食品質地分析

Richard D. BROWN

質地測試是評價食品原材料及加工食品的機械物理特性的一種成熟方法，并常用于食品加工前后的質量控制。質地測試基本適用于各類食品，包括烘烤品、谷類、糖果、點心、奶制品、水果、蔬菜、凝膠、肉類、家禽、魚類、意大利面，甚至是寵物食品。由于質地是一種與觸感密切相關的物理性質，因此可以簡單地通過類似壓力的機械方法進行評價。在質地測試中，常常通過壓縮、拉伸、卷曲等標準方法去衡量食品的硬度、脆度、柔軟度、彈性以及黏著性等。通過比較質地測試結果與專家鑒定結果可知，兩者存在高度的關聯(lián)性。

對于一些天然產品，如水果、蔬菜、肉類以及魚類等，質地特性可以被追溯到最初生長或是培養(yǎng)的方式。而對于加工食品，質地特性參數可被用于優(yōu)化加工流程。質地分析有利于提高食品從供應鏈到制備的質量。在研發(fā)階段，新的和替代組分可與已經存在的組分相比較。在制備中，質地分析可以用于許多過程參數(溫度、濕度以及加工時間)的測量和控制。

1 質地分析儀器

目前AMETEK Measurement & Calibration Technologies Division (Largo, FL)出品的質地測試儀包括手動、自動化以及全程軟件控制幾種。儀器測試的優(yōu)點是可以按照既定的標準來執(zhí)行測試程序，并能提供對測試程序的全記錄。Chatillon MT150系列(圖1)是一種適用于檢測水果和蔬菜硬度的手動分析測試裝置。它采用一種便攜的設計，同時運用數字測力器進行拉伸或擠壓測試。測試儀由一支操作桿或者手柄驅動，并由數碼探頭對孔的深度進行測量。

對于硬度測試或者剪切、拉伸及擠壓測試，手動控制的Chatillon LTCM-100是一個較好的選擇。該裝置中備有手動旋鈕和另一個可供選擇的腳閘，用以控制測試儀的速度和方向。為了評價樣品的硬度，數字測力器可以測量峰值力，力學準確性高達0.1%。整套裝置適用于質量控制實驗室或者其他生產及研究領域。

TAPlus(Lloyd Instruments) (圖2)是一款全自動的高效食品質地分析儀?；谔囟ㄟ\算法則的軟件使得測試中的主觀因素得以全部去除，從而極大地提高了儀器的準確性。220 lbf (102 kgf，1000 N)的力學容量以及簡單的NEXYGENPlus控制測試軟件(Lloyd Instruments)滿足任何常規(guī)及精細質地測試的要求。同時，測量精確度可控制在± 0.5%，而速率精確性則<0.2%。此標準系統(tǒng)配置有常規(guī)分析所必須的基礎設備，除霜水盤、食品測試平臺和常規(guī)半英寸探頭。這樣一種閉環(huán)驅動系統(tǒng)在測試過程中能夠保證測試中對儀器的精確控制。這也保證了在還原樣品原始大小的測試中，準確地對樣品進行高度測量，還能根據樣品尺寸的不同，實時調整測試速率。該分析儀具有相當大的工作區(qū)域以適應大體積樣品，并可以匹配一系列特別設計的食品固定設備、探頭及包裝測試中廣泛應用的多功能夾具。整個測試流程中的操作控制則是通過NEXYGENPlus軟件來完成，它包含了大量的食品行業(yè)測試標準的信息。

圖1 Chatillon MT150手動食品固定分析儀

圖2 TAPlus高效食品質地分析儀

2 典型測試

使用質地分析儀可以測量的參數包括黏附性、咀嚼性、黏結性、堅固性、脆度、口感、彈性、伸展性、硬度、破碎性、凝膠強度、黏性、彈性強度、斷裂強度彈性、剛度、粗糙度、韌性、以及切割、滲透和剪切性質參數。

質地分析技術廣泛應用的關鍵是目前具有超過70種的實用性探頭、固定設備以及夾具，從而實現(xiàn)一臺裝置對于一系列不同食品樣品的測定。Volodkevitch咀嚼裝置很好地說明了機械器具是如何將人類的動作轉化為量化信息。它模擬了門牙剪切肉類、蔬菜、水果以及酥脆食品的過程。裝置包括上下兩部分“牙齒”(圖3)，將樣品固定在下部后，通過測定“咬碎”樣品時所需的最大力來確定樣品的韌度、硬度。為滿足不同的應用需求，目前有不同大小、表面形貌、款式和容量的夾具和固定設備。樣本大小的選擇取決于樣品的內部均一性。與結構緊實的樣品相比，一個內部存在較大空隙的樣品需要更大的樣本體積，以實現(xiàn)多次測試的重現(xiàn)性。固定設備的選擇則同樣取決于樣品，如果樣品具有一個平坦的表面，一般會使用略大于樣本的加壓板，而對于像水果和蔬菜這樣表面參差不齊的樣品，通常使用小直徑的探頭。

