Brookfield 仪 器 在 食 品 工 业 中 的 应 用 Brookfield 中 国 技 术 服 务 中 心 摘 要 本 文 主 要 论 述 了 食 品 流 变 学 和 质 构 学, 对 食 品 研 发 质 量 控 制 生 产 工 艺 控 制 的 指 导 意 义, 并 详 细 介 绍 了 Brookfield 实 验 室 和 在 线 粘 度 计 RS 流 变 仪, 以 及 CT3 质 构 仪 在 食 品 物 性 测 试 的 应 用, 为 广 大 研 究 和 生 产 食 品 的 客 户 提 供 有 用 对 各 种 食 品 性 能 作 全 面 评 价 关 键 词 : 食 品 流 变 特 性 质 构 分 析 Brookfield 粘 度 计 质 构 仪 一 食 品 的 流 变 特 性 与 质 构 分 析 食 品 流 变 学 是 在 流 变 学 基 础 上 发 展 起 来 的, 它 以 弹 性 力 学 和 流 体 力 学 为 基 础, 主 要 应 用 线 性 粘 弹 性 理 论, 研 究 食 品 在 小 变 性 范 围 内 的 粘 弹 性 质 及 其 变 化 规 律, 测 量 食 品 原 材 料 半 成 品 成 品 在 在 特 定 形 变 下 如 加 工 操 作 处 理 以 及 消 费 过 程 中 产 生 的 变 形 与 流 变 响 应 因 此, 食 品 流 变 学 的 研 究 对 象 是 食 品 及 其 原 料 的 力 学 性 质, 食 品 流 变 学 与 传 统 的 只 注 重 食 品 的 组 成 及 其 变 化 的 化 学 方 法 不 同, 它 用 数 学 语 言, 通 过 所 设 定 的 数 学 模 型 对 食 品 进 行 量 化 的 研 究 食 品 流 变 学 根 据 食 品 的 流 变 特 性 分 为 粘 性 流 体 和 粘 弹 性 流 体 两 大 类 食 品 流 变 学 是 研 究 食 品 在 力 的 作 用 下 变 性 或 流 动 的 科 学, 因 此 应 力 和 应 变 对 食 品 流 变 学 研 究 而 言 都 是 极 其 重 要 的 食 品 流 变 学 特 性 主 要 通 过 测 定 应 力 与 应 变 对 时 间 的 函 数 来 确 定, 这 种 特 性 可 以 用 坐 标 图 解 或 数 学 模 型 来 表 示 研 究 发 现 流 体 的 流 型 可 以 通 过 研 究 其 流 变 曲 线 的 形 状 加 以 确 定, 而 流 变 曲 线 又 可 以 用 一 定 的 数 学 模 型 进 行 描 述 数 学 模 型 是 通 过 数 学 语 言 来 表 达 问 题, 从 而 达 到 用 数 学 工 具 解 决 问 题 的 目 的, 具 有 渐 进 性 条 理 性 逼 真 性 可 行 性 和 可 转 移 性 等 优 点 食 品 质 构 分 析 是 研 究 食 品 在 加 工 储 藏 中 组 织 的 软 化 与 分 解 等, 以 及 模 拟 人 对 食 物 的 感 官 质 地 剖 面 特 性 等, 这 些 质 构 的 变 化 会 引 起 材 料 流 变 特 性 的 变 化 质 构 是 消 费 者 评 价 食 品 质 量 最 重 要 的 特 征 之 一, 特 别 是 对 消 费 量 越 来 越 大 的 沙 司 调 味 酱 奶 酪 涂 抹 料 和 冰 淇 淋 等 半 固 态 食 品 显 得 更 为 重 要 食 品 流 变 与 质 构 特 性 研 究 对 食 品 工 业 有 重 要 意 义 :
