食品质地分析

Richard D. BROWN

质地测试是评价食品原材料及加工食品的机械物理特性的一种成熟方法，并常用于食品加工前后的质量控制。质地测试基本适用于各类食品，包括烘烤品、谷类、糖果、点心、奶制品、水果、蔬菜、凝胶、肉类、家禽、鱼类、意大利面，甚至是宠物食品。由于质地是一种与触感密切相关的物理性质，因此可以简单地通过类似压力的机械方法进行评价。在质地测试中，常常通过压缩、拉伸、卷曲等标准方法去衡量食品的硬度、脆度、柔软度、弹性以及黏着性等。通过比较质地测试结果与专家鉴定结果可知，两者存在高度的关联性。

对于一些天然产品，如水果、蔬菜、肉类以及鱼类等，质地特性可以被追溯到最初生长或是培养的方式。而对于加工食品，质地特性参数可被用于优化加工流程。质地分析有利于提高食品从供应链到制备的质量。在研发阶段，新的和替代组分可与已经存在的组分相比较。在制备中，质地分析可以用于许多过程参数(温度、湿度以及加工时间)的测量和控制。

1 质地分析仪器

目前AMETEK Measurement & Calibration Technologies Division (Largo, FL)出品的质地测试仪包括手动、自动化以及全程软件控制几种。仪器测试的优点是可以按照既定的标准来执行测试程序，并能提供对测试程序的全记录。Chatillon MT150系列(图1)是一种适用于检测水果和蔬菜硬度的手动分析测试装置。它采用一种便携的设计，同时运用数字测力器进行拉伸或挤压测试。测试仪由一支操作杆或者手柄驱动，并由数码探头对孔的深度进行测量。

对于硬度测试或者剪切、拉伸及挤压测试，手动控制的Chatillon LTCM-100是一个较好的选择。该装置中备有手动旋钮和另一个可供选择的脚闸，用以控制测试仪的速度和方向。为了评价样品的硬度，数字测力器可以测量峰值力，力学准确性高达0.1%。整套装置适用于质量控制实验室或者其他生产及研究领域。

TAPlus(Lloyd Instruments) (图2)是一款全自动的高效食品质地分析仪。基于特定运算法则的软件使得测试中的主观因素得以全部去除，从而极大地提高了仪器的准确性。220 lbf (102 kgf，1000 N)的力学容量以及简单的NEXYGENPlus控制测试软件(Lloyd Instruments)满足任何常规及精细质地测试的要求。同时，测量精确度可控制在± 0.5%，而速率精确性则<0.2%。此标准系统配置有常规分析所必须的基础设备，除霜水盘、食品测试平台和常规半英寸探头。这样一种闭环驱动系统在测试过程中能够保证测试中对仪器的精确控制。这也保证了在还原样品原始大小的测试中，准确地对样品进行高度测量，还能根据样品尺寸的不同，实时调整测试速率。该分析仪具有相当大的工作区域以适应大体积样品，并可以匹配一系列特别设计的食品固定设备、探头及包装测试中广泛应用的多功能夹具。整个测试流程中的操作控制则是通过NEXYGENPlus软件来完成，它包含了大量的食品行业测试标准的信息。

图1 Chatillon MT150手动食品固定分析仪

图2 TAPlus高效食品质地分析仪

2 典型测试

使用质地分析仪可以测量的参数包括黏附性、咀嚼性、黏结性、坚固性、脆度、口感、弹性、伸展性、硬度、破碎性、凝胶强度、黏性、弹性强度、断裂强度弹性、刚度、粗糙度、韧性、以及切割、渗透和剪切性质参数。

质地分析技术广泛应用的关键是目前具有超过70种的实用性探头、固定设备以及夹具，从而实现一台装置对于一系列不同食品样品的测定。Volodkevitch咀嚼装置很好地说明了机械器具是如何将人类的动作转化为量化信息。它模拟了门牙剪切肉类、蔬菜、水果以及酥脆食品的过程。装置包括上下两部分“牙齿”(图3)，将样品固定在下部后，通过测定“咬碎”样品时所需的最大力来确定样品的韧度、硬度。为满足不同的应用需求，目前有不同大小、表面形貌、款式和容量的夹具和固定设备。样本大小的选择取决于样品的内部均一性。与结构紧实的样品相比，一个内部存在较大空隙的样品需要更大的样本体积，以实现多次测试的重现性。固定设备的选择则同样取决于样品，如果样品具有一个平坦的表面，一般会使用略大于样本的加压板，而对于像水果和蔬菜这样表面参差不齐的样品，通常使用小直径的探头。

