應(yīng)用故事 | 食品行業(yè)非均相體系的流變測(cè)試：鮮燉燕窩

流變測(cè)試在均相體系上能夠相對(duì)容易得到重復(fù)性?xún)?yōu)異的結(jié)果，但食品行業(yè)往往都不是這種均相體系。例如燕窩、含果粒的飲料、醪糟、辣椒醬等等，都含有大量形狀極其不規(guī)則的固形物，這些固形物之間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚纏繞等各種相互作用，即便是同一批次，在不同的位置，固形物之間的互相作用也不相同。因此該類(lèi)樣品在流變測(cè)試中，并不是符合層流流動(dòng)模型的，對(duì)于這樣的樣品，我們可以通過(guò)槳式轉(zhuǎn)子來(lái)對(duì)樣品的流變特性進(jìn)行相對(duì)的評(píng)估。

圖1 高固含量體系可流動(dòng)食品

食品樣品本身的不均勻性，導(dǎo)致了流變測(cè)試的重復(fù)性往往不夠理想，想要通過(guò)這樣定量的方法檢測(cè)食品流變相關(guān)的性質(zhì)，摸索制定能夠穩(wěn)定重復(fù)測(cè)試的條件至關(guān)重要。

“稠度"是鮮燉燕窩的一個(gè)重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然而這是一個(gè)具有非常主觀性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，它評(píng)判著燕窩的燉煮程度以及后期消費(fèi)者食用時(shí)的口感感受。目前并沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的定量判定標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠人的主觀判斷來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分級(jí)，這樣的分級(jí)方式往往會(huì)受到各種人為主觀因素的影響，甚至檢驗(yàn)人員的心情也會(huì)直接對(duì)分級(jí)判斷產(chǎn)生較大影響，因此是否能夠有一種定量化的方法，能夠通過(guò)具有一定物理意義的值來(lái)穩(wěn)定地評(píng)價(jià)稠度這個(gè)概念呢？

稠度從字面意思來(lái)看就是粘稠程度，粘稠程度從我們流變的角度來(lái)看其實(shí)就是黏度。那么如果我們能夠穩(wěn)定重復(fù)測(cè)出鮮燉燕窩的黏度，不就可以通過(guò)黏度這個(gè)物理概念來(lái)對(duì)每一批次燕窩的稠度進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)了嗎？

圖2是某款市售的瓶裝鮮燉燕窩，通過(guò)流變儀測(cè)試鮮燉燕窩的黏度可以來(lái)評(píng)價(jià)稠度，那對(duì)于這樣的含有大顆粒的非均相體系的黏度我們?cè)撨x用什么樣的夾具來(lái)進(jìn)行測(cè)試呢？

圖2 市售瓶裝鮮燉燕窩

• 平行板/椎板，通常用來(lái)測(cè)試均相液體以及粒徑不太大的均勻混懸液，顆粒粒徑需要小于最小間隙的10倍以上。鮮燉燕窩，不合適。

• 同軸圓筒，通常用來(lái)測(cè)試黏度較低的稀溶液，間隙較大，可以做一些粒徑稍大的混懸體系，但對(duì)于燕窩這種吸水后溶脹成大顆粒的體系，不合適。

• 槳式圓筒，通常用來(lái)測(cè)試含有更大顆粒尺寸的體系，例如砂漿等。但標(biāo)準(zhǔn)尺寸的槳式轉(zhuǎn)子和圓筒的間隙依然較小，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在狹小的縫隙里槳式的葉片可能將燕窩切斷，從而改變整體的結(jié)構(gòu)，這樣黏度會(huì)在測(cè)試過(guò)程中不斷發(fā)生變化無(wú)法穩(wěn)定，不合適。

可見(jiàn)，流變儀的基本轉(zhuǎn)子都不能夠很好的進(jìn)行測(cè)試。我們?cè)撛趺崔k呢？相比較而言，在上述幾種轉(zhuǎn)子中，槳式圓筒對(duì)于這種大顆粒脆弱體系是相對(duì)較好的一種測(cè)試夾具，但是存在破壞樣品結(jié)構(gòu)的可能。那么如果我們縮小槳式轉(zhuǎn)子的尺寸，把葉片縮短（小轉(zhuǎn)子配大圓筒），給予燕窩充分的流動(dòng)空間，就可能消除破壞樣品結(jié)構(gòu)的影響。因此最終我們選用標(biāo)準(zhǔn)25mm圓筒、14mm槳式轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度和25mm標(biāo)準(zhǔn)槳式轉(zhuǎn)子相同）來(lái)進(jìn)行測(cè)試，所用夾具以及樣品裝載如圖3所示。

圖3 鮮燉燕窩測(cè)試所用夾具及樣品裝載演示

測(cè)試夾具確定了，不同的裝樣手法（勺子挖??？直接倒？），不同的預(yù)操作（新開(kāi)瓶樣品直接加樣？攪拌后加樣？測(cè)試前進(jìn)行預(yù)剪切？）等等也會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

