質(zhì)構(gòu)儀在食品研究中的應(yīng)用

在整個加工過程中，食品行業(yè)的質(zhì)量結(jié)構(gòu)起到了重要作用，。首先,質(zhì)構(gòu)特性影響消費(fèi)者的決策,進(jìn)而影響到該產(chǎn)品在市場中的銷售情況。其次,質(zhì)構(gòu)特性在一定的條件下,能很好的體現(xiàn)產(chǎn)品特性,而產(chǎn)品特性的測定又是產(chǎn)品研發(fā)過程的一個重要環(huán)節(jié)。再次,在生產(chǎn)線的質(zhì)量控制過程中,質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)值為其提供可靠的依據(jù)。最后,質(zhì)構(gòu)貫穿的以上三個環(huán)節(jié)與生產(chǎn)形成了一條目的鮮明、工藝優(yōu)化、品質(zhì)保證的高效產(chǎn)業(yè)鏈。因此,質(zhì)構(gòu)的測定在食品工業(yè)中產(chǎn)品的開發(fā)、改良,成本降低,品質(zhì)檢驗和工藝優(yōu)化方面具有重要的地位。食品的品質(zhì)因素分為色、香、味、形和營養(yǎng)價值五大部分,其中前四者又構(gòu)成了我們?nèi)粘５母泄倨焚|(zhì)因素。形作為五大因素之一,又以質(zhì)構(gòu)特性在食品體系中表現(xiàn)出來。質(zhì)構(gòu)特性的檢測手段分為感官檢驗、生理學(xué)方法檢驗和儀器測定。近年來,儀器測定在國內(nèi)快速的發(fā)展,特別是英國StableMicroSystems公司生產(chǎn)的TA-XT系列物性分析儀擁有巨大的市場空間,因此本文主要以TA-XT系列物性分析儀為基礎(chǔ),對其在食品研究中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。1測量和制造的原則和方法1.1傳感器觸發(fā)力質(zhì)構(gòu)儀又稱物性儀,通過模擬人的觸覺來檢測樣品物理特征的一種儀器。它的主要結(jié)構(gòu)就是能夠使物體產(chǎn)生形變的機(jī)械裝置,在這種裝置上安裝各種極為靈敏的傳感器,在計算機(jī)程序設(shè)定的速度下,機(jī)械裝置上下移動,當(dāng)傳感器與樣品接觸達(dá)到觸發(fā)力(triggerforce)時,計算機(jī)開始根據(jù)力學(xué)、時間和形變之間的關(guān)系繪制曲線。由于傳感器是在設(shè)定的速度向樣品勻速移動,因此,橫坐標(biāo)時間和距離可以自動轉(zhuǎn)換,并可以進(jìn)一步計算出被測物體的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。1.2測量模式的選擇1.2.1質(zhì)構(gòu)剖面分析TPA全稱為textureprofileanalysis,即質(zhì)構(gòu)剖面分析。TPA測試又稱兩次咀嚼性測試,主要是模擬人口腔運(yùn)動,對固體或半固體進(jìn)行兩次壓縮,描繪出力-時間的關(guān)系曲線。1.2.2張力拉伸的測定在測定模式中,TPA因其測試結(jié)果的完整性是應(yīng)用最為廣泛的一種模式。然而,針對不同的測試樣品,實驗者還可以有針對性地選擇測定模式,例如以胡克定律為基礎(chǔ)來檢驗樣品張力的拉伸測試;針對如乳制品、酒類、漿類等一些流體、半流體物質(zhì)的稠度測試;用于區(qū)別微觀結(jié)構(gòu)變化的測度測試,這類測試主要應(yīng)用于油炸、膨化等手段加工的具有酥脆性的食品;除以上模式外,還有剪切、穿刺、擠壓等測試方式。這些模式通過力、時間和距離的關(guān)系曲線體現(xiàn)出力學(xué)與形變的關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)出形變在物理性質(zhì)中的代表意義。2質(zhì)構(gòu)的起源和發(fā)展質(zhì)構(gòu)的起源要追溯到17世紀(jì),RobertHooke和IsaacNewton分別闡述了固體彈性形變原理和簡單的液體流動定律,進(jìn)而形成了胡克定律和牛頓力學(xué)。