JP5376600B2

JP5376600B2 - 食品の食感を測定する際の電源ノイズ除去方法

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Publication number: JP5376600B2
Application number: JP2010225091A
Authority: JP
Inventors: 直樹櫻井
Original assignee: Hiroshima University NUC
Current assignee: Hiroshima University NUC
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2010-10-04
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: JP2011013232A

Description

本発明は、食品の食感を測定する際の電源ノイズ除去方法に関する。

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。）。

ところが、食感には、「ねばり」や「腰」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」及び「サクサク」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。

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」であるクリスプネス(Ｃｒｉｓｐｎｅｓｓ)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、それをクリスプ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。）。

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。

また、対象物を被験者に咀嚼させ、発生する音をマイクロフォンで採取する方法も発明されている。しかしながら、このような方法では、食品の破壊音が試験者の骨を通る間に高周波成分が減衰し、総ての振動成分がデータとしてマイクロフォンに採取されないなどの問題を生じる。また、試験者の口の開け方、口蓋の容積及び唾液の量などの個人差が著しいという問題も生じていた。このような事から、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の異同に起因して、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。

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。

特開平１１−１９０６８８号公報（第２−３頁、第１図）特開２００１−１３３３７４号公報（第２−４頁、第３図）

本発明は、食品の「シャキシャキ感」及び「サクサク感」などの食感を正確に測定することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、測定すべき食品に所定の挿入速度でプローブを挿入し、その際に発生する振動に関する波形データから前記食品の食感を測定する際の電源ノイズ除去方法であって、前記プローブの挿入前又は前記プローブの停止後の波形データの一部を電源ノイズ要素とし、当該電源ノイズ要素を複数つなぎ合わせ、前記振動の取得時間以上の長さとして反復ノイズデータを得る工程と、前記振動に関する波形データから前記反復ノイズデータを差し引く工程と、を具えることを特徴とする。

また、前記電源ノイズは交流電源ノイズであるとともに、前記電源ノイズ要素は前記交流電源ノイズが整数個の波を含む時間分の交流電源ノイズ要素であって、前記交流電源ノイズ要素を複数つなぎ合わせ、前記反復ノイズデータを得た後、前記振動に関する波形データから前記反復ノイズデータを差し引くようにすることが好ましい。

本発明者らは、従来より、食品に対してプローブを挿入した際に得た振動に関する波形データを利用して前記食品の食感を数値化し、計測することを試みている。しかしながら、このような方法で食品の食感を測定しようとすると、前記プローブの挿入に起因した実際のデータ取得時間はコンマ数秒程度の極めて短時間に限られてしまう。したがって、所定のサンプリング周波数を採用してサンプリングした場合、得られるデータ数が限られてしまう場合がある。この結果、前記食品の食感を前記データ数を基に解析しようとした場合、前記データ数の不足から、十分な解像度を得ることができないばかりか、前記食品の食感に特徴的な高周波成分を得られない場合がある。

例えば、人の耳では、大体２００００Ｈｚまでの音を検知することができるので、この周波数帯域までの食感を判定するために必要となるデータ数は約４００００以上となる。

そこで、本発明者らは、上述したプローブ挿入を利用した食品の食感測定において、十分なデータ数を得て十分な解像度で前記食品の食感を計測すべく、鋭意検討を実施した。その結果、上述のようなプローブ挿入によって得た波形データを、例えばサンプリング速度を１００ｋＨｚにすることによって、０．５１２秒程度の十分に短いサンプリング時間とした後、フィルタリング手段によって複数の周波数帯域における波形データに変換し、各周波数帯域毎に応じて複数の波形データを得ることを想到した。この結果、食品の食感解析を行うに足るデータが得られることを見出した。

したがって、食品の食感解析に対して十分なデータ数を得ることができ、十分な解像度で前記食品の食感を得ることができるようになる。また、特定の食品の食感に特徴的な高周波成分のデータをも得ることができ、前記食品の食感をより高精度に測定することができるようになる。

