有关食品行业的流变、质构感官以及粉体流动性分析研究

一、应用背景

满足产品质量标准、获得消费者高满意度的产品，在提供给消费者之前需要经过一系列的测试，R&D负责开发测试方法，以确保材料能够符合生产条件；QC保证产品质量，确定食品有良好的口感和稳定性，如今对于成功的食品企业是必不可少的。食品物性研究起步较早，但是由于食品体系的复杂性，早期物性的研究主要是一些经验性的测定，近年来由于食品科学工作者为了提高对食物加工性，特别是食品的深加工性、工艺及设备设计的依据性等的需要，食品物性的研究测试变得愈来愈广泛。

食品生产中涉及物料的形态多种多样，有液态，如饮料、牛奶，有半固态的酱料、黄油，还有作为原料的水果蔬菜等。随着食品研究的发展，研究手段亦有了较大地发展，表现在专业的流变学测试仪器、专业级的食品感官分析仪器和微量水分检测仪器的引入和开发。应用专业测试仪器，使实验与研究在建立食品物料的流变和质构特性力学模型上更为方便。大多数公司都愿意投资仪器设备用于测试物理性质，如液体和半固体的粘度，食品的质构特性，食品包装的使用、粉末的流动性以及食品中的水分含量。所选用的仪器是否能反映产品性状？如何更好的选择符合产品要求的仪器？

本文从食品流变学、质构学和粉体学这几个方面，针对研发R&D和质量控制QC的不同层次需求，分别详细介绍Brookfield实验室和在线粘度计、RST流变仪、CT3和CTX质构仪、PFT粉体流动测试仪以及Computrac水分仪在食品工业中的应用。

 

二、食品的粘度与流变分析

食品流变学是在流变学基础上发展起来的，它以弹性力学和流体力学为基础，主要应用线性粘弹性理论，研究食品在小变性范围内的粘弹性质及其变化规律，测量食品原材料、半成品、成品在在特定形变下如加工、操作处理以及消费过程中产生的变形与流变响应。食品流变学的研究对象是食品及其原料的力学性质，与传统的只注重食品的组成及其变化的化学方法不同，食品流变学通过所设定的数学模型对食品流变性进行量化的研究。食品流变学根据食品的流变特性分为粘性流体和粘弹性流体两大类。食品流变学是研究食品在力的作用下变性或流动的科学，因此应力和应变对食品流变学研究而言都是非常重要的。食品流变学特性主要通过测定应力与应变对时间的函数来确定，这种特性可以用坐标图解或数学模型来表示。

食品加工及处理过程涉及的液体（多为非牛顿液体）、半固态材料，如冰淇淋、黄油、果酱等，其表观粘度随时间、剪切应力、剪切速率的变化而变化，因此掌握各种食品的流变学特性，便于在流体的输送，管路设计以及搅拌、乳化、均质、物化、浓缩、灭菌等单元操作的机械设计中充分考虑物料在力的作用下粘度的变化，有针对性的设计设备结构及功率等。如有些材料具有剪切变稀现象，故其输送启动功率要大等。

Brookfield作为世界专业的仪器生产商，推出了一系列产品均可以用于食品流变性特别是液体或半固体食品的流变性研究，如DV系列粘度计、RST系列流变仪和在线粘度计等，可以进行多方面的流变学测试。

标准的粘度计和DV3T流变仪使用旋转的转子浸没在液态产品中测量粘度，参见图1。在不同转速下测得的阻力反映为扭矩值，通过数学计算得到单位为“厘泊”的值。测试得到的结果图类似于图1仪器上显示的曲线图。Y轴的粘度值vs. X轴的转速。非牛顿流体材料通常表现为粘度随着转速的增大而降低。这种类型的流动行为被称为“假塑性”或“剪切变稀”。

图1：DV3T流变仪

研究食品在加工生产时的流变行为，如在泵、管道、挤压机、设备、均质机、热交换器中的流动，就可以在生产中实现有效控制和改进工艺条件。这方面应用较广的是巧克力的生产。巧克力可以是固体也可以是液体，取决于其脂肪的构成与存在状态。可可脂在温度高于32℃将会急剧的融化，成为液态。因此可以借助流变学测量方法对其特性进行检验。巧克力较重要的流变学参数就是屈服应力值，其流动曲线遵循Casson方程：把流动曲线外推至零剪切速率来确定巧克力的屈服应力值。屈服应力与巧克力中所含的可可脂肪成分，巧克力浆中的可可粉、糖粉等的磨碎程度及卵磷脂的用量有关。在涂布巧克力层的时（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），涂层的厚度取决于巧克力的屈服应力，垂直面厚度取决于其粘度。

