覚できる振動強度の最小値の補正（以下、「知覚補正」とする。）を行っている。これが、ヒトが通常行っている聴覚情報処理であり、音響心理学の対象となっている。従って、対象となる農産物や食品に対して、固有の知覚周波数帯域と知覚補正を行うことで、通常、ヒトが行っている聴覚情報処理に基づいた計測を行うことが出来る。
【００２５】
知覚補正を含む演算処理は以下に示すような工程からなる。最初に、上述のように、フーリエ変換を経て得た振動スペクトルに対して、知覚補正帯域幅を決定する。例えば、前記振動スペクトルに対してｆｍとｆｍ＋１（ｆｍ＋１＝２^１ ^/ ^３×ｆｍ）（ｍ：自然数）という２つの周波数を設定する。なお、ｆｍ＋１＝２^１ ^/ ^３×ｆｍは１/３オクターブバンドと呼ばれる。
【００２６】
次いで、前記２つの周波数ｆｍ及びｆｍ＋１に対して中心周波数ｃｆｍ及びｃｆｍ＋１を設定する。なお、ｃｆｍ＝（ｆｍ×ｆｍ＋１）^１ ^/ ^２である。次いで、ｃｆｍ＋１−ｃｆｍなる演算を行い、前記中心周波数間の帯域幅で規定される周波数帯域幅を導出する。この周波数帯域幅が知覚補正帯域幅である。
【００２７】
上述のような中心周波数を利用した知覚補正帯域幅の導出は、前記振動スペクトルの全周波数帯域に対して行うこともできるが、所定の周波数帯域に対して行うこともできる。例えば周波数が５００Hz以下で有れば中心周波数を計算せず、一定の知覚補正帯域幅、例えば１００Ｈｚを設定することもできる。したがって、前記振動スペクトルの、５００Ｈｚ以下の周波数帯域においては、１００Ｈｚの知覚補正帯域幅を設定し、５００Ｈｚ以上の周波数帯域においては、上述した中心周波数を用いた知覚補正帯域幅を設定することになる。
【００２８】
次いで、前記振動スペクトルを前述のようにして得た複数の知覚補正帯域幅に基づいて分割し、複数の振動スペクトル区分を得る。次いで、それぞれの振動スペクトル区分のスペクトル強度に対して、それらのスペクトル区分に対応する前記知覚補正周波数帯域幅に関連した補正係数を乗算して、前記複数の振動スペクトル区分に対応した複数の補正スペクトル強度値を算出する。
【００２９】
前記補正係数としては、人間の耳機能に基づいて算出した係数を用いることができ、例えばドイツの音響心理学者Ｅ．ツヴィッカー（１９２４〜１９９０）が人間の耳の機能に基づき算出した係数を用いることができる。この補正係数を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
但し、前記補正係数としては、対象となる農産物や食品に固有のものであるので、上述した補正係数に限るものではなく、対象に応じて最適な係数を設定すればよい。
【００３２】
次いで、上述のようにして得た補正スペクトル強度値を前記複数の振動スペクトル区分の全体に亘って積算し、所定の積算値を得る。本発明者らは、この積算値をシャープネスと呼ぶ。このシャープネスは、食品などの食感を極めて定量的に表示するものであるので、食品に対してシャープネスを計算することにより、従来、観察者の熟練度合いに応じて変動が著しかった食品の食感を正確に定量化することができる。また、「パリパリ感」あるいは「サクサク感」などの従来困難であった食感をも定量化することができる。
【００３３】
【実施例】
本実施例においては、上述した方法及び装置を用いてキウリの食感を評価した。評価に際しては、食感の異なる３種類（品種Ａ、Ｂ及びＣ）のキウリを用いた。なお、これら３種類のキウリのシャキシャキ感は、品種Ａ、Ｂ及びＣの順に大きくなっている。すなわち、品種Ａのシャキシャキ感が最も高く、品種Ｃのシャキシャキ感が最も低い。
【００３４】
これら３種類のキウリに対して治具を挿入し、得られた振動に対してフーリエ変換を行って得た、それぞれの振動スペクトルを図３に示す。図３から明らかなように、前記３種類のキウリはそれぞれ異なる振動スペクトルを有することが分かる。
【００３５】
