Brookfield博勒飛粘度計在食品行業中的應用

一、應用背景

滿足產品質量標準、獲得消費者高滿意度的產品，在提供給消費者之前需要經過一係列的測試，R&D負責開發測試方法，以確保材料能夠符合生產條件；QC保證產品質量，確定食品有良好的口感和穩定性，如今對於成功的食品企業是**的。食品物性研究起步較早，但是由於食品體係的複雜性，早期物性的研究主要是一些經驗性的測定，近年來由於食品科學工作者為了提高對食物加工性，特彆是食品的深加工性、工藝及設備設計的依據性等的需要，食品物性的研究測試變得愈來愈廣泛。

食品生產中涉及物料的形態多種多樣，有液態，如飲料、牛奶，有半固態的醬料、黃油，還有作為原料的水果蔬菜等。隨著食品研究的發展，研究手段亦有了較大地發展，表現在專業的流變學測試儀器、專業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。應用專業測試儀器，使實驗與研究在建立食品物料的流變和質構特性力學模型上更為方便。大多數公司都願意投資儀器設備用於測試物理性質，如液體和半固體的粘度，食品的質構特性，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品性狀？如何更好的選擇符合產品要求的儀器？

本文從食品流變學、質構學和粉體學這幾個方麵，針對研發R&D和質量控製QC的不同層次需求，分彆詳細介紹Brookfield實驗室和在線粘度計、RST流變儀、CT3和CTX質構儀、PFT粉體流動測試儀以及Computrac水分儀在食品工業中的應用。

二、食品的粘度與流變分析

食品流變學是在流變學基礎上發展起來的，它以彈性力學和流體力學為基礎，主要應用線性粘彈性理論，研究食品在小變性範圍內的粘彈性質及其變化規律，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生的變形與流變響應。食品流變學的研究對象是食品及其原料的力學性質，與傳統的隻注重食品的組成及其變化的化學方法不同，食品流變學通過所設定的數學模型對食品流變性進行量化的研究。食品流變學根據食品的流變特性分為粘性流體和粘彈性流體兩大類。食品流變學是研究食品在力的作用下變性或流動的科學，因此應力和應變對食品流變學研究而言都是非常重要的。食品流變學特性主要通過測定應力與應變對時間的函數來確定，這種特性可以用坐標圖解或數學模型來表示。

食品加工及處理過程涉及的液體（多為非牛頓液體）、半固態材料，如冰淇淋、黃油、果醬等，其表觀粘度隨時間、剪切應力、剪切速率的變化而變化，因此掌握各種食品的流變學特性，便於在流體的輸送，管路設計以及攪拌、乳化、均質、物化、濃縮、**等單元操作的機械設計中充分考慮物料在力的作用下粘度的變化，有針對性的設計設備結構及功率等。如有些材料具有剪切變稀現象，故其輸送啟動功率要大等。

Brookfield作為世界專業的儀器生產商，推出了一係列產品均可以用於食品流變性特彆是液體或半固體食品的流變性研究，如DV係列粘度計、RST係列流變儀和在線粘度計等，可以進行多方麵的流變學測試。

標準的粘度計和DV3T流變儀使用旋轉的轉子浸冇在液態產品中測量粘度，參見圖1。在不同轉速下測得的阻力反映為扭矩值，通過數學計算得到單位為“厘泊”的值。測試得到的結果圖類似於圖1儀器上顯示的曲線圖。Y軸的粘度值vs. X軸的轉速。非牛頓流體材料通常表現為粘度隨著轉速的增大而降低。這種類型的流動行為被稱為“假塑性”或“剪切變稀”。

圖1：DV3T流變儀

研究食品在加工生產時的流變行為，如在泵、管道、擠壓機、設備、均質機、熱交換器中的流動，就可以在生產中實現有效控製和改進工藝條件。這方麵應用較廣的是巧克力的生產。巧克力可以是固體也可以是液體，取決於其脂肪的構成與存在狀態。可可脂在溫度高於32℃將會急劇的融化，成為液態。因此可以借助流變學測量方法對其特性進行檢驗。巧克力較重要的流變學參數就是屈服應力值，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力值。屈服應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。在塗布巧克力層的時（威化巧克力、冰淇淋巧克力等），塗層的厚度取決於巧克力的屈服應力，垂直麵厚度取決於其粘度。

半固態或不流動樣品在測試粘度時麵臨著更大挑戰——轉子在旋轉的位置會形成空洞。一旦樣品遠離轉子，樣品不能及時恢複，就會在轉子附近產生空隙。此時粘度值會迅速下降，無法記錄準確的數據。選擇合適的轉子和儀器可以解決這個問題：RST係列流變儀（圖2）具有控製剪切率和剪切應力兩種模式，尤其適合於測量非牛頓流體在穩態流動下的粘度、流變曲線等特性。另外，它還可以測量非穩態剪切流動和蠕變狀態下的粘彈性，以及測出屈服應力和觸變性特性。在質量控製和研發領域均可進行較好的流變分析，常常用於奶製品、調味品、果醬、巧克力、凝膠等。

圖2：RST係列流變儀

圖3展示了傳統黃油和易塗抹型黃油的屈服應力測試曲線圖。因為轉子在相同速率下旋轉受到不同的阻力，所以流動開始後曲線的斜率可以表示樣品各自的粘度。相同的測試可以用於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品。黃油的行為表現為在屈服應力點附近為漸進式的變化，而人造黃油在開始流動後應力值急劇下降。這反映了人造黃油的結構更脆弱，一旦開始流動，人造黃油的塗抹阻力更小。1號黃油比2號黃油的屈服應力和粘度值高，表示其品牌可能更優。

