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食品行業(yè)的儀器選擇
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*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*測試儀器，使實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)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(xì)介紹Brookfield實(shí)驗(yàn)室和在線粘度計(jì)、RST流變儀、CT3和CTX質(zhì)構(gòu)儀、PFT粉體流動(dòng)測試儀以及Computrac水分儀在食品工業(yè)中的應(yīng)用。
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(fèi)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(jìn)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(dòng)的科學(xué)，因此應(yīng)力和應(yīng)變對食品流變學(xué)研究而言都是極其重要的。食品流變學(xué)特性主要通過測定應(yīng)力與應(yīng)變對時(shí)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(shí)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(jì)以及攪拌、乳化、均質(zhì)、物化、濃縮、滅菌等單元操作的機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)功率要大等。
Brookfield作為世界的儀器生產(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(jì)、RST系列流變儀和在線粘度計(jì)等，可以進(jìn)行全面的流變學(xué)測試。
標(biāo)準(zhǔn)的粘度計(jì)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(jì)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(dòng)行為被稱為“假塑性”或“剪切變稀”。
研究食品在加工生產(chǎn)時(shí)的流變行為，如在泵、管道、擠壓機(jī)、設(shè)備、均質(zhì)機(jī)、熱交換器中的流動(dòng)，就可以在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)有效控制和改進(jìn)工藝條件。這方面應(yīng)用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)?？煽芍跍囟雀哂?/span>32℃將會(huì)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(jìn)行檢驗(yàn)。巧克力重要的流變學(xué)參數(shù)就是屈服應(yīng)力值，其流動(dòng)曲線遵循Casson方程：把流動(dòng)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(shí)（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(dòng)樣品在測試粘度時(shí)面臨著更大挑戰(zhàn)——轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的位置會(huì)形成空洞。一旦樣品遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子，樣品不能及時(shí)恢復(fù)，就會(huì)在轉(zhuǎn)子附近產(chǎn)生空隙。此時(shí)粘度值會(huì)迅速下降，無法記錄準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。選擇合適的轉(zhuǎn)子和儀器可以解決這個(gè)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(dòng)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(dòng)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(jìn)行的流變分析，常常用于奶制品、調(diào)味品、果醬、巧克力、凝膠等。
傳統(tǒng)黃油和易涂抹型黃油的屈服應(yīng)力測試曲線圖。因?yàn)檗D(zhuǎn)子在相同速率下旋轉(zhuǎn)受到不同的阻力，所以流動(dòng)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(diǎn)附近為漸進(jìn)式的變化，而人造黃油在開始流動(dòng)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(dòng)，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(jì)，例如STT- 100和FAST-102等，專為食品加工連續(xù)、準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)測量而設(shè)計(jì)。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?，減少批次差錯(cuò)，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。
傳統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)及其表現(xiàn)狀態(tài)用感官檢驗(yàn)來評價(jià)，感官分析實(shí)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(gè)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(chǔ)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(huì)引起材料流變特性的變化。質(zhì)構(gòu)特性是消費(fèi)者評價(jià)食品質(zhì)量重要的特征之一，特別是對消費(fèi)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)儀有多種量程可選，量程從100g到100kg，可對廣泛的產(chǎn)品進(jìn)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(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等。儀器儀器可以單機(jī)操作，也可以與電腦聯(lián)機(jī)使用Texture Pro軟件操作、分析。
冰淇淋是由脂肪、乳固體、穩(wěn)定劑、乳化劑、甜味劑制成終產(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(huì)對冰淇淋的品質(zhì)產(chǎn)生影響，為了滿足消費(fèi)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(zhǔn)的評估方法進(jìn)行測試。質(zhì)構(gòu)儀用一個(gè)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(jìn)入測試材料的容器來完成。儀器根據(jù)時(shí)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。
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(gè)值表示勺子進(jìn)入冰淇淋所需要的力。負(fù)值峰是探頭退出冰淇淋時(shí)，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(fù)值峰下方的區(qū)域是探頭從冰淇淋收回時(shí)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(jià)提供更多的定量選擇。質(zhì)構(gòu)分析可以是視為一項(xiàng)客觀定量的主觀評價(jià)質(zhì)構(gòu)特性的實(shí)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。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(dòng)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淖冑|(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(shí)增加其他測定項(xiàng)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(shí)間；測量精度達(dá)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(yùn)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(zhǔn)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(zhǔn)確性。
粉末樣品的流動(dòng)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(qiáng)可加工性，而其他可能是生產(chǎn)商為了產(chǎn)品創(chuàng)新使用了其他原料。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(shí)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(gè)主要挑戰(zhàn)。
標(biāo)準(zhǔn)的測試方法操作簡單，但可惜結(jié)果是不準(zhǔn)確的。使用Flodex杯測試、休止角的測量以及敲擊試驗(yàn)等，這些測試都沒有測試粉體影響流動(dòng)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(dòng)的基本參數(shù)，需要測試的是當(dāng)粉末從料斗流出時(shí)粉末顆粒之間的滑動(dòng)摩擦，因此剪切單元是測試儀器中合適的方法工具.
PFT粉體流動(dòng)測試儀，可以在軟件支持下自動(dòng)測量粉體樣品的流動(dòng)函數(shù)、時(shí)間固結(jié)流動(dòng)函數(shù)、壁面摩擦測試、松裝密度曲線，對粉體的流動(dòng)性進(jìn)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(dòng)性，并針對料斗、料倉和輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)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(dòng)性，以及和流動(dòng)性相關(guān)的粒徑大小、含水量、溫度、流動(dòng)性添加劑、時(shí)間固結(jié)等因素對流動(dòng)性的函數(shù)做出定量的測量，進(jìn)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)。
食品工業(yè)在整個(gè)工業(yè)中占著舉足輕重的地位。近年來，食品消費(fèi)需求由追求數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)化，健康安全、營養(yǎng)多樣、食品功能化等新需求促進(jìn)了食品技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對食品品質(zhì)要求的提高也帶動(dòng)了食品流變、質(zhì)構(gòu)感官以及粉體流動(dòng)性研究。在這個(gè)大背景下，流變儀、質(zhì)構(gòu)儀、水分儀以及粉體流動(dòng)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。