質構儀在食品分析與檢測中的應用

張秋會，宋蓮軍，黃現青，趙秋艷，崔文明，王 凡

（河南農業大學食品科學技術學院，河南鄭州 450002）

質構儀在食品分析與檢測中的應用

張秋會，宋蓮軍，黃現青，趙秋艷，崔文明，王 凡

（河南農業大學食品科學技術學院，河南鄭州 450002）

質構是食品感官品質評價中的重要指標之一。利用質構儀測定食品的質構具有客觀、靈敏、方便的優點。介紹了質構儀的工作原理、測試模式，及其在食品分析檢測中的應用，分析了在肉制品、面制品、果蔬制品等領域的應用趨勢。

食品；感官品質；質構；質構儀

民以食為天，食品的感官品質直接決定了消費者對食品的選擇。無論是食品企業新產品開發、品質控制，還是國家食品品質標準、食品的感官品質特性（色、香、味、形、構等）都是評價食品品質的重要指標[1-2]。其中，質構是食品感官品質評價中的重要依據。質構是描述食品結構的物理性質，是對食物口感的語言表達[3]。質構與食品的形態、化學組成[4-5]、外在作用力等性質有關。質構的分析與測定方法是傳統的感官評價方法。但是，感官評定存在著程序復雜、主觀性強、費時、誤差大、不穩定等缺點[1]，因此食品質構品質評價的客觀化、數字化已成為食品品質分析與檢測領域的研究方向[6]。

質構儀（Texture analyzer）又叫物性儀，可以對食品的物理特性進行客觀、精確的描述。隨著食品工業的發展，質構儀以其客觀、靈敏、方便等特點得到了廣泛應用[7]，尤其是在肉制品[8]、面制品[9-10]、豆制品[11]、果蔬制品[12]等領域。就質構儀的工作原理、測試模式及其在食品分析檢測中的應用和發展趨勢進行綜述。

1 質構儀簡介

20世紀初，食品品質客觀評價替代主觀評價的嘗試在科研領域展開。到了20世紀50年代，大型食品生產企業的發展需要促進了客觀數字化的品質管理技術的發展，質構儀應運而生，其中Stable micro systems的Texture analyser成為世界上食品物性測試儀的第一品牌。從此，質構儀在食品領域得到了廣泛應用[10]。

1.1 質構儀工作原理

質構儀有單臂型和雙臂型2種機型。機器結構上主要包括硬件和軟件，硬件主要是由主機、測試探頭和附件構成。簡單地說，質構儀包含一個能夠對物料產生作用力的機械裝置、一個樣品載物臺、一個數據記錄和分析系統[13]。質構儀主機與計算機相連，在測試過程中，軟件對作用力、時間、測試距離進行記錄和結果分析。測試結果反映的主要是食品質構特性，主要包括硬度、脆性、咀嚼性、回復性等[6]。測定結果客觀、靈敏，避免了人為感官評價的復雜、費時、誤差大、不穩定等缺點。

質構儀的工作原理是模擬人的觸感，分析檢測在力作用下食品物理性質的儀器。在主機的機械臂和測試探頭連接處有一個力量感應元，能夠感應食品物料對探頭的反作用力，并將這種力學信號傳遞給計算機，并轉變為數字記錄和圖形表示，快速直觀地描述樣品的受力情況。樣品測試之前，通過計算機程序控制，設計合適的機械臂移動速度，當傳感器與被測物體接觸達到設定觸發力或設定觸發深度時，計算機以設定的速度進行記錄，并在直角坐標系中繪圖表示，時間位移可以自由轉換，并可計算出被測物體的應力與應變關系[14-15]。

質構儀的測試探頭有多種，有錐形、柱形、針形、球形、盤形、咀嚼性探頭等，也有滿足特殊測試需求的延伸測試裝備、抗拉測試裝置、輕型刀片測試裝備等[14]，可以根據實際情況，考慮測試要求和要檢測的質構特性，選擇不同的測試探頭及測試附件。

1.2 質構儀測試模式

質構儀的測試動作主要包括壓縮模式（Compression）、TPA（Texture Profile Analysis） 描述性測試、穿刺實驗（Puncture&Penetration）、剪切測試（Cutting and Shearing）、抗破碎性測試（Fracture&Bending）、抗擠壓測試（Extrusion Forward&Backward）、拉伸試驗（Tension）、黏附性測試（Adhesion） 等 8 個方面[16]。