同時,這兩種定律也成為了質(zhì)構(gòu)研究的基礎(chǔ),盡管當(dāng)時還沒能專門應(yīng)用到食品領(lǐng)域。但是到了1861年,德國人Lipowitz設(shè)計出世界上第一臺用于測定膠狀食品穩(wěn)定程度的質(zhì)構(gòu)儀。隨后,世界研究學(xué)者對于質(zhì)構(gòu)儀開始了長達(dá)一個半世紀(jì)的探索研究。19世紀(jì),先后有Babcock發(fā)明了用于測試牛奶和冰激凌的粘性的儀器;Hogarth發(fā)明了測試面團(tuán)堅硬性的裝置獲得了專利;Wood和Parsons又發(fā)明了用于檢測黃油硬度的探針等。19世紀(jì)的研究進(jìn)展為以后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì),德國則發(fā)明了測試面團(tuán)流變性的一系列測試儀。并且在這之后,研究者對于膠體的測定也逐步趨于完善,儀器設(shè)備也趨于多樣化。質(zhì)構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展比較晚,20世紀(jì),我國才出現(xiàn)了《食品流變學(xué)》這門課程。主要的著作有李里特、李云飛、屠康三人分別編著的《食品物性學(xué)》。許多學(xué)者在物性理論的基礎(chǔ)上,運(yùn)用質(zhì)構(gòu)儀分別在谷物、乳品、果蔬和肉制品品質(zhì)評價上進(jìn)行研究。2.1質(zhì)構(gòu)特性對饅頭品質(zhì)的影響谷物是人類生存的主要能量來源,其種類繁多,其品質(zhì)一直是研究者關(guān)注的話題。小麥?zhǔn)且环N非常重要的谷類食物,產(chǎn)量僅次于玉米,排名世界第二,是我國北方主要糧食作物,具有極其重要的經(jīng)濟(jì)地位。經(jīng)過長期的發(fā)展,人們利用小麥粉制做出各種嗜好性、消化吸收性和商品價值性完全不同的食品,例如包子、餃子、面條、蛋卷、饅頭、餅干等多種食品。近幾年來,我國小麥及其制品品質(zhì)的研究者主要將質(zhì)構(gòu)儀運(yùn)用到品質(zhì)控制和工藝處理過程中。在品質(zhì)控制過程中,質(zhì)構(gòu)儀所測定的面團(tuán)的流變性及面制品的硬度、黏聚性、彈性等參數(shù)指標(biāo)作為主要的評價依據(jù),對小麥及其制品進(jìn)行判斷。例如雷激等人研究了16種品質(zhì)差異較大的小麥品種作為原料的面條品質(zhì),其中TPA模式檢測得出硬度和膠著性對表觀狀態(tài)和適口性都呈顯著相關(guān),彈性和面條的粘性呈負(fù)相關(guān)。李夢琴等人把質(zhì)構(gòu)特性作為與速凍水餃品質(zhì)相關(guān)的一個因素進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)面團(tuán)流變性對速凍水餃的影響較大。姜松等構(gòu)建了掛面彎曲折斷率質(zhì)構(gòu)儀測定方法。蘭靜等人建立了餃子的標(biāo)準(zhǔn)化實驗室制作及品質(zhì)評價方法。此外,在小麥及其制品的工藝處理過程中,丁長河等人用質(zhì)構(gòu)的方法對傳統(tǒng)的酵頭饅頭進(jìn)行測試,與工業(yè)化生產(chǎn)的饅頭相比較,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝制作的產(chǎn)品咀嚼性和凝聚性比較高,但是彈性上無太大差別。王宇偉等用TA-XT2質(zhì)構(gòu)儀對小麥粉擠壓膨化食品進(jìn)行了質(zhì)構(gòu)分析。通過統(tǒng)計計算發(fā)現(xiàn),單片、兩片紋路90°交錯、兩片紋路縱向重疊三種擠壓膨化的方法中,單片測試結(jié)果相對較好。