なお、各周波数帯域に応じた前記複数の波形データは、食品の食感を測定するに際して数量化する必要があるが、本発明が用いられる食感測定装置又は食感測定方法の一態様では、前記波形データから単位時間当たりの振幅密度を得るようにしている。この振幅密度は、以下に詳述するように、比較的簡易な手法で得ることができるので、目的とする食品の食感をより簡易かつ高精度に計測することができる。

なお、本発明の好ましい態様においては、前記波形データに対して前記フィルタリング処理を施す以前に、電源ノイズを除去する。これによって、上述した各周波数帯域に応じて波形データから前記電源ノイズに起因したノイズを除去することができるようになり、前記波形データを利用した食品の食感計測をより高精度で行うことができる。

また、本発明が用いられる食感測定装置又は食感測定方法の一態様においては、上記フィルタリング処理をオクターブ単位又は１／２オクターブ単位で実行する。これは、人の知覚が高周波数成分に対するほど鈍感になって捉えられにくくなる傾向があることを参考にして、人の知覚劣化を補正する観点からオクターブ単位あるいは１／２オクターブ単位での周波数帯域における振動データを得るようにしたものである。但し、このような理由の如何によらず、上述したようなオクターブ単位あるいは１／２オクターブ単位でのフィルタリング処理という指針が与えられることにより、目的とする食品の食感をより簡易に計測することができるようになる。

さらに、本発明が用いられる食感測定装置又は食感測定方法の他の態様においては、上記フィルタリング処理を０〜２５６００Ｈｚの周波数帯域で行う。この場合、ほぼ総ての食品において、「シャキシャキ感」や「サクサク感」に基づいた特徴的な波形データ（単位時間当たりの振幅密度）を得ることができる。

また、本発明の他の態様においては、前記波形データを得る際のサンプリング速度を１００ｋＨｚ以上とする。これによって、サンプリング時間を十分短時間化することができ、食品の食感測定を十分な解像度で実施することができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、食品の「シャキシャキ感」及び「サクサク感」などの食感を正確に測定することが可能となる。

本発明が用いられる食品の食感測定装置の一例を示す構成図である。図１に示す装置を用いて得た、電源ノイズ除去前の波形データの一例を示すグラフである。図２に示す波形データより、電源ノイズを除去した後の波形データの一例を示すグラフである。図３に示す波形データをフィルタリング処理して得た、各周波数帯域における波形データの一例を示すグラフである。同じく、図３に示す波形データをフィルタリング処理して得た、各周波数帯域における波形データの一例を示すグラフである。図４及び図５に示す波形データから単位時間当たりの振幅密度を得る演算過程を示すグラフである。ネギ及びダイコンの振幅密度を各周波数帯域に対してプロットして得たグラフである。同じく、ネギ及びダイコンの振幅密度を各周波数帯域に対してプロットして得たグラフである。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が用いられる食品の食感測定装置の一例を示す構成図である。図１に示す食品の食感測定装置１０は、注射器１１と、この注射器１１の内管１１Ａの先端部に設けられた、側面に溝部１２Ａを有するプローブ１２と、注射器１１及びプローブ１２間に設けられた圧電素子１３とを具えている。また、注射器１１の後方には水槽１５が設けられており、水槽１５中の水をポンプ１６を介して注射器１１内に送り込み、注射器１１の内管１１Ａを外管１１Ｂに対して前記水の圧力によって下降させ、プローブ１２を食品Ｓ中に挿入できるように構成されている。また、プローブ１２の食品Ｓに対する挿入によって得た振動に対して、以下に詳述するような解析処理を行うためのコンピュータ１４が設けられている。

なお、プローブ１２の形状は、円柱又は多角形の断面を有する角柱などから構成することができる。その他、プローブ１２は、円錐、三角錐、及び四角錘などの部材から構成することもできる。また、その大きさは、以下に示す食感測定方法において、食感を測定すべき食品の種類などに応じて十分な大きさの振動が得られ、十分な大きさの波形データを得て、以下に示すフィルタリング処理を経ることによって得た振動データに基づいて、前記食品の食感を正確に測定できるように設定する。

また、プローブ１２の側面に設けた溝部１２Ａは、前記同様に、食感を測定すべき食品の種類などに応じて十分な大きさの振動が得られ、フィルタリング処理を通じた振動データに基づいて前記食品の食感を正確に測定できるように設けられているものであり、図示のように側面の全体に設けることもできるが、前記側面の一部に設けることもできるし、前記溝部を全く設けないようにすることもできる。