此外，Brookfield有多款不同型號的衛生級彆的在線粘度計，例如STT- 100和FAST-102等（圖5），專為食品加工連續、準確和實時測量而設計。在番茄、調味料湯料、醬油、巧克力和果汁等加工業有助於確保產品控製適當的粘度，減少批次差錯，並確保後續產品的品質一致性。它將替代老的手工方法，提供更可靠和連續的流程測量。

三、食品的質構與感官分析

傳統的食品質構及其表現狀態用感官檢驗來評價，感官分析實質上是以人作為“儀器”測量產品的感官特性，對產品的質地特性（如軟硬等）可以通過一定的感官分析方法用人來測量。口嘗就是一個複雜的流變過程，咀嚼包括磨、剪、擠壓、壓縮、拉伸等物理過程。食品質構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地剖麵特性等，這些質構的變化會引起材料流變特性的變化。質構特性是消費者評價食品質量重要的特征之一，特彆是對消費量越來越大的沙司、調味醬、奶酪、塗抹料和冰淇淋等半固態食品顯得更為重要。通過儀器測試可以反映食品的質量，並可避免感官品嘗中主觀的影響。

Brookfield CT3 和CTX質構儀（下圖）有多種量程可選，量程從100g到100kg，可對廣泛的產品進行多種特性的測試，比如硬度、嫩度、脆性、膠粘性、粘牙性、回複性、彈性、凝膠強度、剝離強度、拉伸強度、斷裂強度等。儀器儀器可以單機操作，也可以與電腦聯機使用Texture Pro軟件操作、分析。

CTX質構儀                                                  CT3質構儀

冰淇淋是由脂肪、乳固體、穩定劑、乳化劑、甜味劑製成的產品，這些成分保證了冰淇淋的口感，穩定持水量，防止水分與其他成分分離，形成冰結晶，使冰淇淋的口感變得粗糙。由於原料的選擇和成分配比都會對冰淇淋的品質產生影響，為了滿足消費者，促使重複購買，在產品質量控製和產品開發的過程中用標準的評估方法進行測試。質構儀用一個錐形探頭測量冰淇淋的硬度，保證產品穩定性。測量可以使用圖7 的夾具配合錐形探頭以1mm/sec的速率進入測試材料的容器來完成。儀器根據時間和位移，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。

圖7：CTX + STF塗抹性測試夾具

圖8展示了同品牌冰淇淋的兩批次產品測試數據圖。峰值表示樣品的硬度，這個值表示勺子進入冰淇淋所需要的力。負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。負值峰下方的區域是探頭從冰淇淋收回時克服粘性所作的功。

食品質構是複雜、多維的特性綜合，儀器的測量數據可以比傳統的感官評價提供更多的定量選擇。質構分析可以是視為一項客觀定量的主觀評價質構特性的實用科學。對主觀特性的儀器測量可以對產品質量提供在生產中的客觀測量，使生產品質的一貫性得到保證，減少產品的不合格率。

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**的重要成分，既是食品中某些物質的溶劑和載體，又是維持食品生物功能、保持其感觀質量和食用品質的基本條件，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，影響膠體狀態的形成和穩定。控製食品水分的含量，可防止食品的**變質和營養成分的水解，能有效地掌握食品的基礎數據，有助於優化食品加工工藝流程選擇以及確定工藝參數，並控製*終的產品質量，同時增加其他測定項目數據的可比性。

Brookfield Computrac Vapor Pro XL 微量水分測定儀采用水分感應器技術，無需使用對人體及汙染環境的有害的卡氏化學試劑，操作簡單，在5-10分鐘內得出檢測結果，縮短了測試時間；測量精度達0.1ug，其結果優於烘箱法及卡氏法，提升了測量**度。另外，儀器運行成本低，可為企業節省大量資金。

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製的準確度，操作簡單，可在5-10分鐘內完成測試。相對於傳統烘箱乾燥法，大大提高了測試效率以及測量結果準確性。

四、粉末樣品的流動性分析

粉末食品，如奶粉、奶茶、麵粉、糖、植脂末、咖啡、可可粉、各類食品添加劑等粉體物料，食品產業的配方工程師由於各種原因創造新配方，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可加工性，而其他可能是生產商為了產品**使用了其他原料。R&D的任務是確保新的食品配方在按比例增加的大規模生產時依然可行有效。利用重力作用通過料鬥能夠穩定卸料是一個主要挑戰。

標準的測試方法操作簡單，但可惜結果是不準確的。使用Flodex杯測試、休止角的測量以及敲擊試驗等，這些測試都冇有測試粉體影響流動行為的關鍵參數。由於粉體自身重量在容器中的固結是決定粉體是否流動的基本參數，需要測試的是當粉末從料鬥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更合適的方法工具，參閱圖10。

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、時間固結流動函數、壁麵摩擦測試、鬆裝密度曲線，對粉體的流動性進行研究，從而指導粉體產品工在藝配方的研發和質量檢測，確保樣品具有良好的流動性，並針對料鬥、料倉和輸送設備的設計給出參考依據。

對於食品業的奶粉、奶茶、麵粉、糖、植脂末、咖啡等粉體物料的流動性，以及和流動性相關的粒徑大小、含水量、溫度、流動性添加劑、時間固結等因素對流動性的函數做出定量的測量，進行數據比較和分類，對產品的配方和研發、產品質量控製都可以提供重要的定量數據。

小結

食品工業在整個工業中占著舉足輕重的地位。近年來，食品消費需求由追求數量向質量轉化，健康**、營養多樣、食品功能化等新需求促進了食品技術的發展進步，對食品品質要求的提高也帶動了食品流變、質構感官以及粉體流動性研究。在這個大背景下，流變儀、質構儀、水分儀以及粉體流動測試儀等儀器在食品工業中發揮的作用也將愈加凸顯。

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