另外,楊愛華、張清、何雅薔、張立、吉武科、陳海華和李國強(qiáng)等人分別研究PGA添加量、VC、單寧酸、可得然膠、木聚糖酶對面團(tuán)及其制品的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),這些面粉中的添加劑對面團(tuán)的穩(wěn)定時間以及制品的質(zhì)構(gòu)特性都具有顯著性影響。2.2確定糖質(zhì)構(gòu)特性近幾年來,越來越多的研究者和工業(yè)生產(chǎn)者運(yùn)用質(zhì)構(gòu)參數(shù)來控制乳制品的品質(zhì)。據(jù)了解如伊利、蒙牛等國內(nèi)大型的乳制品企業(yè)已經(jīng)建立了一套適合自身的物性檢測系統(tǒng)。在國內(nèi),質(zhì)構(gòu)儀主要被研究者應(yīng)用于奶酪、冰激凌、奶油以及酸奶等乳制品品質(zhì)評價中。屠康等人通過對市場上比較常見的幾種干酪進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析,并且在實驗中由于干酪有硬質(zhì)和軟質(zhì)之分,所以設(shè)定的參數(shù)也不同。最終發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)較低的硬質(zhì)干酪其彈性、膠著性和咀嚼性都比較好。郭媛等人對六種干酪進(jìn)行了TPA檢測,發(fā)現(xiàn)干酪的參數(shù)通過檢驗都存在差異,其中硬度存在顯著差異。董晶瑩等人研究了不同體細(xì)胞原料乳對Mozzarella干酪特性的影響。冰激凌作為夏季中最受歡迎的乳品之一,對于其品質(zhì)的研究也就顯得尤為重要。錢鐳采用質(zhì)構(gòu)對不同種類的冰激凌品質(zhì)進(jìn)行了分析,最后發(fā)現(xiàn)冰激凌中的脂肪含量、甜味素種類和乳化劑用量都會影響其品質(zhì)。隨著脂肪含量的增加,冰激凌的凝聚性和粘附性增加,同時也隨著乳化劑用量的增加而增加;但硬度和咀嚼性隨著乳化劑的增加而降低;三種甜味劑分別對一些參數(shù)值有影響。崔旭海等人通過質(zhì)構(gòu)儀分析了自由基氧化的乳清蛋白在冰淇淋中的應(yīng)用所引起的變化。質(zhì)構(gòu)儀除了應(yīng)用于干酪和冰激凌中,李赟高等人研究谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶在改善酸奶質(zhì)構(gòu)特性中的作用。趙紅玲等人把質(zhì)構(gòu)作為模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法之中的一個指標(biāo)參數(shù),為各個指標(biāo)配以權(quán)重,結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法對酸奶進(jìn)行等級劃分。同年趙紅玲等人又發(fā)表了羧甲基纖維素鈉(CMC)對攪拌型酸奶結(jié)構(gòu)特性影響的初步研究一文,文中提到CMC的添加量與酸奶的表觀粘度呈正相關(guān)。此外,王琳等人通過質(zhì)構(gòu)分析研究了大豆蛋白和酪蛋白比例對攪打稀奶油穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明:大豆蛋白比例的增大能增加界面膜的粘彈性,抑制脂肪球的部分聚結(jié),提高泡沫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,當(dāng)大豆蛋白與酪蛋白比例為4∶1時,攪打稀奶油可以獲得最佳的穩(wěn)定性。綜上所述,質(zhì)構(gòu)儀不僅能幫助改善產(chǎn)品工藝,而且在品質(zhì)評價中也是一種良好的判斷手段。2.3質(zhì)構(gòu)特性的研究肉制品是一種高脂肪、高蛋白的食品,在人們的生活中必不可少。由于人們生活質(zhì)量的提高,肉制品的質(zhì)量檢測急需要加強(qiáng)。因此在肉制品的質(zhì)構(gòu)檢測中,研究者們也做了大量的工作。羅飛用TPA模式測定不同類型火腿腸的質(zhì)構(gòu)特性,文章設(shè)定的參數(shù)為:測試前速度2mm/s;測試速度10mm/s;測試后速度10mm/s;時間間隔5s;壓縮比率40%;探頭:P、50,在硬度、彈性和咀嚼性等方面得出結(jié)論。