一、應(yīng)用背景

滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準、獲得消費者高滿意度的產(chǎn)品，在提供給消費者之前需要經(jīng)過一系列的測試，R&D負責(zé)開發(fā)測試方法，以確保材料能夠符合生產(chǎn)條件；QC保證產(chǎn)品質(zhì)量，確定食品有良好的口感和穩(wěn)定性，如今對于成功的食品企業(yè)是**的。食品物性研究起步較早，但是由于食品體系的復(fù)雜性，早期物性的研究主要是一些經(jīng)驗性的測定，近年來由于食品科學(xué)工作者為了提高對食物加工性，特別是食品的深加工性、工藝及設(shè)備設(shè)計的依據(jù)性等的需要，食品物性的研究測試變得愈來愈廣泛。

食品生產(chǎn)中涉及物料的形態(tài)多種多樣，有液態(tài)，如飲料、牛奶，有半固態(tài)的醬料、黃油，還有作為原料的水果蔬菜等。隨著食品研究的發(fā)展，研究手段亦有了較大地發(fā)展，表現(xiàn)在專業(yè)的流變學(xué)測試儀器、專業(yè)級的食品感官分析儀器和微量水分檢測儀器的引入和開發(fā)。應(yīng)用專業(yè)測試儀器，使實驗與研究在建立食品物料的流變和質(zhì)構(gòu)特性力學(xué)模型上更為方便。大多數(shù)公司都愿意投資儀器設(shè)備用于測試物理性質(zhì)，如液體和半固體的粘度，食品的質(zhì)構(gòu)特性，食品包裝的使用、粉末的流動性以及食品中的水分含量。所選用的儀器是否能反映產(chǎn)品性狀？如何更好的選擇符合產(chǎn)品要求的儀器？

本文從食品流變學(xué)、質(zhì)構(gòu)學(xué)和粉體學(xué)這幾個方面，針對研發(fā)R&D和質(zhì)量控制QC的不同層次需求，分別詳細介紹Brookfield實驗室和在線粘度計、RST流變儀、CT3和CTX質(zhì)構(gòu)儀、PFT粉體流動測試儀以及Computrac水分儀在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

二、食品的粘度與流變分析

食品流變學(xué)是在流變學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它以彈性力學(xué)和流體力學(xué)為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用線性粘彈性理論，研究食品在小變性范圍內(nèi)的粘彈性質(zhì)及其變化規(guī)律，測量食品原材料、半成品、成品在在特定形變下如加工、操作處理以及消費過程中產(chǎn)生的變形與流變響應(yīng)。食品流變學(xué)的研究對象是食品及其原料的力學(xué)性質(zhì)，與傳統(tǒng)的只注重食品的組成及其變化的化學(xué)方法不同，食品流變學(xué)通過所設(shè)定的數(shù)學(xué)模型對食品流變性進行量化的研究。食品流變學(xué)根據(jù)食品的流變特性分為粘性流體和粘彈性流體兩大類。食品流變學(xué)是研究食品在力的作用下變性或流動的科學(xué)，因此應(yīng)力和應(yīng)變對食品流變學(xué)研究而言都是非常重要的。食品流變學(xué)特性主要通過測定應(yīng)力與應(yīng)變對時間的函數(shù)來確定，這種特性可以用坐標(biāo)圖解或數(shù)學(xué)模型來表示。

食品加工及處理過程涉及的液體（多為非牛頓液體）、半固態(tài)材料，如冰淇淋、黃油、果醬等，其表觀粘度隨時間、剪切應(yīng)力、剪切速率的變化而變化，因此掌握各種食品的流變學(xué)特性，便于在流體的輸送，管路設(shè)計以及攪拌、乳化、均質(zhì)、物化、濃縮、**等單元操作的機械設(shè)計中充分考慮物料在力的作用下粘度的變化，有針對性的設(shè)計設(shè)備結(jié)構(gòu)及功率等。如有些材料具有剪切變稀現(xiàn)象，故其輸送啟動功率要大等。