1 食 品 流 变 与 质 构 特 性 与 食 品 的 质 量 传 统 的 食 品 质 构 及 其 表 现 状 态 就 是 用 感 官 检 验 来 评 价 的, 感 官 分 析 实 质 上 是 以 人 作 为 仪 器 测 量 产 品 的 感 官 特 性, 对 产 品 的 质 地 特 性 ( 如 软 硬 等 ) 可 以 通 过 一 定 的 感 官 分 析 方 法 用 人 来 测 量, 口 尝 就 是 一 个 复 杂 的 流 变 过 程, 咀 嚼 包 括 磨 剪 挤 压 压 缩 拉 伸 等 物 理 过 程 通 过 流 变 学 的 一 些 测 试 可 以 反 映 食 品 的 质 量, 并 可 避 免 感 官 品 尝 中 主 观 的 影 响 粘 稠 性 不 仅 是 液 态 食 品 的 感 官 评 价 指 标, 而 且 影 响 到 食 品 风 味 的 接 受 性 Wood 曾 研 究 液 态 食 品 的 粘 稠 度 与 品 尝 时 的 反 映, 并 找 出 其 流 变 学 关 系, 指 出 当 假 塑 性 时, 系 数 n= 0.5 时, 乳 类 甜 食 汤 料 酱 类 浆 状 食 品 的 口 感 最 好 这 类 食 品 在 口 中 保 持 稳 定 的 流 动, 当 有 剪 切 作 用 ( 舌 动 等 ) 时 有 较 低 的 粘 度, 若 停 止 剪 切, 又 恢 复 原 来 的 粘 度, 容 易 吞 咽 2 食 品 流 变 与 质 构 特 性 与 食 品 研 发 通 过 流 变 学 试 验 ( 模 拟 试 验 ) 可 以 预 测 产 品 的 质 量 以 及 产 品 在 市 场 上 的 接 受 程 度, 指 导 新 产 品 的 开 发 例 如 : 使 用 食 品 胶 时, 必 须 对 使 用 的 目 的 ( 应 用 食 用 胶 的 哪 一 种 特 性 ) 有 清 楚 的 了 解, 才 能 根 据 不 同 食 品 胶 的 特 性 进 行 选 择 质 构 仪 就 可 以 发 挥 很 大 的 作 用, 由 于 所 有 的 食 品 胶 都 不 只 一 种 功 能, 因 而 在 为 食 品 任 何 一 类 特 别 的 应 用 选 择 最 佳 的 食 品 胶 时, 都 还 应 该 考 虑 候 选 食 品 胶 在 该 食 品 中 发 挥 的 其 它 的 功 能, 所 以 食 品 工 艺 师 在 选 择 食 品 胶 时 需 要 考 虑 诸 多 因 素, 必 须 综 合 考 虑 产 品 形 态 ( 如 凝 胶 流 动 性 硬 度 透 明 度 及 混 浊 度 等 ); 产 品 体 系 ( 悬 浮 颗 粒 能 力, 稠 度 等 ); 产 品 储 存 ( 时 间 风 味 稳 定 水 分 ) 产 品 加 工 方 式 和 经 济 性 等 否 则, 不 考 虑 其 它 因 素, 直 接 选 择 使 用 在 该 项 应 用 中 表 现 得 最 好 的 食 品 胶, 可 能 并 不 是 最 佳 的 选 择 3 食 品 流 变 与 质 构 特 性 与 生 产 中 的 质 量 控 制 食 品 加 工 过 程 中 的 质 构 变 化, 势 必 引 起 材 料 受 力 性 质 的 改 变, 研 究 食 品 在 加 工 生 产 时 的 流 变 行 为, 如 在 泵 管 道 挤 压 机 设 备 均 质 机 热 交 换 器 中 的 流 动, 就 可 以 在 生 产 中 实 现 有 效 控 制 和 改 进 工 艺 条 件 这 方 面 应 用 最 广 的 是 巧 克 力 的 生 产 巧 克 力 可 以 是 固 体 也 可 以 是 液 体, 取 决 于 其 脂 肪 的 构 成 与 存 在 状 态 可 可 脂 在 温 度 高 于 32 将 会 急 剧 的 融 化, 成 为 液 态 因 此 可 以 借 助 流 变 学 测 量 方 法 对 其 特 性 进 行 检 验 巧 克 力 最 重 要 的 流 变 学 参 数 就 是 屈 服 应 力 值, 其 流 动 曲 线 遵 循 Casson 方 程 : 把 流 动 曲 线 外 推 至 零 剪 切 速 率 来 确 定 巧 克 力 的 屈 服 应 力 值 屈 服 应 力 与 巧 克 力 中 所 含 的 可 可 脂 肪 成 分, 巧 克 力 浆