半固态或不流动样品在测试粘度时面临着更大挑战——转子在旋转的位置会形成空洞。一旦样品远离转子，样品不能及时恢复，就会在转子附近产生空隙。此时粘度值会迅速下降，无法记录准确的数据。选择合适的转子和仪器可以解决这个问题：RST系列流变仪（图2）具有控制剪切率和剪切应力两种模式，尤其适合于测量非牛顿流体在稳态流动下的粘度、流变曲线等特性。另外，它还可以测量非稳态剪切流动和蠕变状态下的粘弹性，以及测出屈服应力和触变性特性。在质量控制和研发领域均可进行较好的流变分析，常常用于奶制品、调味品、果酱、巧克力、凝胶等。

图2：RST系列流变仪

图3展示了传统黄油和易涂抹型黄油的屈服应力测试曲线图。因为转子在相同速率下旋转受到不同的阻力，所以流动开始后曲线的斜率可以表示样品各自的粘度。相同的测试可以用于比较黄油和人造黄油的延展性。图4用同样的方法测试三种不同产品。黄油的行为表现为在屈服应力点附近为渐进式的变化，而人造黄油在开始流动后应力值急剧下降。这反映了人造黄油的结构更脆弱，一旦开始流动，人造黄油的涂抹阻力更小。1号黄油比2号黄油的屈服应力和粘度值高，表示其品牌可能更优。

此外，Brookfield有多款不同型号的卫生级别的在线粘度计，例如STT- 100和FAST-102等（图5），专为食品加工连续、准确和实时测量而设计。在番茄、调味料汤料、酱油、巧克力和果汁等加工业有助于确保产品控制适当的粘度，减少批次差错，并确保后续产品的品质一致性。它将替代老的手工方法，提供更可靠和连续的流程测量。

 

三、食品的质构与感官分析

传统的食品质构及其表现状态用感官检验来评价，感官分析实质上是以人作为“仪器”测量产品的感官特性，对产品的质地特性（如软硬等）可以通过一定的感官分析方法用人来测量。口尝就是一个复杂的流变过程，咀嚼包括磨、剪、挤压、压缩、拉伸等物理过程。食品质构分析是研究食品在加工储藏中组织的软化与分解等，以及模拟人对食物的感官质地剖面特性等，这些质构的变化会引起材料流变特性的变化。质构特性是消费者评价食品质量重要的特征之一，特别是对消费量越来越大的沙司、调味酱、奶酪、涂抹料和冰淇淋等半固态食品显得更为重要。通过仪器测试可以反映食品的质量，并可避免感官品尝中主观的影响。

Brookfield CT3 和CTX质构仪（下图）有多种量程可选，量程从100g到100kg，可对广泛的产品进行多种特性的测试，比如硬度、嫩度、脆性、胶粘性、粘牙性、回复性、弹性、凝胶强度、剥离强度、拉伸强度、断裂强度等。仪器仪器可以单机操作，也可以与电脑联机使用Texture Pro软件操作、分析。

CTX质构仪                                                 CT3质构仪

冰淇淋是由脂肪、乳固体、稳定剂、乳化剂、甜味剂制成的产品，这些成分保证了冰淇淋的口感，稳定持水量，防止水分与其他成分分离，形成冰结晶，使冰淇淋的口感变得粗糙。由于原料的选择和成分配比都会对冰淇淋的品质产生影响，为了满足消费者，促使重复购买，在产品质量控制和产品开发的过程中用标准的评估方法进行测试。质构仪用一个锥形探头测量冰淇淋的硬度，保证产品稳定性。测量可以使用图7 的夹具配合锥形探头以1mm/sec的速率进入测试材料的容器来完成。仪器根据时间和位移，以力值的形式记录穿透阻力，单位为克。探头刺入样品的距离由用户决定。