Brookfield作為世界專業(yè)的儀器生產(chǎn)商，推出了一系列產(chǎn)品均可以用于食品流變性特別是液體或半固體食品的流變性研究，如DV系列粘度計、RST系列流變儀和在線粘度計等，可以進行多方面的流變學(xué)測試。

標(biāo)準的粘度計和DV3T流變儀使用旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子浸沒在液態(tài)產(chǎn)品中測量粘度，參見圖1。在不同轉(zhuǎn)速下測得的阻力反映為扭矩值，通過數(shù)學(xué)計算得到單位為“厘泊”的值。測試得到的結(jié)果圖類似于圖1儀器上顯示的曲線圖。Y軸的粘度值vs. X軸的轉(zhuǎn)速。非牛頓流體材料通常表現(xiàn)為粘度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低。這種類型的流動行為被稱為“假塑性”或“剪切變稀”。

研究食品在加工生產(chǎn)時的流變行為，如在泵、管道、擠壓機、設(shè)備、均質(zhì)機、熱交換器中的流動，就可以在生產(chǎn)中實現(xiàn)有效控制和改進工藝條件。這方面應(yīng)用較廣的是巧克力的生產(chǎn)。巧克力可以是固體也可以是液體，取決于其脂肪的構(gòu)成與存在狀態(tài)。可可脂在溫度高于32℃將會急劇的融化，成為液態(tài)。因此可以借助流變學(xué)測量方法對其特性進行檢驗。巧克力較重要的流變學(xué)參數(shù)就是屈服應(yīng)力值，其流動曲線遵循Casson方程：把流動曲線外推至零剪切速率來確定巧克力的屈服應(yīng)力值。屈服應(yīng)力與巧克力中所含的可可脂肪成分，巧克力漿中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有關(guān)。在涂布巧克力層的時（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），涂層的厚度取決于巧克力的屈服應(yīng)力，垂直面厚度取決于其粘度。

半固態(tài)或不流動樣品在測試粘度時面臨著更大挑戰(zhàn)——轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的位置會形成空洞。一旦樣品遠離轉(zhuǎn)子，樣品不能及時恢復(fù)，就會在轉(zhuǎn)子附近產(chǎn)生空隙。此時粘度值會迅速下降，無法記錄準確的數(shù)據(jù)。選擇合適的轉(zhuǎn)子和儀器可以解決這個問題：RST系列流變儀（圖2）具有控制剪切率和剪切應(yīng)力兩種模式，尤其適合于測量非牛頓流體在穩(wěn)態(tài)流動下的粘度、流變曲線等特性。另外，它還可以測量非穩(wěn)態(tài)剪切流動和蠕變狀態(tài)下的粘彈性，以及測出屈服應(yīng)力和觸變性特性。在質(zhì)量控制和研發(fā)領(lǐng)域均可進行較好的流變分析，常常用于奶制品、調(diào)味品、果醬、巧克力、凝膠等。

圖2：RST系列流變儀

圖3展示了傳統(tǒng)黃油和易涂抹型黃油的屈服應(yīng)力測試曲線圖。因為轉(zhuǎn)子在相同速率下旋轉(zhuǎn)受到不同的阻力，所以流動開始后曲線的斜率可以表示樣品各自的粘度。相同的測試可以用于比較黃油和人造黃油的延展性。圖4用同樣的方法測試三種不同產(chǎn)品。黃油的行為表現(xiàn)為在屈服應(yīng)力點附近為漸進式的變化，而人造黃油在開始流動后應(yīng)力值急劇下降。這反映了人造黃油的結(jié)構(gòu)更脆弱，一旦開始流動，人造黃油的涂抹阻力更小。1號黃油比2號黃油的屈服應(yīng)力和粘度值高，表示其品牌可能更優(yōu)。

此外，Brookfield有多款不同型號的衛(wèi)生級別的在線粘度計，例如STT- 100和FAST-102等（圖5），專為食品加工連續(xù)、準確和實時測量而設(shè)計。在番茄、調(diào)味料湯料、醬油、巧克力和果汁等加工業(yè)有助于確保產(chǎn)品控制適當(dāng)?shù)恼扯龋瑴p少批次差錯，并確保后續(xù)產(chǎn)品的品質(zhì)一致性。它將替代老的手工方法，提供更可靠和連續(xù)的流程測量。