中 的 可 可 粉 糖 粉 等 的 磨 碎 程 度 及 卵 磷 脂 的 用 量 有 关 在 涂 布 巧 克 力 层 的 时 ( 威 化 巧 克 力 冰 淇 淋 巧 克 力 等 ), 涂 层 的 厚 度 取 决 于 巧 克 力 的 屈 服 应 力, 垂 直 面 厚 度 取 决 于 其 粘 度 4 食 品 流 变 与 质 构 特 性 与 工 程 设 计 食 品 加 工 及 处 理 过 程 涉 及 的 液 体 多 为 非 牛 顿 液 体, 其 表 观 粘 度 随 时 间 剪 切 应 力 剪 切 速 率 的 变 化 而 变 化, 因 此 掌 握 各 种 食 品 的 流 变 学 特 性, 便 于 在 流 体 的 输 送, 管 路 设 计 以 及 搅 拌 乳 化 均 质 物 化 浓 缩 灭 菌 等 单 元 操 作 的 机 械 设 计 中 充 分 考 虑 物 料 在 力 的 作 用 下 粘 度 的 变 化, 有 针 对 性 的 设 计 设 备 结 构 及 功 率 等 如 有 些 材 料 具 有 剪 切 变 稀 现 象, 故 其 输 送 启 动 功 率 要 大 等 二 食 品 流 变 与 质 构 特 性 的 测 量 食 品 物 性 研 究 起 步 较 早, 但 是 由 于 食 品 体 系 的 复 杂 性, 早 期 物 性 的 研 究 主 要 是 一 些 经 验 性 的 测 定, 近 年 来 由 于 食 品 科 学 工 作 者 为 了 提 高 对 食 物 加 工 性, 特 别 是 食 品 的 深 加 工 性 工 艺 及 设 备 设 计 的 依 据 性 等 的 需 要, 食 品 物 性 的 研 究 变 得 愈 来 愈 广 泛 随 着 研 究 活 动 的 深 入, 研 究 手 段 亦 有 了 较 大 地 发 展, 表 现 在 先 进 的 流 变 学 测 试 仪 器 的 引 入 和 开 发 应 用 先 进 测 试 仪 器, 使 实 验 与 研 究 在 建 立 食 品 物 料 的 流 变 与 质 构 特 性 力 学 模 型 上 更 为 方 便 (1) 食 品 流 变 的 测 量 流 变 仪 是 一 种 多 功 能 物 性 测 试 仪, 在 食 品 化 工 医 药 化 妆 品 等 行 业 的 物 性 学 分 DV-II+Pro 编 程 式 粘 度 计 YR-1 屈 服 应 力 仪 析 都 有 很 好 的 应 用 在 食 品 分 析 中, 质 构 仪 主 要 应 用 于 分 析 液 体 半 固 体 以 及 软 物 质 食
品 的 粘 度 剪 切 力 屈 服 力 恢 复 性 触 变 性 等 物 性 参 数, 并 能 结 合 感 官 品 评 分 析, 客 观 地 评 价 食 品 的 各 种 感 官 指 标, 控 制 产 品 质 量, 优 化 产 品 生 产 工 艺 Brookfield 作 为 世 界 上 最 知 名 的 仪 器 生 产 商, 推 出 了 一 系 列 产 品 均 可 以 用 于 食 品 流 变 性 特 别 是 液 体 或 半 固 体 食 品 的 流 变 性 研 究, 如 DV 系 列 粘 度 计 YR-1 屈 服 应 力 流 变 仪 R/S 流 变 仪 和 在 线 粘 度 计 等, 可 以 进 行 全 面 的 流 变 学 测 试 R/S 系 列 流 变 仪 具 有 控 制 剪 切 率 和 剪 切 应 力 两 种 模 式, 尤 其 适 合 于 测 量 非 牛 顿 流 体 在 稳 态 流 动 下 的 粘 度 流 变 曲 线 等 特 性 另 外, 它 还 可 以 测 量 非 稳 态 剪 切 流 动 和 蠕 变 状 态 下 的 粘 弹 性, 以 及 测 出 屈 服 应 力 和 触 变 性 特 性 在 质 量 控 制 和 研 发 领 域 均 可 进 行 完 美 的 流 变 分 析, 常 常 用 于 奶 制 品 调 味 品 果 酱 巧 克 力 凝 胶 等 Brookfield 有 多 款 不 同 型 号 的 卫 生 级 别 的 在 线 粘 度 计, 例 如 STT- 100 TT-220 和 AST-100 等 在 线 粘 度 计, 在 番 茄 调 味 料 汤 料 酱 油 巧 克 力 和 果 汁 等 加 工 业 有 助 于 