乳化性火腿腸的硬度比較小,但具有比較好的彈性,并且火腿腸的硬度和咀嚼性呈線性關(guān)系。丁武通過穿刺實驗發(fā)現(xiàn),肉制品的嫩度可以由實驗中的第一個峰值進(jìn)行量化表示,這樣使得肉制品的檢測更加準(zhǔn)確和方便。阮征等人以質(zhì)構(gòu)參數(shù)作為指標(biāo),優(yōu)化了羅非魚的超高壓凝膠化工藝,發(fā)現(xiàn)不同的處理條件對凝膠的質(zhì)構(gòu)有不同的影響:加壓壓力對回復(fù)性和內(nèi)聚性的影響最大;加熱配合對咀嚼性的影響最大。戴志遠(yuǎn)等人研究了在不同凍藏條件下養(yǎng)殖大黃花魚魚肉的質(zhì)構(gòu)變化,文中通過采用質(zhì)構(gòu)儀對-18℃和-50℃儲藏條件下的養(yǎng)殖大黃花魚進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定,得出隨著冷凍儲藏時間的延長,養(yǎng)殖大黃花魚的硬度、黏附性、彈性、咀嚼性、膠粘性和回復(fù)性等水平明顯下降。郝紅濤等人在對肉類制品的質(zhì)構(gòu)特性的研究中提出了質(zhì)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的必要性,以及建議質(zhì)構(gòu)指標(biāo)取代感官指標(biāo)指導(dǎo)肉制品的研發(fā)工作。李應(yīng)華等用質(zhì)構(gòu)儀對3種加入不同變性淀粉的紅腸進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)利用變性淀粉生產(chǎn)紅腸可明顯提高紅腸的彈性和黏聚性,降低硬度和咀嚼性,對紅腸的物性特性有明顯改善。綜合彈性、黏聚性、硬度和咀嚼性4方面的因素,變性淀粉添加量以10%為最優(yōu)。由以上研究發(fā)現(xiàn),肉類制品中由于不同的處理方式以及加工過程導(dǎo)致其最終質(zhì)構(gòu)特性存在明顯的差異。反之,由于質(zhì)構(gòu)差異的存在成為了判斷肉類制品的處理方式、加工過程或者儲存環(huán)節(jié)中存在何種問題的一種手段。2.4質(zhì)構(gòu)特性的變化季節(jié)性和儲藏期對果蔬都有著明顯的影響,而且對特殊人群,果蔬的質(zhì)地特別會影響其銷量。姜松等對蘋果整果進(jìn)行了TPA實驗,用正交實驗分析了變形速度、壓縮變形量和間隔時間對實驗結(jié)果的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):變形量對硬度、彈性影響極為顯著;壓縮速率對回復(fù)性影響顯著。潘秀娟用同樣的方法對采后蘋果的質(zhì)地進(jìn)行分析。結(jié)果表明:果肉黏著性和其他質(zhì)地參數(shù)呈負(fù)相關(guān);凝聚性和其他參數(shù)指標(biāo)呈正相關(guān);彈性與其他參數(shù)指標(biāo)相關(guān)性較差;除了彈性和黏著性,回復(fù)性和其他參數(shù)指標(biāo)呈較好的正相關(guān)。通過對比發(fā)現(xiàn),嘎拉蘋果比紅富士蘋果更易出現(xiàn)軟綿的質(zhì)地特征。姜松用質(zhì)構(gòu)檢測的方法研究了水蜜桃在貯藏期間的質(zhì)地變化,其測試參數(shù)設(shè)定為:測試前速度=測試后速度=測試速度=1mm/s;壓縮程度為60%;時間間隔為5s。發(fā)現(xiàn)儲藏溫度對TPA的各項參數(shù)影響顯著,隨著儲藏時間延長,質(zhì)構(gòu)參數(shù)呈下降趨勢。并且8℃比0℃下降的速率更大。徐志斌等人用TPA模式測定采摘后的楊梅果實品質(zhì)的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn):隨著儲藏時間的延長,楊梅的硬度、凝聚性、咀嚼性和回復(fù)性都會發(fā)生明顯的下降。