三、食品的質(zhì)構(gòu)與感官分析

傳統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)及其表現(xiàn)狀態(tài)用感官檢驗來評價，感官分析實質(zhì)上是以人作為“儀器”測量產(chǎn)品的感官特性，對產(chǎn)品的質(zhì)地特性（如軟硬等）可以通過一定的感官分析方法用人來測量。口嘗就是一個復(fù)雜的流變過程，咀嚼包括磨、剪、擠壓、壓縮、拉伸等物理過程。食品質(zhì)構(gòu)分析是研究食品在加工儲藏中組織的軟化與分解等，以及模擬人對食物的感官質(zhì)地剖面特性等，這些質(zhì)構(gòu)的變化會引起材料流變特性的變化。質(zhì)構(gòu)特性是消費者評價食品質(zhì)量重要的特征之一，特別是對消費量越來越大的沙司、調(diào)味醬、奶酪、涂抹料和冰淇淋等半固態(tài)食品顯得更為重要。通過儀器測試可以反映食品的質(zhì)量，并可避免感官品嘗中主觀的影響。

Brookfield CT3 和CTX質(zhì)構(gòu)儀（下圖）有多種量程可選，量程從100g到100kg，可對廣泛的產(chǎn)品進行多種特性的測試，比如硬度、嫩度、脆性、膠粘性、粘牙性、回復(fù)性、彈性、凝膠強度、剝離強度、拉伸強度、斷裂強度等。儀器儀器可以單機操作，也可以與電腦聯(lián)機使用Texture Pro軟件操作、分析。

CTX質(zhì)構(gòu)儀                                                 CT3質(zhì)構(gòu)儀

冰淇淋是由脂肪、乳固體、穩(wěn)定劑、乳化劑、甜味劑制成的產(chǎn)品，這些成分保證了冰淇淋的口感，穩(wěn)定持水量，防止水分與其他成分分離，形成冰結(jié)晶，使冰淇淋的口感變得粗糙。由于原料的選擇和成分配比都會對冰淇淋的品質(zhì)產(chǎn)生影響，為了滿足消費者，促使重復(fù)購買，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品開發(fā)的過程中用標(biāo)準的評估方法進行測試。質(zhì)構(gòu)儀用一個錐形探頭測量冰淇淋的硬度，保證產(chǎn)品穩(wěn)定性。測量可以使用圖7 的夾具配合錐形探頭以1mm/sec的速率進入測試材料的容器來完成。儀器根據(jù)時間和位移，以力值的形式記錄穿透阻力，單位為克。探頭刺入樣品的距離由用戶決定。

圖7：CTX + STF涂抹性測試夾具

圖8展示了同品牌冰淇淋的兩批次產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)圖。峰值表示樣品的硬度，這個值表示勺子進入冰淇淋所需要的力。負值峰是探頭退出冰淇淋時，測量冰淇淋的粘性，正反映了冰淇淋接觸勺子或嘴中的粘性。負值峰下方的區(qū)域是探頭從冰淇淋收回時克服粘性所作的功。

食品質(zhì)構(gòu)是復(fù)雜、多維的特性綜合，儀器的測量數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)的感官評價提供更多的定量選擇。質(zhì)構(gòu)分析可以是視為一項客觀定量的主觀評價質(zhì)構(gòu)特性的實用科學(xué)。對主觀特性的儀器測量可以對產(chǎn)品質(zhì)量提供在生產(chǎn)中的客觀測量，使生產(chǎn)品質(zhì)的一貫性得到保證，減少產(chǎn)品的不合格率。