1.2.1 壓縮模式

壓縮模式較為常用的測試動作。一般選擇柱形探頭，要求測試樣品面積小于探頭面積，在一定壓縮比例情況下，測試食品的質構特性?？梢赃x擇壓縮模式來測定水果抗壓強度、糖果軟硬度測試、藥片硬度、蛋糕抗壓強度、火腿腸硬度、米面制品的黏硬比等。

90%壓縮比下大米的黏硬比見圖1。

圖1 90%壓縮比下大米的黏硬比

圖2 TPA測試參數示意

1.2.2 TPA

TPA測試也是較為常見的分析技術[17-18]，可以模擬單次咀嚼和多次咀嚼過程中的感官參數，柱形探頭、錐型探頭等是常用探頭。測試結果主要包括硬度、脆性、黏附性、彈性、內聚性、咀嚼性、回復性、黏連性、膠著性等[6]。

TPA測試參數示意見圖2。

硬度：硬度值指第1次穿沖樣品時的壓力峰值，硬度值不一定發生刺入的最深處，盡管對于大多數樣品情況如此。

脆性：不是所有的樣品都會脆性破裂，但當樣品發生脆裂時，脆性點出現在探頭第1次沖向樣品過程中坐標圖上的第1個明顯峰值處（這時壓力出現下降）。

黏附性：第1次咀嚼動作中負峰的面積，也就是克服樣品與探頭之間黏性作用所施用的功作為黏附性的量值。

內聚性：指樣品抵御第2次穿刺變形而相對于第1次探頭穿刺的程度，它的度量是第2次穿沖的用功面積除以第1次的用功面積的商值。

彈性：指產品本身在第1次穿刺過程中變形后的“彈回”程度，而這種“彈回”是在第2次穿刺時測量的，所以2次穿刺下壓動作的間歇時間十分重要，必須保證產品已“彈回”到最大限度，彈性度量有多種方法，但最具代表性的是第2次穿刺的測量高度同第1次測量的高度的商。

膠著性：用于半固體產品，其計算公式為硬度×內聚性。

咀嚼度：用于固體產品，其計算公式為膠著性×彈性。

回復性：其計算方法是在第1次穿刺中的“收回”階段的面積同下壓穿刺階段面積的商。回復性不是總通過TPA測試計算的，它可通過一次單獨的穿刺測試完成，但探頭“收回”速度必須同下壓穿刺速度相同。

黏連性：探頭與樣品直接壓力下降到0之后直至二者完全分離之間的移動位移。

1.2.3 剪切及穿刺測試

剪切測試用來測定肉類的韌度、蔬菜纖維的韌度，可以采用斜刀口探頭，或者配合樣品咬合輔助裝置，模擬牙齒咀嚼動作，獲得更多有關剪切的應力變化，有助于切割完全進行。也可選擇5支或10支刀片組合，測試定量不規則形狀顆粒樣品之剪切力及部分擠壓力，如炸雞塊、腌漬咸菜、水果、豆類等樣品的平均剪力。另外，如果需要考慮控制樣品的接觸面積，可以選擇細鋼絲完成切割和剪切，如在奶油的勻質性、豆腐的切割強度等方面可以采用。測定承受力較小的樣品時，可以選擇一種輕質刀具。測定較硬的樣品時，如干果類，可選擇刀具。

穿刺測試主要利用針狀探頭、錐狀探頭等測定夾心糖果的內容物特性、乳酪的硬度、粉餅的細度及脆性、凝膠強度、水果成熟度等。在此類測試中，樣品除受到擠壓的力以外還會產生剪切應力，對樣品產生不可復原的效果。

1.2.4 其他測試模式

破裂及折斷強度測試可以選擇三點式折斷裝置或脆片破碎支承裝置，測定火腿腸、巧克力、長面包、蔬菜新鮮度、香蕉的抗彎強度或餅干、薯片等樣品的易碎性。

擠壓測試包括正向擠壓和逆向擠壓2種。正向擠壓模擬生產中的灌漿動作，樣品在探頭擠壓作用下，從樣品槽底部小孔擠出，測定樣品的物理特性，可用于高稠度物質，如膠體、糊膏類、果蔬醬、粉體類等樣品的質構特性測試；逆向擠壓測試時，樣品置于樣品槽中，探頭擠壓入樣品，樣品沿著探頭擠動，觀察樣品的流動特性，可用于中稠度物質，如膠體、糊膏類、果蔬醬等樣品測試。