但し、水分量の多い食品の食感を測定するに際しては、プローブ１２の側面に溝部を設けないと、十分な大きさの振動を得ることができずに、正確な食感の測定ができない場合があるので、このような場合において、プローブ１２の側面の少なくとも一部に溝部を設けることが好ましい。

次に、図１に示す装置１０を用いた食品の食感測定方法について説明する。最初に、水槽１５からポンプ１６によって注射器１１内に水を送り込み、先端部においてプローブ１２が取り付けられた内管１１Ａを下降させ、食品Ｓ中に挿入させる。このときの挿入速度は特に限定されるものではないが、好ましくは０．１ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒に設定する。この場合、食品Ｓ中の水分の多少に拘わらず、十分な大きさの振動を得ることができ、十分な大きさの波形データを得て、以下に示すフィルタリング処理を経ることによって得た振動データに基づいて、前記食品の十分正確な食感の測定を行うことができるようになる。

プローブ１２を食品Ｓ中に挿入させると、プローブ１２が食品Ｓ中の細胞や繊維などと接触し、あるいはそれらを破壊することによって、プローブ１２が振動するようになる。この食感測定方法においては、このような振動を圧電素子１３によって取得し、電気信号に変換した後、コンピュータ１４に送信する。

コンピュータ１４においては、前記振動に関する前記電気信号から、前記振動を波形データとして図２に示すように表示する。前記波形データは、図２に示すスケールから明らかなように、横軸に時間軸をとり、縦軸に振幅（電圧値）をとることによって表され、時間に対する電圧信号として表される。また、この波形データは、食品としてネギを採用した場合のものを示している。この場合、プローブ１２が食品であるネギ中に挿入された時刻は、測定開始後約０．８秒であり、プローブ１２は前記食品（ネギ）中を通過して、１．１２秒後に停止した。また、プローブ１２の挿入速度は２４ｍｍ／秒とし、挿入距離は約９ｍｍとした。

図２から明らかなように、測定開始から約０．８秒のプローブ１２が食品中に挿入されるまでと、プローブ１２が停止した１．１２秒後において、交流電源に起因した周期６０Ｈｚの電源ノイズが観察される。したがって、この食感測定方法においては、食品の食感をより正確に測定するために、前記電源ノイズを以下の手段に従って除去する。

データのサンプリングを例えば１００ｋＨｚのサンプリング周波数で実施した場合、６０Ｈｚのノイズを除去するためには、以下のようにして実施する。今の場合、信号取得時間は１．１２−０．８＝約０．３１２秒であるので、例えば６０Ｈｚの３波長分のデータ（データ数にして５０００点相当）を交流電源ノイズ要素とし、これを複数に亘って反復、すなわち、つなぎ合わせることによって、前記信号取得時間分よりも長時間化し、得られた反復ノイズデータを交流電源ノイズとして、上述した波形データから差し引く。これによって、上述した波形データから前記電源ノイズを除去することができる。

但し、上記内容はあくまで一例であって、サンプリング周波数も任意に設定することができ、交流電源ノイズ要素も任意に設定することができる。また、上記方法とは全く異なる方法で電源ノイズを除去するようにすることもできる。

このようにしてノイズデータを得た後、このノイズデータを図２に示す波形データから差し引くと、測定開始から約０．８秒までの周期的な電源ノイズと約１．１２秒後の周期的な電源ノイズを除去することができるようになる。このようにして電源ノイズを除去した後の波形データを図３に示す。図３においては、測定開始から約０．８秒までの周期的な電源ノイズと約１．１２秒後の周期的な電源ノイズとがほぼ完全に除去されていることから、この間の波形データからも周期的な電源ノイズが除去されていることが分かる。

次に、図３に示す波形データからサンプリングを行い、得られた振動データに基づいて食品の食感測定を行う。上述したように、サンプリング周波数を１００ｋＨｚとすると、上述したように信号取得時間が約０．３１２秒であるから、得られる振動データ数は１０００００×０．３１２＝３１２００個となる。この限られた振動データ数中には様々な周波数成分が含まれており、通常のフーリエ解析を行った場合、解像度が劣化するとともに、周波数成分に上限が生じるようになる。