确 保 产 品 适 当 的 粘 度 是 专 为 食 品 加 工 连 续, 准 确 和 实 时 测 量 的, 可 以 减 少 批 次 差 错, 并 确 保 后 续 产 品 的 品 质 一 致 性 它 将 替 代 老 的 手 工 方 法, 提 供 更 可 靠 和 连 续 的 流 程 测 量 RS 系 列 高 级 流 变 仪 STT-100 旋 转 在 线 粘 度 计 AST 振 动 式 在 线 粘 度 计 食 品 流 变 学 研 究 的 应 用 举 例 蛋 白 质 溶 液 ---- 流 变 加 工 研 究 凝 胶 体 系 ---- 添 加 剂 凝 胶 化 过 程 ; 食 品 安 全 淀 粉 糊 化 过 程 ---- 产 品 工 艺 控 制 ; 原 料 选 择 饮 料 ---- 适 口 性 研 究 复 配 研 究 ---- 配 方 体 系 优 化 ; 胶 源 选 择 ; 应 用 开 发 ( 如 在 蛋 糕 中 应 用 ) 表 面 活 性 剂 ---- 天 然 助 剂 开 发 面 团 ---- 粘 弹 性 分 析 成 品 性 能 预 测 ; 烘 焙 工 艺 优 化 ; 配 方 优 化 水 果 蔬 菜 ---- 加 工 研 究 ; 果 胶
乳 业 ---- 奶 酪 工 艺 婴 儿 食 品 ---- 食 品 安 全 (2) 食 品 质 构 的 测 量 Brookfield 同 时 致 力 于 向 客 户 提 供 完 备 精 美 的 质 构 分 析 仪 器 用 于 半 固 体 和 固 体 食 品 的 研 究 质 构 仪 是 以 上 下 移 动 的 实 验 室 天 平 为 主 体, 它 能 连 续 记 录 测 试 材 料 对 施 加 的 机 械 条 件 的 反 应 负 载 ( 力 ) 它 可 以 通 过 向 下 ( 压 ) 或 向 上 ( 拉 ) 运 动 中 的 任 一 种 方 式 执 行 测 量, 并 使 用 不 同 几 何 形 状 和 尺 寸 的 探 头, 在 样 品 上 施 加 运 动 的 力, 用 负 载 对 时 间 的 图 表 来 进 行 图 形 解 析, 模 拟 出 物 体 在 生 产 过 程 中 或 在 操 作 过 程 中 被 施 加 外 应 力 的 反 应 情 况, 仪 器 可 以 单 机 操 作, 也 可 以 与 电 脑 联 机 使 用 TexturePro CT 软 件 操 作 分 析 这 些 测 试 提 供 对 产 品 的 物 理 性 能 的 实 时 检 测, 使 生 产 品 质 的 一 贯 性 得 到 保 证, 减 少 产 品 的 不 合 格 率 食 品 质 构 是 复 杂 多 维 的 特 性 综 合, 仪 器 的 测 量 数 据 可 以 比 传 统 的 感 官 评 价 提 供 更 多 的 定 量 选 择 质 构 分 析 可 以 是 视 为 一 项 客 观 定 量 的 主 观 评 价 质 构 特 性 的 实 用 科 学 对 主 观 特 性 的 仪 器 测 量 可 以 对 产 品 质 量 提 供 在 生 产 中 的 客 观 测 量 Brookfield 之 CT3 质 构 仪 按 量 程 范 围 分 七 个 型 号, 有 100g 1000g 1500g 4500g 10kg CT3 质 构 仪 + 恒 温 水 浴 Texture Pro CT 软 件 25kg 和 50kg, 可 对 广 泛 的 产 品 进 行 多 种 特 性 的 测 试, 比 如 硬 度 嫩 度, 脆 性 胶 粘 性 粘 牙 性 回 复 性 弹 性 凝 胶 强 度 等 剥 离 强 度 拉 伸 强 度 断 裂 强 度 等 等 食 品 业 常 见 质 构 分 析 应 用 : 1) 烘 焙 业 人 造 黄 油 薯 片 / 薯 条 饼 干 面 团 蛋 糕 面 包 薄 煎 饼, 馅 饼 皮 薄 饼 早 餐