拉伸試驗，選擇不同的拉伸裝置測定意大利面條、中式面條、頭發、線、包裝紙、香腸、臘腸、底片、口香糖片等物料的抗拉伸能力。

拉伸裝置示意見圖3。

圖3 拉伸裝置示意

2 質構儀在食品分析與檢測中的應用

2.1 質構儀測試條件研究

質構儀能夠客觀準確測定各類食品的質構特性，但測試條件的不同，如樣品種類、規格、測試速度、壓縮比、探頭的選擇等因素對測定結果有較大影響。對不同食品質構特性測試條件的相關研究，為各類食品質構特性的分析和檢測奠定了基礎。

楊歡歡[19]研究了不同樣品規格、測試速度對低溫熏煮香腸的質構特性的影響，測試條件采用P50探頭，壓縮比75%。研究結果認為，樣品高度12 mm，樣品直徑在8～23 mm，測試速度0.5～1.0 mm/s時測定結果更為穩定。郝洪濤[20]系統研究了壓縮比對不同等級火腿腸質構特性的影響，測試探頭P50，測試速度0.8 mm/s，壓縮比30%～85%。研究結果認為，壓縮比75%是理想的火腿腸質構測試條件。

毛根武等人[21]對面包的質構特性測定方法進行了研究，測試條件采用P36探頭，壓縮比25%～50%，測試速度50～200 mm/min。在不同壓縮速度和壓縮條件下，面包的硬度值變異系數不同。認為壓縮速度為100 mm/min時，50%壓縮程度的面包硬度測定值的變異系數較小。楊瑞征等人[22]面包的質構特性測定方法進行了研究，認為在試驗范圍內面包片厚度、壓縮速度對面包硬度值沒有顯著影響。

毛根武等人[23]對米飯的質構特性測定方法進行了研究，測試條件質構測試的探頭分別選用P36，P0.5，P1SP等，測試速度為60 mm/min，壓縮比為50%。研究結果認為，探頭尺寸大小對質構測定值是否反映大米食味品質特征差異有較大的影響，建議P1SP更適合測定大米的質構特性。

王瑩鈺等人[24]研究了預處理工藝對香菇醬制作中香菇丁質構參數和感官評價的影響，通過香菇丁感官評分和質構特性指標間的相關性分析，確定了適宜的香菇丁尺寸100 mm×100 mm，香菇丁最佳質構測試條件為測試速率1.0 mm/s，壓縮形變量30%。

2.2 質構感官評定和質構儀測定間相關性研究

質構儀在食品加工與質量控制方面得到了廣泛應用。大量相關研究通過建立感官質構和儀器質構質變間的相關關系，為實現質構感官評定的客觀化奠定了基礎。郝洪濤[20]對火腿腸質構特性中硬度、脆性、黏著性、彈性、咀嚼性和內聚性的感官評分與質構值間相關性進行了研究，相關系數分別為0.981， 0.990，0.938，0.855，0.835 和 0.534（p＜0.01），利用儀器指標能夠很好的反映質構感官評分。Qingming LI等人[25]認為臘八豆質構特性的測定條件為探頭A/BE，測試速度1.0 mm/s，壓縮比70%，臘八豆的咀嚼性與感官評價硬度之間存在極顯著相關性（R2=0.92，p＜0.01）。陳德文等人[26]研究了米發糕的比容與其質構的相關性，認為米發糕的質構、比容和發酵時間三者之間均具有顯著相關性（p＜0.01），可以利用比容指標來判斷米發糕發酵完全與否。涂行浩等人[27]研究了瑪咖采后貯藏過程中質構與色澤變化，結果發現在4，20℃這2個貯藏溫度下，反映瑪咖表面色澤狀況的指標-顏色飽和度值與硬度、彈性呈極顯著正相關，與咀嚼度、凝聚性呈顯著正相關，但與黏附性呈顯著負相關。

食品的質構特性和其化學組成上也存在相關性。尹陽陽等人[4]研究了稻谷貯藏過程中巰基與質構特性的關系，發現稻谷在貯藏過程中硬度、黏度等質構特性和巰基含量存在顯著相關關系，為稻谷貯藏過程質量管控提供依據。蔣麗婷等人[5]研究了白腐乳質構與其成分相關性，認為硬度、內聚性與腐乳化學成分間都存在一定的相關性，其中硬度與水溶性蛋白的相關性最大（R2為0.920），內聚性與水分相關性最大（R2為0.960）。