3 样本固定设备

质地分析中夹具和固定设备的开发均朝着满足更广泛应用需求的方向发展。TAPlus质地分析仪配置有两个测试夹具。其中一个是针对未烹制的汉堡肉饼的质地测试而开发的；另一个主要用于测试面食的黏性。目前市场对汉堡的巨大需求以及残酷的价格竞争，导致汉堡质量参差不齐——汉堡肉饼可能是100%上等牛肉，也可能是含有大量脂肪、膨化剂、盐和其他添加剂的低等牛肉。测试时将肉饼放置在一个固定于TAPlus工作台上的中央附有孔道(直径为27 mm)的支撑板表面，采用平头的圆柱形探针(直径为25 mm)对肉饼施加压力(图4)。此探针也可用于熟肉制品的分析。

图3 Volodkevitch咀嚼装置

图4 肉饼硬度测试夹具

烹饪过的意大利面(例如Lasagne)的黏度与意大利面中的淀粉含量有关，并且此含量又反过来影响烹制过程的温度与时间。通过面食黏性的分析，上述参数均可被优化。将烹制的面平铺于TAPlus工作台与中央有长方形孔道的平板之间，并选择与其相匹配的矩形端探头对食品施加均匀的压缩(图5)。此时，随之产生的对探头的反作用力会被实时检测。另外，可以根据需要设定探针与食品的接触时间。

尽管许多夹具是针对特殊用途而设计的，但是固定设备的开发仍具有重要意义。五刀片型的克莱默剪切刀具(图6)可以较好地取代传统的十刀片版本，它常被用来测量大批肉类、水果以及谷物的剪切或是挤压力，尤其适用于传统十刀片设计无法负担的一些形状不规则以及预期将产生较大挤压力的样本。克莱默剪切刀具有五片平行且大小一致的钢刀，使用时刀片从狭缝中落入下部工作台的相应槽缝中。样品便在底部的容器内被剪切、挤压。与十刀片版本相比，此种设计中刀片之间的距离变大，使得对于一些质地不均匀样本的剪切和挤压力有所减小。装置的运行温度可以从室温到达100 ℃，同时还配置了能兼容十刀片版本的流出容器。

图5 宽面测试夹具

图6 五刀片型克莱默剪切刀具

4 软件控制

目前，各种各样的机械夹具和固定设备的涌现使得质地分析的范围越来越广泛的同时，软件可以辅助操作者控制和监视系统的各个方面，并对测试进行配置。TAPlus质地分析仪中安装的NEXYGENPlus质地分析软件，包含了大量关于食品、化妆品以及包装品行业测试标准的信息，如AACC、ASTM、DIN、EN和ISO等。软件还同时提供了用户自定义测试创立、数据采集、报告及文本、视频、图片的输出等基本功能，此外保障数据的安全性、实现测试的自动化和用户化也是其特点所在。软件依靠测试结果中力、距离及时间等数值来计算样本的黏附性、咀嚼性、黏结性、坚固性、脆度、口感、弹性、伸展性、硬度、破碎性、凝胶强度、黏性、弹性强度、断裂强度弹性、刚度、粗糙度、韧性等参数。

除了强大的测试能力，软件还可以提供一种增强用户对数据理解的功能。例如，测试过程的视频图像可以与文本数据结果同时输出并可在测试之后进行重新播放。此外，某个测试时间点的静止图像也同样可被获取，而这些图像随即以图表的形式被记录以利于用户分析(图7)。整个测试系统中连接的一种即插即用的温度、湿度探测器实现了测试过程的实时监测，同时在软件中得以输出。测试初始和结束时的条件即可以被此种外部设备控制。软件中配置的安全索引模块有利于监督者对使用人员和数据进行管理，同时可以辅助制造商满足FDA 21 CFR Part 11的标准要求。其中，电子签名的设计可限制用户获取数据的权利从而进一步避免数据损失。而索引模块则使得任何测试参数及数据的变更都可以实时备份。

图7 通过静止图像对苹果进行的质地分析

5 用户自定制开发应用

除了基于上文所述各种固定设备的标准测试，许多研究者还倾向于发展自己的测试方法。软件控制可以使用户开发多样化的测试平台。此时，唯一需要的便是特殊的夹具和固定设备。针对此类情况，许多制造商可以提供这种设计和加工固定设备的服务。包装食品的材料往往需要进行抗张强度、抗破损能力、热黏合剥离强度、撕裂强度以及摩擦系数等参数的评价。TAPlus只需更换固定设备便可以轻松配置成一台结合质地测试及包装测试的双重分析测试仪，从而提供更广泛的测试功能。