次いで、このようにして得た振動スペクトルに対して、上述したように知覚補正帯域幅を設定し、次いで、図３に示す振動スペクトルを前記知覚補正帯域幅に基づいて分割し、複数の振動スペクトル区分を得、次いで、それぞれの振動スペクトル区分のスペクトル強度に対して、それらのスペクトル区分に対応する前記知覚補正周波数帯域幅に関連した補正係数を乗算して、前記複数の振動スペクトル区分に対応した複数の補正スペクトル強度値を算出した。
【００３６】
なお、知覚補正帯域幅の導出のために使用した周波数ｆｍや中心周波数ｃｆｍ、並びにこれらの値に基づいて得られた知覚補正帯域幅及び知覚補正周波数帯域を表２に示す。なお、前述したように、周波数５００Ｈｚ以下においては、知覚帯域幅を１００Ｈｚに設定した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
次いで、前記複数の補正スペクトル強度値を積算してシャープネスを導出する。図４は、上述のようにして導出したシャープネスと実際の食感値との対応を示すグラフである。図４から明らかなように、シャープネスと食感値とは極めて高い相関を示すことが分かる。したがって、本発明の方法及び装置によって、食品の食感をシャープネスという特性値によって定量的に測定できることが分かる。
【００３９】
なお、図４の縦軸における参照数字は５が最も高いシャキシャキ感を示し、数字が低下するにつれてシャキシャキ感が低下していることを示している。
【００４０】
また、上記実施例では、周波数２０Ｈｚ以上、約６０００Ｈｚまでの振動スペクトルの周波数帯域を考慮しているが、これに限定されるものではない。さらに、具体例としてキウリについて示しているが、他の食品についても同様の結果を得ることができる。
【００４１】
以上、本発明を具体例を示しながら発明の実施の形態に即して説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変更や変形が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
被試験体と積極的に振動を起こすように側面に凹凸を設けた押し圧治具を食品である被試験体に貫入し、貫入する際に前記治具と被試験体との間で発生した振動または音響スペクトルを検出する。この検出されたスペクトルを解析することにより、従来、数値化が困難であった食感熟度を数値化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の食品物性測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の食品物性測定装置における、押し込み治具の表面凹凸形態を示す図である。
【図３】本発明の食品物性測定方法で用いたキウリの振動スペクトルを示すグラフである。
【図４】本発明の食品物性測定方法及び食品物性測定装置を用いて得たシャープネスと食感値との相関を示すグラフである。
【符号の説明】
１シリンダ
２ピストン
３振動検出手段
４押し圧治具
５チューブ
６液体ポンプ
７被試験体
８載値台
９増幅手段
１０フーリエ変換手段
１１演算手段
１２出力手段

Claims

測定すべき食品に所定の治具を挿入し、その際に発生する振動を取得する第１の工程と、
前記振動をフーリエ変換することにより、振動スペクトルを得る第２の工程と、
前記振動スペクトルに対して知覚補正帯域幅を決定する第３の工程と、
前記知覚補正帯域幅に基づいて、前記振動スペクトルにおける複数の知覚補正周波数帯域を決定する第４の工程と、
前記複数の知覚補正周波数帯域に応じて前記振動スペクトルを分割し、複数の振動スペクトル区分を得る第５の工程と、
前記複数の振動スペクトル区分におけるそれぞれのスペクトル強度に対し、前記複数のスペクトル区分それぞれに対応する前記知覚補正周波数帯域に関連した補正係数を乗算して、複数の補正スペクトル強度値を算出する第６の工程と、
前記複数の補正スペクトル強度値を積算することにより食感値に相当するシャープネスを得る第７の工程とを具え、
前記第３の工程は、所定の周波数を基準として前記周波数以上の領域と前記周波数以下の領域とにおいて、異なる態様で実施することを特徴とする、食品物性測定方法。