一方、一般人、特に若年者では、２００００Ｈｚ周波数の程度までの音を検知することができるので、０〜２００００Ｈｚまでの周波数帯域における振動データに基づいて食品の食感を測定するに際しては、４００００個以上の振動データが必要となる。したがって、このような広範の周波数帯域を利用し、得られる振動データの高周波成分が除かれないようにするとともに、十分高い解像度の食感データを得るには、上記３１２００個の振動データでは少ないことが分かる。

かかる観点より、この食感測定方法では、図３に示す波形データにフィルタリング処理を施し、複数の周波数帯域に対応した波形データを得るようにしている。本例では、前記フィルタリング処理として、以下に示す周波数帯域のフィルターをそれぞれ用いた。
周波数帯域（Ｈｚ）０〜５０
５０〜１００
１００〜２００
２００〜４００
４００〜８００
８００〜１６００
１６００〜３２００
３２００〜６４００
６４００〜１２８００
１２８００〜２５６００

図４（ａ）〜（ｊ）は、上述のようにして得た各周波数帯域での波形データを示したものである。このように、上述したフィルタリング処理を施すことにより、図３でしめされた単一の波形データから複数の波形データ（本例では１０個の波形データ）を得ることができるようになる。

なお、上記周波数帯域の決定はオクターブ単位で実施している。これは、人の知覚が高周波数成分に対するほど鈍感になって捉えられにくくなる傾向があることを参考にして、人の知覚劣化を補正する観点からオクターブ単位での周波数帯域における振動データを得るようにしたものである。このようにオクターブ単位でのフィルタリング処理という指針が与えられることにより、前記フィルタリング処理を簡易に行うことができ、目的とする食品の食感をより簡易に計測することができるようになる。

また、図４に示す波形データは、上述したネギに代えてダイコンを使用したものである。

さらに、この食感測定方法では、上述したオクターブ単位での周波数帯域に代えて１／２オクターブ単位での周波数帯域を用いてフィルタリング処理することもできる。この場合に用いる周波数帯域（Ｈｚ）は以下に示すようなものである。
周波数帯域（Ｈｚ）０〜５０
５０〜１００
１００〜１４０
１４０〜２００
２００〜２８０
２８０〜４００
４００〜５６０
５６０〜８００
８００〜１１２０
１１２０〜１６００
１６００〜２２４０
２２４０〜３２００
３２００〜４４８０
４４８０〜６４００
６４００〜８９６０
８９６０〜１２８００
１２８００〜１７９２０
１７９２０〜２５６００

図５（ａ）〜（ｒ）は、上述のようにして得た各周波数帯域での波形データを示したものである。このように、上述したフィルタリング処理を施すことにより、図３でしめされた単一の波形データから１８個の波形データを得ることができるようになる。

なお、このような１／２オクターブ単位での周波数帯域を用いる理由についても、オクターブ単位での周波数帯域を用いる場合と同じであるが、１／２オクターブ単位での周波数帯域を用いたフィルタリング処理では、オクターブ単位での周波数帯域を用いたフィルタリング処理よりもより多くの波形データを得ることができるので、食感測定をより高解像度で行うことができるようになる。

なお、図５に示すデータは、上記同様にネギに関するものである。

次に、図４及び図５に示す波形データから食感を測定するための数値データを得る。図４及び図５から明らかなように、波形データは、０Ｖを中心にプラスとマイナスとに分布しているので、図４及び図５に示す波形データを単に時間に対して積分したのみでは得られる数値データ、すなわち振動データが０となってしまう。そこで、ここで示す食感測定方法では、図４及び図５に示す波形データを二乗した後、前記波形データの時間幅に亘って積算し、次いで、得られた積算値の平方根を採った後、前記時間幅で除することによって前記波形データに関する振動データを得るようにしている。

また、上記に代えて、図４及び図５に示す波形データの絶対値を採った後、前記波形データの時間幅に亘って積算し、次いで、前記時間幅で除することによって前記波形データに関する振幅データを得ることもできる。