楊虎清等人用質(zhì)構(gòu)儀檢測作為六個衡量指標(biāo)之一,測定了“東魁”楊梅在減壓貯藏過程中硬度的變化情況,證實了減壓貯藏對楊梅的保鮮作用。綜上所述,大部分的研究者將質(zhì)構(gòu)檢驗應(yīng)用于觀察果蔬及其制品品質(zhì)在儲藏過程中的變化檢驗。儲藏是果蔬采后的一個重要環(huán)節(jié),然而質(zhì)構(gòu)的研究不僅僅局限于采后過程的變化,我國還缺乏質(zhì)構(gòu)特性與其他環(huán)節(jié)的聯(lián)系性的研究。例如,果蔬的生長期環(huán)境對其以后質(zhì)構(gòu)的影響;果蔬在處理過程中,工藝、方法對其制品質(zhì)構(gòu)的影響等,這些都有可能成為研究者未來的研究方向。3質(zhì)構(gòu)特性的研究是實在國內(nèi),質(zhì)構(gòu)儀在應(yīng)用過程中還存在著許多的不足之處。由于是從國外引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備,儀器本身是針對國外人們的食品檢驗需求而設(shè)計,在使用方面對中式食物的形狀和結(jié)構(gòu)針對性不是很強(qiáng),這就需要研究者從最基本的原理出發(fā),研發(fā)出適合中式食品的實驗方案及設(shè)備。另外,由于國內(nèi)研究缺乏系統(tǒng)化,多數(shù)只立足于某個產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性的測量與分析,或者研究者具有宏觀掌握的能力,但是缺乏將整體的思想細(xì)化。除以上缺點(diǎn)之外,質(zhì)構(gòu)研究與工業(yè)化生產(chǎn)相脫節(jié),忽略了研究的目的是為了指導(dǎo)實踐,以致不能良好的應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。解決以上問題的方法有很多,首先,研究者應(yīng)該從理論基礎(chǔ)開始,加強(qiáng)研究內(nèi)容的系統(tǒng)性。質(zhì)構(gòu)特性的研究建立在力學(xué)、流變學(xué)等的基礎(chǔ)之上,通過儀器來測定質(zhì)構(gòu)性質(zhì),除了應(yīng)該很好的了解食品本身的形變特性外,還需要詳細(xì)的了解儀器測定的基礎(chǔ)原理,只有掌握儀器測定的原理,才可以設(shè)計出合理的實驗方案,以及準(zhǔn)確控制實驗中的操作步驟,其中包括力學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)械能量定理、食品流變學(xué)、物性學(xué)等,基礎(chǔ)理論是一切知識的源頭,只有更好的掌握了基礎(chǔ)知識,才能將基礎(chǔ)質(zhì)構(gòu)特性細(xì)致化、深入化的研究下去。其次,明確研究的目的是為了指導(dǎo)實踐生產(chǎn)。長久以來理論指導(dǎo)實踐這一論調(diào)是毋庸置疑的,但是實踐生產(chǎn)中總會存在一些現(xiàn)有技術(shù)解決不了的問題,這樣就促使企業(yè)工廠去探索新的方法以控制或提高產(chǎn)率,質(zhì)構(gòu)檢測就是其中的一種方法。同時研究者還可以將質(zhì)構(gòu)儀測定出來的特性指標(biāo)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合,通過數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)產(chǎn)品的品質(zhì)判別。最后,從微觀角度出發(fā)研究宏觀變化,再由宏觀變化推導(dǎo)出微觀內(nèi)容的改變。例如由質(zhì)構(gòu)儀測定出的質(zhì)構(gòu)特性和食物營養(yǎng)成分之間是否存在相關(guān)性,甚至質(zhì)構(gòu)與分子水平之間是否存在一絲的關(guān)系,如果經(jīng)過證實存在相關(guān)性,那么研究者就可以從宏觀角度發(fā)掘出食品微觀成分的變化,從食品的整體質(zhì)構(gòu)體系出發(fā)尋求與其相關(guān)的