打開(kāi)一瓶燕窩，發(fā)現(xiàn)會(huì)有明顯的結(jié)塊現(xiàn)象，且結(jié)塊程度都不相同，因此測(cè)試前，用勺子模擬我們食用時(shí)的攪拌的動(dòng)作，使瓶中的燕窩均勻化，隨后倒入測(cè)試圓筒中。待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行流動(dòng)曲線(xiàn)的測(cè)試，結(jié)果如下圖4所示，對(duì)同一樣品進(jìn)行兩次取樣測(cè)試，驗(yàn)證重復(fù)性，從圖中明顯看出，兩次結(jié)果重復(fù)性并不好，但高速下黏度基本重合，說(shuō)明如果不對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，燕窩內(nèi)部存在大量不同的締合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確穩(wěn)定測(cè)得流質(zhì)狀態(tài)燕窩的黏度。

圖4 未作預(yù)處理剪切速率掃描（流動(dòng)曲線(xiàn)）測(cè)試結(jié)果

重新調(diào)整測(cè)試操作，同樣通過(guò)手動(dòng)攪拌后倒入樣品，在測(cè)試前加入一段高速的預(yù)剪切操作（50s^-1，30s），使樣品均勻化，隨后進(jìn)行剪切速率掃描，兩次分別取樣進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證，得到如下圖5的結(jié)果，重復(fù)性?xún)?yōu)異。從流動(dòng)曲線(xiàn)結(jié)果上看，鮮燉燕窩屬于剪切變稀的非牛頓流體，這種較高濃度的固液混懸液在旋轉(zhuǎn)剪切力的作用下，燕窩固態(tài)組分隨著剪切作用方向取向排列，糾纏摩擦阻力降低，從而體現(xiàn)黏度隨著剪切速率的增加而降低。

圖5 預(yù)處理后剪切速率掃描（流動(dòng)曲線(xiàn)）測(cè)試結(jié)果

確定測(cè)試條件后，對(duì)3個(gè)批次不同稠度等級(jí)的樣品進(jìn)行剪切速率掃描對(duì)比，其流動(dòng)曲線(xiàn)如下圖6所示，2#、3#樣品稠度評(píng)級(jí)為B，其流動(dòng)曲線(xiàn)也基本一致，1#評(píng)級(jí)為B-，在流動(dòng)曲線(xiàn)上整體黏度偏低。通過(guò)流變學(xué)的手段得到的結(jié)果和人為主觀的評(píng)級(jí)結(jié)果能夠保持一定的一致性，因此以后在稠度的評(píng)價(jià)上可以考慮通過(guò)流變測(cè)試來(lái)減少人工評(píng)判的誤差。

圖6 不同稠度評(píng)級(jí)燕窩的流動(dòng)曲線(xiàn)

上述的流動(dòng)曲線(xiàn)看的是整體剪切速率范圍內(nèi)的黏度變化，只能間接的通過(guò)流動(dòng)曲線(xiàn)位置的相對(duì)高低來(lái)進(jìn)行平行比較哪個(gè)樣品的黏度高一些，稠一些。但對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)檢來(lái)說(shuō)，我們還是需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)黏度在什么樣的范圍內(nèi)屬于什么級(jí)別。一般消費(fèi)者在食用鮮燉燕窩時(shí)，都會(huì)使用勺子邊攪邊吃，這個(gè)攪拌的過(guò)程剪切速率大概就在20-50s^-1。那么一個(gè)我們可以從上面流動(dòng)曲線(xiàn)上讀取某個(gè)固定剪切速率處的黏度來(lái)進(jìn)行判定(例如30s^-1);另一個(gè)我們可以直接對(duì)燕窩進(jìn)行單一剪切速率掃描，只看某一規(guī)定剪切速率下的黏度，如下圖7所示，左圖是50s^-1下的黏度，右圖是30s^-1下的黏度。結(jié)果和圖6的流動(dòng)曲線(xiàn)一致，評(píng)級(jí)為B-的1#樣品黏度較低。

圖7 不同稠度評(píng)級(jí)燕窩的單一剪切速率掃描

（左50s^-1；右30s^-1）

根據(jù)流變的測(cè)試，我們就可以制定一系列的黏度閾值標(biāo)準(zhǔn)，如下圖8的示例所示，就可以快速對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試評(píng)級(jí)。

圖8 產(chǎn)品評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)模擬

本文通過(guò)鮮燉燕窩的實(shí)例，給食品行業(yè)提供了一些思路，如何通過(guò)現(xiàn)有的流變學(xué)測(cè)試手段，定量化人為主觀的評(píng)級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)具有一定物理意義的值來(lái)量化原本通過(guò)“望聞問(wèn)切"這些主觀手法的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

本文測(cè)量的燕窩是通過(guò)黏度來(lái)判斷，類(lèi)似的產(chǎn)品還有果粒飲料類(lèi)、銀耳羹湯類(lèi)等等。除此以外，屈服應(yīng)力可以來(lái)評(píng)判番茄醬、花生醬等涂抹醬類(lèi)的易抹性、停留性；模量可以評(píng)價(jià)巧克力、軟糖的口感等等。很多原先通過(guò)人力來(lái)主觀評(píng)價(jià)的指標(biāo)都是可以進(jìn)行量化的，本文僅作為拋磚引玉，期待各行各業(yè)的專(zhuān)家們一同制定出更多更好的定量化測(cè)試方法，以豐富食品行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)的食品安全質(zhì)量事業(yè)做出一份貢獻(xiàn)。

作者

楊陽(yáng)

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室