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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(xì)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,。
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(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、滅菌等單元操作的機(jī)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(jìn)行全面的流變學(xué)測試。
標(biāo)準(zhǔn)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(jī),、設(shè)備、均質(zhì)機(jī),、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(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,。巧克力重要的流變學(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(yuǎn)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(zhǔn)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(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(jìn)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,，專為食品加工連續(xù),、準(zhǔn)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?，減少批次差錯,，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,。
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(zhǔn)的評估方法進(jìn)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(jìn)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,。
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(jìn)入冰淇淋所需要的力,。負(fù)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(fù)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,。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,。控制食品水分的含量,，可防止食品的變質(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(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(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合適的方法工具.
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(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(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,。