前記基準となる周波数が５００Ｈｚであることを特徴とする、請求項１に記載の食品物性測定方法。
前記第３の工程の前記基準となる周波数以上の前記領域において、前記知覚補正帯域幅は、隣接する２つの周波数ｆｍ及びｆｍ＋１（ｍ：自然数）を決定するとともに、この２つの周波数に対する中心周波数ｃｆｍ及びｃｆｍ＋１を導出し、ｃｆｍ＋１−ｃｆｍなる演算を行って導出することを特徴とする、請求項１又は２に記載の食品物性測定方法。
前記ｆｍ及び前記ｆｍ＋１は、ｆｍ＋１＝２^１／３×ｆｍなる関係を満足することを特徴とする、請求項３に記載の食品物性測定方法。
前記第３の工程の前記基準となる周波数以下の前記領域において、前記知覚補正帯域幅は１００Ｈｚとすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の食品物性測定方法。
前記補正係数は、人間の耳機能に基づいて算出した係数であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の食品物性測定方法。
側面に凹凸を設けた押し圧治具と、
前記押し圧治具を被試験体に移送するための移送手段と、
前記押し圧治具と前記移送手段を繋合する繋合手段と、
前記繋合手段に設けられた前記被試験体に前記押し圧治具を挿入した際に発生する振動を検出する振動検出手段と、
前記振動検出手段からの検出信号を増幅するための増幅手段と、
前記増幅手段からの出力をフーリエ変換し振動スペクトルに変換するフーリエ変換手段と、
前記振動スペクトルに対して所定の周波数を基準として前記周波数以上の領域と前記周波数以下の領域とにおいて、異なる態様で知覚補正帯域幅を決定し、前記知覚補正帯域幅に基づいて、前記振動スペクトルにおける複数の知覚補正周波数帯域を決定し、
前記複数の知覚補正周波数帯域に応じて前記振動スペクトルを分割し、複数の振動スペクトル区分を得、前記複数の振動スペクトル区分におけるそれぞれのスペクトル強度に対し、前記複数のスペクトル区分それぞれに対応する前記知覚補正周波数帯域に関連した補正係数を乗算して、複数の補正スペクトル強度値を算出し、前記複数の補正スペクトル強度値を積算することにより食感値に相当するシャープネスを得る演算手段と、
を具えることを特徴とする、食品物性測定装置。
前記演算手段において、前記基準となる周波数が５００Ｈｚであることを特徴とする、請求項７に記載の食品物性測定装置。
前記演算手段において、前記基準となる周波数以上の前記領域において、前記知覚補正帯域幅は、隣接する２つの周波数ｆｍ及びｆｍ＋１（ｍ：自然数）を決定するとともに、この２つの周波数に対する中心周波数ｃｆｍ及びｃｆｍ＋１を導出し、ｃｆｍ＋１−ｃｆｍなる演算を行って導出することを特徴とする、請求項７又は８に記載の食品物性測定装置。
前記ｆｍ及び前記ｆｍ＋１は、ｆｍ＋１＝２ ^１／３ ×ｆｍなる関係を満足することを特徴とする、請求項９に記載の食品物性測定装置。
前記演算手段において、前記基準となる周波数以下の前記領域において、前記知覚補正帯域幅は１００Ｈｚとすることを特徴とする、請求項７又は８に記載の食品物性測定装置。
前記補正係数は、人間の耳機能に基づいて算出した係数であることを特徴とする、請求項７〜１１のいずれか一に記載の食品物性測定装置。
前記移送手段は、押し圧治具に繋合するピストンと、このピストンが自在に移動できるように係合したシリンダと、このシリンダ内部に液体を導入及び吐出させ、この液体の圧力によって前記ピストンを移動させるようにした液体ポンプとを含むことを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか一に記載の食品物性測定装置。
前記押し圧治具は、円柱または多角形の断面を持つ角柱であり、その側面の一部あるいは全てに、突起を有することを特徴とする、請求項７〜１３のいずれか一に記載の食品物性測定装置。
前記押し圧治具は、その先端が円錐形状または四角柱形状を呈することを特徴とする、請求項１４の記載の食品物性測定装置。