Richard D. BROWN

質(zhì)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(zhì)量控制。質(zhì)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(zhì)地是一種與觸感密切相關(guān)的物理性質(zhì)，因此可以簡單地通過類似壓力的機械方法進行評價。在質(zhì)地測試中，常常通過壓縮、拉伸、卷曲等標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)地測試結(jié)果與專家鑒定結(jié)果可知，兩者存在高度的關(guān)聯(lián)性。

對于一些天然產(chǎn)品，如水果、蔬菜、肉類以及魚類等，質(zhì)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(zhì)地特性參數(shù)可被用于優(yōu)化加工流程。質(zhì)地分析有利于提高食品從供應(yīng)鏈到制備的質(zhì)量。在研發(fā)階段，新的和替代組分可與已經(jīng)存在的組分相比較。在制備中，質(zhì)地分析可以用于許多過程參數(shù)(溫度、濕度以及加工時間)的測量和控制。

1 質(zhì)地分析儀器

目前AMETEK Measurement & Calibration Technologies Division (Largo, FL)出品的質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計，同時運用數(shù)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(qū)動，并由數(shù)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(shù)字測力器可以測量峰值力，力學(xué)準(zhǔn)確性高達(dá)0.1%。整套裝置適用于質(zhì)量控制實驗室或者其他生產(chǎn)及研究領(lǐng)域。

TAPlus(Lloyd Instruments) (圖2)是一款全自動的高效食品質(zhì)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(zhǔn)確性。220 lbf (102 kgf，1000 N)的力學(xué)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(xì)質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置有常規(guī)分析所必須的基礎(chǔ)設(shè)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(qū)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(zhǔn)確地對樣品進行高度測量，還能根據(jù)樣品尺寸的不同，實時調(diào)整測試速率。該分析儀具有相當(dāng)大的工作區(qū)域以適應(yīng)大體積樣品，并可以匹配一系列特別設(shè)計的食品固定設(shè)備、探頭及包裝測試中廣泛應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的信息。

圖1 Chatillon MT150手動食品固定分析儀

圖2 TAPlus高效食品質(zhì)地分析儀

2 典型測試

使用質(zhì)地分析儀可以測量的參數(shù)包括黏附性、咀嚼性、黏結(jié)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(zhì)參數(shù)。

質(zhì)地分析技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是目前具有超過70種的實用性探頭、固定設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)備。樣本大小的選擇取決于樣品的內(nèi)部均一性。與結(jié)構(gòu)緊實的樣品相比，一個內(nèi)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(shè)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(shè)備

質(zhì)地分析中夾具和固定設(shè)備的開發(fā)均朝著滿足更廣泛應(yīng)用需求的方向發(fā)展。TAPlus質(zhì)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(zhì)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(dǎo)致漢堡質(zhì)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(guān)，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(shù)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(chǎn)生的對探頭的反作用力會被實時檢測。另外，可以根據(jù)需要設(shè)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(shè)計的，但是固定設(shè)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(shè)計無法負(fù)擔(dān)的一些形狀不規(guī)則以及預(yù)期將產(chǎn)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(yīng)槽縫中。樣品便在底部的容器內(nèi)被剪切、擠壓。與十刀片版本相比，此種設(shè)計中刀片之間的距離變大，使得對于一些質(zhì)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(dá)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(shè)備的涌現(xiàn)使得質(zhì)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(zhì)地分析儀中安裝的NEXYGENPlus質(zhì)地分析軟件，包含了大量關(guān)于食品、化妝品以及包裝品行業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)采集、報告及文本、視頻、圖片的輸出等基本功能，此外保障數(shù)據(jù)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(jié)果中力、距離及時間等數(shù)值來計算樣本的黏附性、咀嚼性、黏結(jié)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(shù)。

除了強大的測試能力，軟件還可以提供一種增強用戶對數(shù)據(jù)理解的功能。例如，測試過程的視頻圖像可以與文本數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)束時的條件即可以被此種外部設(shè)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(shù)據(jù)進行管理，同時可以輔助制造商滿足FDA 21 CFR Part 11的標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，電子簽名的設(shè)計可限制用戶獲取數(shù)據(jù)的權(quán)利從而進一步避免數(shù)據(jù)損失。而索引模塊則使得任何測試參數(shù)及數(shù)據(jù)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(zhì)地分析

5 用戶自定制開發(fā)應(yīng)用

除了基于上文所述各種固定設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備。針對此類情況，許多制造商可以提供這種設(shè)計和加工固定設(shè)備的服務(wù)。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(shù)等參數(shù)的評價。TAPlus只需更換固定設(shè)備便可以輕松配置成一臺結(jié)合質(zhì)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。