质构仪在食品分析与检测中的应用

张秋会，宋莲军，黄现青，赵秋艳，崔文明，王 凡

（河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州 450002）

质构仪在食品分析与检测中的应用

张秋会，宋莲军，黄现青，赵秋艳，崔文明，王 凡

（河南农业大学食品科学技术学院，河南郑州 450002）

质构是食品感官品质评价中的重要指标之一。利用质构仪测定食品的质构具有客观、灵敏、方便的优点。介绍了质构仪的工作原理、测试模式，及其在食品分析检测中的应用，分析了在肉制品、面制品、果蔬制品等领域的应用趋势。

食品；感官品质；质构；质构仪

民以食为天，食品的感官品质直接决定了消费者对食品的选择。无论是食品企业新产品开发、品质控制，还是国家食品品质标准、食品的感官品质特性（色、香、味、形、构等）都是评价食品品质的重要指标[1-2]。其中，质构是食品感官品质评价中的重要依据。质构是描述食品结构的物理性质，是对食物口感的语言表达[3]。质构与食品的形态、化学组成[4-5]、外在作用力等性质有关。质构的分析与测定方法是传统的感官评价方法。但是，感官评定存在着程序复杂、主观性强、费时、误差大、不稳定等缺点[1]，因此食品质构品质评价的客观化、数字化已成为食品品质分析与检测领域的研究方向[6]。

质构仪（Texture analyzer）又叫物性仪，可以对食品的物理特性进行客观、精确的描述。随着食品工业的发展，质构仪以其客观、灵敏、方便等特点得到了广泛应用[7]，尤其是在肉制品[8]、面制品[9-10]、豆制品[11]、果蔬制品[12]等领域。就质构仪的工作原理、测试模式及其在食品分析检测中的应用和发展趋势进行综述。

1 质构仪简介

20世纪初，食品品质客观评价替代主观评价的尝试在科研领域展开。到了20世纪50年代，大型食品生产企业的发展需要促进了客观数字化的品质管理技术的发展，质构仪应运而生，其中Stable micro systems的Texture analyser成为世界上食品物性测试仪的第一品牌。从此，质构仪在食品领域得到了广泛应用[10]。

1.1 质构仪工作原理

质构仪有单臂型和双臂型2种机型。机器结构上主要包括硬件和软件，硬件主要是由主机、测试探头和附件构成。简单地说，质构仪包含一个能够对物料产生作用力的机械装置、一个样品载物台、一个数据记录和分析系统[13]。质构仪主机与计算机相连，在测试过程中，软件对作用力、时间、测试距离进行记录和结果分析。测试结果反映的主要是食品质构特性，主要包括硬度、脆性、咀嚼性、回复性等[6]。测定结果客观、灵敏，避免了人为感官评价的复杂、费时、误差大、不稳定等缺点。

质构仪的工作原理是模拟人的触感，分析检测在力作用下食品物理性质的仪器。在主机的机械臂和测试探头连接处有一个力量感应元，能够感应食品物料对探头的反作用力，并将这种力学信号传递给计算机，并转变为数字记录和图形表示，快速直观地描述样品的受力情况。样品测试之前，通过计算机程序控制，设计合适的机械臂移动速度，当传感器与被测物体接触达到设定触发力或设定触发深度时，计算机以设定的速度进行记录，并在直角坐标系中绘图表示，时间位移可以自由转换，并可计算出被测物体的应力与应变关系[14-15]。

质构仪的测试探头有多种，有锥形、柱形、针形、球形、盘形、咀嚼性探头等，也有满足特殊测试需求的延伸测试装备、抗拉测试装置、轻型刀片测试装备等[14]，可以根据实际情况，考虑测试要求和要检测的质构特性，选择不同的测试探头及测试附件。