ここで示す食感測定方法では上記いずれの方法も有効であるが、後者の方法においてより正確に食感を測定できる場合が多い。

この食感測定方法では、前記振動データは単位時間当たりにおいて、前記波形データの振幅に関するデータとして得られるので、前記振動データを（単位時間当たりの）振幅密度と称している。なお、図６においては、上述した演算過程を図を用いて経時的に示したものである。また、振幅密度を用いた食品の食感測定は、以下の実施例において詳述する。

ここで示す食感測定方法では、フィルタリング処理を０〜２５６００Ｈｚの周波数帯域間で実施しているが、この場合、ほぼ総ての食品において、「シャキシャキ感」や「サクサク感」に基づいた特徴的な振動データ（単位時間当たりの振幅密度）を得ることができる。

また、前記振幅密度を得るに際し単位時間を１秒としているが、前記単位時間は１秒に限られるものではなく、１００μｍ／プローブ１２の挿入速度以上とすれば十分である。これは、例えば水分を多量に含む果実などの食品においては、細胞の平均的な大きさが約１００μｍであるので、前記大きさをプローブ１２の挿入速度で除した時間よりも前記単位時間が短い場合は、プローブ１２が食品中の細胞などに接触し、あるいは破壊したりせずに、結果として図２に示すような波形データを得ることができない場合があるからである。

しかしながら、上述したように、プローブ１２の好ましい挿入速度が０．１ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒であり、この場合１００μｍ／プローブ１２の挿入速度＝２．５×１０^−４〜１秒となることから、本発明においては、特に単位時間を１秒とすれば、この間にプローブ１２は食品内の１個以上の細胞を破壊したりすることになるので、上述した波形データ、すなわち振幅密度は前記食品の食感を十分に反映したものとなる。

上述した本発明が用いられる食感測定装置及び食感測定方法を用いて、上述したようなネギの食感試験と、同じ条件でダイコンの食感試験とを実施した。ネギ及びダイコンについて、上述したような手順で波形データを得るとともに、ノイズ除去及びフィルタリグ処理を行い、さらに前記演算処理を通じて得た振幅密度を縦軸に取るとともに、フィルタリング処理を実施した際の、各周波数帯域を横軸に取ったものを図７及び図８に示した。

なお、図７はフィルタリング処理をオクターブ単位での周波数帯域を用いて実施した場合であり、図８はフィルタリング処理を１／２オクターブ単位での周波数帯域を用いて実施した場合である。

図７及び図８から明らかなように、ネギとダイコンとを比較すると、全体的にネギの方が振幅密度が高い。これは、ダイコンよりネギの方がその細胞などを破壊するに対してより大きなエネルギーが必要であることに対応している。また、ネギにおいては、４００−２５６００Ｈｚにおける振幅密度が高くなっており、これがネギに特徴的な食感、いわゆるシャキシャキ感を表していると考えられる。

このように、本発明が用いられる食感測定装置及び食感測定方法によれば、ネギ及びダイコンの食感をデータによって数値化して測定できることが分かる。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、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形や変更が可能である。

１０食品の食感測定装置
１１注射器
１２プローブ
１３圧電素子
１４コンピュータ
１５水槽
１６ポンプ
Ｓ食品

Claims

測定すべき食品に所定の挿入速度でプローブを挿入し、その際に発生する振動に関する波形データから前記食品の食感を測定する際の電源ノイズ除去方法であって、
前記プローブの挿入前又は前記プローブの停止後の波形データの一部を電源ノイズ要素とし、当該電源ノイズ要素を複数つなぎ合わせ、前記振動の取得時間以上の長さとして反復ノイズデータを得る工程と、
前記振動に関する波形データから前記反復ノイズデータを差し引く工程と、を具えることを特徴とする、電源ノイズ除去方法。
前記電源ノイズは交流電源ノイズであるとともに、前記電源ノイズ要素は前記交流電源ノイズが整数個の波を含む時間分の交流電源ノイズ要素であって、前記交流電源ノイズ要素を複数つなぎ合わせ、前記反復ノイズデータを得た後、前記振動に関する波形データから前記反復ノイズデータを差し引くことを特徴とする、請求項１に記載の電源ノイズ除去方法。