圖9為Brookfield質(zhì)構(gòu)儀在食品行業(yè)中的部分應(yīng)用。

食品中的水分含量也是食品感官分析中的重要影響因素。水分是食品的天然成分，是動植物體內(nèi)**的重要成分，既是食品中某些物質(zhì)的溶劑和載體，又是維持食品生物功能、保持其感觀質(zhì)量和食用品質(zhì)的基本條件，具有十分重要的生理意義。食品中的水分含量直接影響食品的感官性狀，影響膠體狀態(tài)的形成和穩(wěn)定?？刂剖称匪值暮浚煞乐故称返?*變質(zhì)和營養(yǎng)成分的水解，能有效地掌握食品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有助于優(yōu)化食品加工工藝流程選擇以及確定工藝參數(shù)，并控制*終的產(chǎn)品質(zhì)量，同時增加其他測定項目數(shù)據(jù)的可比性。

Brookfield Computrac Vapor Pro XL 微量水分測定儀采用水分感應(yīng)器技術(shù)，無需使用對人體及污染環(huán)境的有害的卡氏化學(xué)試劑，操作簡單，在5-10分鐘內(nèi)得出檢測結(jié)果，縮短了測試時間；測量精度達0.1ug，其結(jié)果優(yōu)于烘箱法及卡氏法，提升了測量**度。另外，儀器運行成本低，可為企業(yè)節(jié)省大量資金。

Brookfield Computrac MAX4000 XL快速水分測定儀采用鎳鉻合金加熱元件，兼顧升溫速率和溫度控制的準確度，操作簡單，可在5-10分鐘內(nèi)完成測試。相對于傳統(tǒng)烘箱干燥法，大大提高了測試效率以及測量結(jié)果準確性。

四、粉末樣品的流動性分析

粉末食品，如奶粉、奶茶、面粉、糖、植脂末、咖啡、可可粉、各類食品添加劑等粉體物料，食品產(chǎn)業(yè)的配方工程師由于各種原因創(chuàng)造新配方，配出新的粉體混合物：有些涉及新口感的添加劑，有些添加劑可以增強可加工性，而其他可能是生產(chǎn)商為了產(chǎn)品**使用了其他原料。R&D的任務(wù)是確保新的食品配方在按比例增加的大規(guī)模生產(chǎn)時依然可行有效。利用重力作用通過料斗能夠穩(wěn)定卸料是一個主要挑戰(zhàn)。

標(biāo)準的測試方法操作簡單，但可惜結(jié)果是不準確的。使用Flodex杯測試、休止角的測量以及敲擊試驗等，這些測試都沒有測試粉體影響流動行為的關(guān)鍵參數(shù)。由于粉體自身重量在容器中的固結(jié)是決定粉體是否流動的基本參數(shù)，需要測試的是當(dāng)粉末從料斗流出時粉末顆粒之間的滑動摩擦，因此剪切單元是測試儀器中更合適的方法工具，參閱圖10。

PFT粉體流動測試儀，可以在軟件支持下自動測量粉體樣品的流動函數(shù)、時間固結(jié)流動函數(shù)、壁面摩擦測試、松裝密度曲線，對粉體的流動性進行研究，從而指導(dǎo)粉體產(chǎn)品工在藝配方的研發(fā)和質(zhì)量檢測，確保樣品具有良好的流動性，并針對料斗、料倉和輸送設(shè)備的設(shè)計給出參考依據(jù)。

對于食品業(yè)的奶粉、奶茶、面粉、糖、植脂末、咖啡等粉體物料的流動性，以及和流動性相關(guān)的粒徑大小、含水量、溫度、流動性添加劑、時間固結(jié)等因素對流動性的函數(shù)做出定量的測量，進行數(shù)據(jù)比較和分類，對產(chǎn)品的配方和研發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量控制都可以提供重要的定量數(shù)據(jù)。

小結(jié)

食品工業(yè)在整個工業(yè)中占著舉足輕重的地位。近年來，食品消費需求由追求數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)化，健康**、營養(yǎng)多樣、食品功能化等新需求促進了食品技術(shù)的發(fā)展進步，對食品品質(zhì)要求的提高也帶動了食品流變、質(zhì)構(gòu)感官以及粉體流動性研究。在這個大背景下，流變儀、質(zhì)構(gòu)儀、水分儀以及粉體流動測試儀等儀器在食品工業(yè)中發(fā)揮的作用也將愈加凸顯。

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