谷 类 食 品 旅 游 休 闲 食 品 等 2) 糖 果 业 硬 糖 焦 糖 软 糖 巧 克 力 焦 糖 巧 克 力 酱 口 香 糖 橡 皮 糖 芝 麻 蜜 饼 柠 檬 酱 果 酱 杏 仁 蛋 白 软 糖 糖 浆 蜂 蜜 乳 糖 等 { SHAPE \* MERGEFORMAT } 3) 烘 培 油 脂 黄 油 或 人 造 黄 油 干 酪 鲜 奶 油 鲜 奶 酪 冰 淇 淋 蛋 黄 酱 慕 丝 酸 乳 酪 巧 克 力 等 4) 水 果 与 蔬 菜 行 业 苹 果 葡 萄 梨 桃 子 草 莓 柑 橘 橄 榄 豆 类 番 茄 玉 米 胡 椒 土 豆 豆 腐 芹 菜 等 5) 肉 类, 家 禽 和 鱼 类 肉 丸 鱼 丸 水 饺 鸡 肉 火 腿 鹅 肝 酱 对 虾 香 肠 鱼 糜 等 6) 面 食, 面 条 和 米 饭 饺 子 粉 条 面 条 米 饭 等 7) 宠 物 食 品 健 齿 狗 粮 流 质 猫 粮 等 8) 其 他 食 品 及 快 餐 小 吃 类 明 胶 纯 生 啤 酒 薯 片 类 脆 片 食 品 番 茄 酱 威 化 巧 克 力 条 坚 果 泡 菜 比 萨 饼 香 脆 薄 片 薄 饼 等 下 表 列 出 了 一 些 食 品 使 用 的 Brookfield 仪 器 测 试 的 情 况 : 食 品 类 型 测 量 特 征 应 用 Brookfield 仪 器 测 量 方 法 淀 粉 糊 化 特 性 流 变 特 性 淀 粉 测 量 系 统 SSB 和 在 线 粘 度 计 RS 流 变 仪 小 量 样 品 适 配 器 SSA, GB/T 12098-1989,GB/T 22427.7-2008 熔 融 巧 克 力 屈 服 应 力 和 塑 性 粘 度 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪 在 线 粘 度 计 小 量 样 品 适 配 器 SSA 冰 淇 淋 粘 度 和 加 工 特 性 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪
酱 奶 油 等 涂 抹 类 食 品 屈 服 应 力 旋 转 粘 度 计 YR-1 屈 服 应 力 测 试 仪 RS 流 变 仪 桨 式 转 子 食 品 增 稠 剂 流 变 性 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪 乳 品 粘 度 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪 酱 油 / 糖 浆 / 油 脂 粘 度 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪 果 汁 低 剪 切 下 粘 度 旋 转 粘 度 计 RS 流 变 仪 明 胶 冻 力 / 凝 胶 强 度 CT3 质 构 仪 AOAC 和 BS 757 之 Bloom 实 验 标 准,GB 6783-94 馒 头 面 条 面 包 等 面 制 品 火 腿 牛 肉 鸡 肉 鱼 糜 等 肉 制 品 干 酪 酸 乳 等 乳 制 品 硬 度 弹 性 胶 着 性 咀 嚼 度 拉 伸 强 度, 以 及 新 鲜 度 脆 度 粘 稠 度 面 团 品 质 等 硬 度 弹 性 胶 着 性 咀 嚼 度 等 强 度 粘 附 度 稠 度 硬 度 等 水 果 蔬 菜 硬 度 脆 度 成 熟 度 各 种 凝 胶 粘 稠 度 断 裂 性 硬 度 凝 胶 强 度 糖 果 果 冻 粘 稠 度 断 裂 性 硬 度 凝 胶 强 度 食 品 工 业 在 我 国 国 民 经 济 中 一 直 占 着 举 足 轻 重 的 地 位 近 年 来, 食 品 消 费 与 需 求 由 追 求 数 量 向 追 求 质 量 营 养 安 全 多 样 和 方 便 型 的 转 化, 这 就 带 动 了 食 品 技 术 的 不 断 进 步, 食 品 流 变 与 质 构 研 究 也 是 在 这 个 大 的 背 景 下, 不 断 发 展 进 步, 在 食 品 工 业 中 发 挥 的 作 用 越 来 越 大!