1.2 质构仪测试模式

质构仪的测试动作主要包括压缩模式（Compression）、TPA（Texture Profile Analysis） 描述性测试、穿刺实验（Puncture&Penetration）、剪切测试（Cutting and Shearing）、抗破碎性测试（Fracture&Bending）、抗挤压测试（Extrusion Forward&Backward）、拉伸试验（Tension）、黏附性测试（Adhesion） 等 8 个方面[16]。

1.2.1 压缩模式

压缩模式较为常用的测试动作。一般选择柱形探头，要求测试样品面积小于探头面积，在一定压缩比例情况下，测试食品的质构特性。可以选择压缩模式来测定水果抗压强度、糖果软硬度测试、药片硬度、蛋糕抗压强度、火腿肠硬度、米面制品的黏硬比等。

90%压缩比下大米的黏硬比见图1。

图1 90%压缩比下大米的黏硬比

图2 TPA测试参数示意

1.2.2 TPA

TPA测试也是较为常见的分析技术[17-18]，可以模拟单次咀嚼和多次咀嚼过程中的感官参数，柱形探头、锥型探头等是常用探头。测试结果主要包括硬度、脆性、黏附性、弹性、内聚性、咀嚼性、回复性、黏连性、胶着性等[6]。

TPA测试参数示意见图2。

硬度：硬度值指第1次穿冲样品时的压力峰值，硬度值不一定发生刺入的最深处，尽管对于大多数样品情况如此。

脆性：不是所有的样品都会脆性破裂，但当样品发生脆裂时，脆性点出现在探头第1次冲向样品过程中坐标图上的第1个明显峰值处（这时压力出现下降）。

黏附性：第1次咀嚼动作中负峰的面积，也就是克服样品与探头之间黏性作用所施用的功作为黏附性的量值。

内聚性：指样品抵御第2次穿刺变形而相对于第1次探头穿刺的程度，它的度量是第2次穿冲的用功面积除以第1次的用功面积的商值。

弹性：指产品本身在第1次穿刺过程中变形后的“弹回”程度，而这种“弹回”是在第2次穿刺时测量的，所以2次穿刺下压动作的间歇时间十分重要，必须保证产品已“弹回”到最大限度，弹性度量有多种方法，但最具代表性的是第2次穿刺的测量高度同第1次测量的高度的商。

胶着性：用于半固体产品，其计算公式为硬度×内聚性。

咀嚼度：用于固体产品，其计算公式为胶着性×弹性。

回复性：其计算方法是在第1次穿刺中的“收回”阶段的面积同下压穿刺阶段面积的商。回复性不是总通过TPA测试计算的，它可通过一次单独的穿刺测试完成，但探头“收回”速度必须同下压穿刺速度相同。

黏连性：探头与样品直接压力下降到0之后直至二者完全分离之间的移动位移。

1.2.3 剪切及穿刺测试

剪切测试用来测定肉类的韧度、蔬菜纤维的韧度，可以采用斜刀口探头，或者配合样品咬合辅助装置，模拟牙齿咀嚼动作，获得更多有关剪切的应力变化，有助于切割完全进行。也可选择5支或10支刀片组合，测试定量不规则形状颗粒样品之剪切力及部分挤压力，如炸鸡块、腌渍咸菜、水果、豆类等样品的平均剪力。另外，如果需要考虑控制样品的接触面积，可以选择细钢丝完成切割和剪切，如在奶油的匀质性、豆腐的切割强度等方面可以采用。测定承受力较小的样品时，可以选择一种轻质刀具。测定较硬的样品时，如干果类，可选择刀具。

穿刺测试主要利用针状探头、锥状探头等测定夹心糖果的内容物特性、乳酪的硬度、粉饼的细度及脆性、凝胶强度、水果成熟度等。在此类测试中，样品除受到挤压的力以外还会产生剪切应力，对样品产生不可复原的效果。