图7：CTX + STF涂抹性测试夹具

图8展示了同品牌冰淇淋的两批次产品测试数据图。峰值表示样品的硬度，这个值表示勺子进入冰淇淋所需要的力。负值峰是探头退出冰淇淋时，测量冰淇淋的粘性，正反映了冰淇淋接触勺子或嘴中的粘性。负值峰下方的区域是探头从冰淇淋收回时克服粘性所作的功。

食品质构是复杂、多维的特性综合，仪器的测量数据可以比传统的感官评价提供更多的定量选择。质构分析可以是视为一项客观定量的主观评价质构特性的实用科学。对主观特性的仪器测量可以对产品质量提供在生产中的客观测量，使生产品质的一贯性得到保证，减少产品的不合格率。

图9为Brookfield质构仪在食品行业中的部分应用。

食品中的水分含量也是食品感官分析中的重要影响因素。水分是食品的天然成分，是动植物体内不可缺少的重要成分，既是食品中某些物质的溶剂和载体，又是维持食品生物功能、保持其感观质量和食用品质的基本条件，具有十分重要的生理意义。食品中的水分含量直接影响食品的感官性状，影响胶体状态的形成和稳定。控制食品水分的含量，可防止食品的腐败变质和营养成分的水解，能有效地掌握食品的基础数据，有助于优化食品加工工艺流程选择以及确定工艺参数，并控制最终的产品质量，同时增加其他测定项目数据的可比性。

Brookfield Computrac Vapor Pro XL 微量水分测定仪采用水分感应器技术，无需使用对人体及污染环境的有害的卡氏化学试剂，操作简单，在5-10分钟内得出检测结果，缩短了测试时间；测量精度达0.1ug，其结果优于烘箱法及卡氏法，提升了测量精确度。另外，仪器运行成本低，可为企业节省大量资金。

Brookfield Computrac MAX4000 XL快速水分测定仪采用镍铬合金加热元件，兼顾升温速率和温度控制的准确度，操作简单，可在5-10分钟内完成测试。相对于传统烘箱干燥法，大大提高了测试效率以及测量结果准确性。

 

四、粉末样品的流动性分析

粉末食品，如奶粉、奶茶、面粉、糖、植脂末、咖啡、可可粉、各类食品添加剂等粉体物料，食品产业的配方工程师由于各种原因创造新配方，配出新的粉体混合物：有些涉及新口感的添加剂，有些添加剂可以增强可加工性，而其他可能是生产商为了产品创新使用了其他原料。R&D的任务是确保新的食品配方在按比例增加的大规模生产时依然可行有效。利用重力作用通过料斗能够稳定卸料是一个主要挑战。

标准的测试方法操作简单，但可惜结果是不准确的。使用Flodex杯测试、休止角的测量以及敲击试验等，这些测试都没有测试粉体影响流动行为的关键参数。由于粉体自身重量在容器中的固结是决定粉体是否流动的基本参数，需要测试的是当粉末从料斗流出时粉末颗粒之间的滑动摩擦，因此剪切单元是测试仪器中更合适的方法工具，参阅图10。

PFT粉体流动测试仪，可以在软件支持下自动测量粉体样品的流动函数、时间固结流动函数、壁面摩擦测试、松装密度曲线，对粉体的流动性进行研究，从而指导粉体产品工在艺配方的研发和质量检测，确保样品具有良好的流动性，并针对料斗、料仓和输送设备的设计给出参考依据。

对于食品业的奶粉、奶茶、面粉、糖、植脂末、咖啡等粉体物料的流动性，以及和流动性相关的粒径大小、含水量、温度、流动性添加剂、时间固结等因素对流动性的函数做出定量的测量，进行数据比较和分类，对产品的配方和研发、产品质量控制都可以提供重要的定量数据。

 

小结

食品工业在整个工业中占着举足轻重的地位。近年来，食品消费需求由追求数量向质量转化，健康安全、营养多样、食品功能化等新需求促进了食品技术的发展进步，对食品品质要求的提高也带动了食品流变、质构感官以及粉体流动性研究。在这个大背景下，流变仪、质构仪、水分仪以及粉体流动测试仪等仪器在食品工业中发挥的作用也将愈加凸显。

 

转载自博勒飞公众号Brookfield_China