3 樣本固定設備

質地分析中夾具和固定設備的開發(fā)均朝著滿足更廣泛應用需求的方向發(fā)展。TAPlus質地分析儀配置有兩個測試夾具。其中一個是針對未烹制的漢堡肉餅的質地測試而開發(fā)的；另一個主要用于測試面食的黏性。目前市場對漢堡的巨大需求以及殘酷的價格競爭，導致漢堡質量參差不齊——漢堡肉餅可能是100%上等牛肉，也可能是含有大量脂肪、膨化劑、鹽和其他添加劑的低等牛肉。測試時將肉餅放置在一個固定于TAPlus工作臺上的中央附有孔道(直徑為27 mm)的支撐板表面，采用平頭的圓柱形探針(直徑為25 mm)對肉餅施加壓力(圖4)。此探針也可用于熟肉制品的分析。

圖3 Volodkevitch咀嚼裝置

圖4 肉餅硬度測試夾具

烹飪過的意大利面(例如Lasagne)的黏度與意大利面中的淀粉含量有關，并且此含量又反過來影響烹制過程的溫度與時間。通過面食黏性的分析，上述參數均可被優(yōu)化。將烹制的面平鋪于TAPlus工作臺與中央有長方形孔道的平板之間，并選擇與其相匹配的矩形端探頭對食品施加均勻的壓縮(圖5)。此時，隨之產生的對探頭的反作用力會被實時檢測。另外，可以根據需要設定探針與食品的接觸時間。

盡管許多夾具是針對特殊用途而設計的，但是固定設備的開發(fā)仍具有重要意義。五刀片型的克萊默剪切刀具(圖6)可以較好地取代傳統(tǒng)的十刀片版本，它常被用來測量大批肉類、水果以及谷物的剪切或是擠壓力，尤其適用于傳統(tǒng)十刀片設計無法負擔的一些形狀不規(guī)則以及預期將產生較大擠壓力的樣本?？巳R默剪切刀具有五片平行且大小一致的鋼刀，使用時刀片從狹縫中落入下部工作臺的相應槽縫中。樣品便在底部的容器內被剪切、擠壓。與十刀片版本相比，此種設計中刀片之間的距離變大，使得對于一些質地不均勻樣本的剪切和擠壓力有所減小。裝置的運行溫度可以從室溫到達100 ℃，同時還配置了能兼容十刀片版本的流出容器。

圖5 寬面測試夾具

圖6 五刀片型克萊默剪切刀具

4 軟件控制

目前，各種各樣的機械夾具和固定設備的涌現(xiàn)使得質地分析的范圍越來越廣泛的同時，軟件可以輔助操作者控制和監(jiān)視系統(tǒng)的各個方面，并對測試進行配置。TAPlus質地分析儀中安裝的NEXYGENPlus質地分析軟件，包含了大量關于食品、化妝品以及包裝品行業(yè)測試標準的信息，如AACC、ASTM、DIN、EN和ISO等。軟件還同時提供了用戶自定義測試創(chuàng)立、數據采集、報告及文本、視頻、圖片的輸出等基本功能，此外保障數據的安全性、實現(xiàn)測試的自動化和用戶化也是其特點所在。軟件依靠測試結果中力、距離及時間等數值來計算樣本的黏附性、咀嚼性、黏結性、堅固性、脆度、口感、彈性、伸展性、硬度、破碎性、凝膠強度、黏性、彈性強度、斷裂強度彈性、剛度、粗糙度、韌性等參數。

除了強大的測試能力，軟件還可以提供一種增強用戶對數據理解的功能。例如，測試過程的視頻圖像可以與文本數據結果同時輸出并可在測試之后進行重新播放。此外，某個測試時間點的靜止圖像也同樣可被獲取，而這些圖像隨即以圖表的形式被記錄以利于用戶分析(圖7)。整個測試系統(tǒng)中連接的一種即插即用的溫度、濕度探測器實現(xiàn)了測試過程的實時監(jiān)測，同時在軟件中得以輸出。測試初始和結束時的條件即可以被此種外部設備控制。軟件中配置的安全索引模塊有利于監(jiān)督者對使用人員和數據進行管理，同時可以輔助制造商滿足FDA 21 CFR Part 11的標準要求。其中，電子簽名的設計可限制用戶獲取數據的權利從而進一步避免數據損失。而索引模塊則使得任何測試參數及數據的變更都可以實時備份。

圖7 通過靜止圖像對蘋果進行的質地分析

5 用戶自定制開發(fā)應用

除了基于上文所述各種固定設備的標準測試，許多研究者還傾向于發(fā)展自己的測試方法。軟件控制可以使用戶開發(fā)多樣化的測試平臺。此時，唯一需要的便是特殊的夾具和固定設備。針對此類情況，許多制造商可以提供這種設計和加工固定設備的服務。包裝食品的材料往往需要進行抗張強度、抗破損能力、熱黏合剝離強度、撕裂強度以及摩擦系數等參數的評價。TAPlus只需更換固定設備便可以輕松配置成一臺結合質地測試及包裝測試的雙重分析測試儀，從而提供更廣泛的測試功能。