2.3 質構儀在食品加工中的應用研究

質構儀在肉制品加工和品質控制研究中得到了廣泛應用，不僅用于生鮮肉的新鮮度評價、肉制品加工工藝合理性評價、肉制品品質評價，也用于肉制品品質改良[28]。常用探頭有柱形、球形、咀嚼性探頭等探頭和刀片測試裝置。常用的測試動作有TPA、剪切和穿刺模式。其中，剪切和穿刺試驗主要獲得肌肉嫩度的最常用方法[29]。TPA測試可以獲得肉制品的硬度、彈性、內聚性、咀嚼性等[3,6,19-20]質構特性。運用這3種方法，大量研究證明儀器質構和感官質構質間存在顯著相關關系[20]，并構建了主客觀質構值間的預測模型[30]。Ruiz H F[31]認為TPA比W-Z剪切力更能預測肉制品的多汁性、油膩感、硬度等質構特性。田曉靜等人[32]并采用主成分分析對不同新鮮度雞肉質地特性參數進行分析，認為采用質構儀實現雞肉新鮮度的快速檢測是可行的。李特[33]構建了雞肉彈性指標和揮發性鹽基總氮間的關系方程，實現了雞肉新鮮度理化指標的快速預測。有研究利用質構儀研究煙熏劑和煙熏工藝對肉制品質構特性的影響[34]，也有大量研究利用質構儀研究了添加輔料，如魔芋膠、磷酸鹽、變性淀粉、大豆蛋白等對肉制品質構特性的影響[1]。

質構儀在面制品加工與品質分析研究中，主要利用壓縮模式[22]、TPA[36]、拉伸、破碎、穿刺模式等測試動作進行測試。常用探頭主要有盤形、柱形、刀具、拉伸等裝置，以獲得面團的黏性、延展性、彈性、吹泡性、硬度、拉伸性等質構特性；焙烤制品的硬度、柔軟性、彈性、酥脆性、咀嚼性等特性[35]；面條的彈性、硬度、彎曲性、拉伸性等[36]。張浩等人[37]利用質構儀分析和測定小麥面筋的質構特性，結果表明面筋質構特性和面筋比延伸性、面筋指數等品質指標具有顯著相關性，認為采用質構儀測定面筋硬度作為小麥面筋強度的評價指標和餃子皮質構品質的預測指標具有可行性。李卓瓦等人[38]利用質構儀測定了80種面粉制成的面條的拉伸品質，認為拉伸試驗參數與面粉質量指標有很好的相關性。

質構儀在果蔬及其制品質構分析與測定研究中，可使用的模式有穿刺試驗、擠壓模式、剪切試驗、TPA、壓縮模式等[39]。大量研究表明，質構儀在果蔬制品的質量控制和品質評定方面發揮著重要意義[40-41]。應用領域包括蘋果[18]、香菇[24]、瑪咖[27]、黃瓜、楊梅、番木瓜、梨、葡萄[42]、香蕉[43]、荔枝[44]和胡蘿卜等果蔬制品。

3 結論與展望

質構儀實現了感官評價的客觀化，具有方便，快速、準確等特點，彌補了食品感官品質感官評定傳統方法的缺點，在食品分析和檢測中也得到了深入的應用。但值得注意的是，質構儀的應用也具有很多注意事項，比如：①機器測定的準確性，應該和感官評定結合起來進行評定；②各類食品質構測定方法的適宜性要進行研究，要考慮原料、工藝、包裝等外在因素；③質構測定時，探頭、測試模式、樣品規格、測試素等內在因素的選擇；④目前，國家標準和法規中并沒有質構標準。

因此，今后工作中要考慮質構儀測定食品質構特性的測定方法的構建，也要考慮來自不同測試對象的外在因素，建立規范化、標準化質構檢測流程和樣品預處理方法，輔助及替代感官評定，確保檢測結果的穩定性，在食品生產和品質檢測中進行客觀、全面而綜合的評價，提高對食品加工工藝與肉品質量的科學化管理水平。

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Implication of Texture Analyzer in Food Analysis and Detection

ZHANG Qiuhui，SONG Lianjun，HUANG Xianqing，ZHAO Qiuyan，CUI Wenming，WANG Fan
（College of Food Science and Technology，He'nan Agricultural University，Zhengzhou，He'nan 450002，China）

Texture is one of the important indexes in the evaluation of food sensory qualities.The texture of food is detected by texture analyzer with the objective，sensitive and convenient advantages.In this paper，the working principles，test modes，and the application in food analysis and detection of texture analyzer were introduced.The application trends in meat products，flour products，fruit and vegetable products of texture analyzer were analyzed.

food；sensory quality；texture；texture analyzer

TS207.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.12.042

1671-9646（2017） 12b-0052-05

2017-09-25

張秋會（1978— ），女，博士，副教授，研究方向為畜產品加工與質量安全控制。