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(cè)試儀器,、專業(yè)級(jí)的食品感官分析儀器和微量水分檢測(cè)儀器的引入和開(kāi)發(fā)。應(yīng)用*測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(lái)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(cè)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(guò)程中產(chǎn)生的變形與流變響應(yīng),。食品流變學(xué)的研究對(duì)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(guò)所設(shè)定的數(shù)學(xué)模型對(duì)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(duì)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(guò)測(cè)定應(yīng)力與應(yīng)變對(duì)時(shí)間的函數(shù)來(lái)確定,，這種特性可以用坐標(biāo)圖解或數(shù)學(xué)模型來(lái)表示,。

食品加工及處理過(guò)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(duì)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(cè)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(méi)在液態(tài)產(chǎn)品中測(cè)量粘度，參見(jiàn)圖1,。在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)得的阻力反映為扭矩值,，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到單位為“厘泊”的值。測(cè)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),。可可脂在溫度高于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(cè)量方法對(duì)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(lái)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(cè)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(wú)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(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)始后曲線的斜率可以表示樣品各自的粘度。相同的測(cè)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(cè)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(kāi)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(kāi)始流動(dòng)，人造黃油的涂抹阻力更小,。1號(hào)黃油比2號(hào)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(hào)的衛(wèi)生級(jí)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(cè)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)恼扯龋瑴p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(cè)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(lái)評(píng)價(jià),，感官分析實(shí)質(zhì)上是以人作為“儀器”測(cè)量產(chǎn)品的感官特性，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)地特性（如軟硬等）可以通過(guò)一定的感官分析方法用人來(lái)測(cè)量,?？趪L就是一個(gè)復(fù)雜的流變過(guò)程，咀嚼包括磨,、剪,、擠壓、壓縮,、拉伸等物理過(guò)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(duì)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(píng)價(jià)食品質(zhì)量重要的特征之一,，特別是對(duì)消費(fèi)量越來(lái)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(guò)儀器測(cè)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(duì)廣泛的產(chǎn)品進(jìn)行多種特性的測(cè)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(duì)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(gòu)買，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中用標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估方法進(jìn)行測(cè)試,。質(zhì)構(gòu)儀用一個(gè)錐形探頭測(cè)量冰淇淋的硬度,，保證產(chǎn)品穩(wěn)定性,。測(cè)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(cè)試材料的容器來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)可以比傳統(tǒng)的感官評(píng)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(píng)價(jià)質(zhì)構(gòu)特性的實(shí)用科學(xué)。對(duì)主觀特性的儀器測(cè)量可以對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提供在生產(chǎn)中的客觀測(cè)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(yíng)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(cè)定項(xiàng)目數(shù)據(jù)的可比性,。

Brookfield Computrac Vapor Pro XL 微量水分測(cè)定儀采用水分感應(yīng)器技術(shù)，無(wú)需使用對(duì)人體及污染環(huán)境的有害的卡氏化學(xué)試劑,，操作簡(jiǎn)單,，在5-10分鐘內(nèi)得出檢測(cè)結(jié)果,，縮短了測(cè)試時(shí)間；測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單，可在5-10分鐘內(nèi)完成測(cè)試,。相對(duì)于傳統(tǒng)烘箱干燥法,，大大提高了測(cè)試效率以及測(cè)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(guò)料斗能夠穩(wěn)定卸料是一個(gè)主要挑戰(zhàn)。

標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法操作簡(jiǎn)單,，但可惜結(jié)果是不準(zhǔn)確的,。使用Flodex杯測(cè)試、休止角的測(cè)量以及敲擊試驗(yàn)等,，這些測(cè)試都沒(méi)有測(cè)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(cè)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(cè)試儀器中合適的方法工具.

PFT粉體流動(dòng)測(cè)試儀,，可以在軟件支持下自動(dòng)測(cè)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(cè)試,、松裝密度曲線，對(duì)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(cè),，確保樣品具有良好的流動(dòng)性，并針對(duì)料斗,、料倉(cāng)和輸送設(shè)備的設(shè)計(jì)給出參考依據(jù),。

對(duì)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(duì)流動(dòng)性的函數(shù)做出定量的測(cè)量,，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和分類,，對(duì)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(lái)，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(yíng)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(duì)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(cè)試儀等儀器在食品工業(yè)中發(fā)揮的作用也將愈加凸顯,。