1.2.4 其他测试模式

破裂及折断强度测试可以选择三点式折断装置或脆片破碎支承装置，测定火腿肠、巧克力、长面包、蔬菜新鲜度、香蕉的抗弯强度或饼干、薯片等样品的易碎性。

挤压测试包括正向挤压和逆向挤压2种。正向挤压模拟生产中的灌浆动作，样品在探头挤压作用下，从样品槽底部小孔挤出，测定样品的物理特性，可用于高稠度物质，如胶体、糊膏类、果蔬酱、粉体类等样品的质构特性测试；逆向挤压测试时，样品置于样品槽中，探头挤压入样品，样品沿着探头挤动，观察样品的流动特性，可用于中稠度物质，如胶体、糊膏类、果蔬酱等样品测试。

拉伸试验，选择不同的拉伸装置测定意大利面条、中式面条、头发、线、包装纸、香肠、腊肠、底片、口香糖片等物料的抗拉伸能力。

拉伸装置示意见图3。

图3 拉伸装置示意

2 质构仪在食品分析与检测中的应用

2.1 质构仪测试条件研究

质构仪能够客观准确测定各类食品的质构特性，但测试条件的不同，如样品种类、规格、测试速度、压缩比、探头的选择等因素对测定结果有较大影响。对不同食品质构特性测试条件的相关研究，为各类食品质构特性的分析和检测奠定了基础。

杨欢欢[19]研究了不同样品规格、测试速度对低温熏煮香肠的质构特性的影响，测试条件采用P50探头，压缩比75%。研究结果认为，样品高度12 mm，样品直径在8～23 mm，测试速度0.5～1.0 mm/s时测定结果更为稳定。郝洪涛[20]系统研究了压缩比对不同等级火腿肠质构特性的影响，测试探头P50，测试速度0.8 mm/s，压缩比30%～85%。研究结果认为，压缩比75%是理想的火腿肠质构测试条件。

毛根武等人[21]对面包的质构特性测定方法进行了研究，测试条件采用P36探头，压缩比25%～50%，测试速度50～200 mm/min。在不同压缩速度和压缩条件下，面包的硬度值变异系数不同。认为压缩速度为100 mm/min时，50%压缩程度的面包硬度测定值的变异系数较小。杨瑞征等人[22]面包的质构特性测定方法进行了研究，认为在试验范围内面包片厚度、压缩速度对面包硬度值没有显著影响。

毛根武等人[23]对米饭的质构特性测定方法进行了研究，测试条件质构测试的探头分别选用P36，P0.5，P1SP等，测试速度为60 mm/min，压缩比为50%。研究结果认为，探头尺寸大小对质构测定值是否反映大米食味品质特征差异有较大的影响，建议P1SP更适合测定大米的质构特性。

王莹钰等人[24]研究了预处理工艺对香菇酱制作中香菇丁质构参数和感官评价的影响，通过香菇丁感官评分和质构特性指标间的相关性分析，确定了适宜的香菇丁尺寸100 mm×100 mm，香菇丁最佳质构测试条件为测试速率1.0 mm/s，压缩形变量30%。

2.2 质构感官评定和质构仪测定间相关性研究

质构仪在食品加工与质量控制方面得到了广泛应用。大量相关研究通过建立感官质构和仪器质构质变间的相关关系，为实现质构感官评定的客观化奠定了基础。郝洪涛[20]对火腿肠质构特性中硬度、脆性、黏着性、弹性、咀嚼性和内聚性的感官评分与质构值间相关性进行了研究，相关系数分别为0.981， 0.990，0.938，0.855，0.835 和 0.534（p＜0.01），利用仪器指标能够很好的反映质构感官评分。Qingming LI等人[25]认为腊八豆质构特性的测定条件为探头A/BE，测试速度1.0 mm/s，压缩比70%，腊八豆的咀嚼性与感官评价硬度之间存在极显著相关性（R2=0.92，p＜0.01）。陈德文等人[26]研究了米发糕的比容与其质构的相关性，认为米发糕的质构、比容和发酵时间三者之间均具有显著相关性（p＜0.01），可以利用比容指标来判断米发糕发酵完全与否。涂行浩等人[27]研究了玛咖采后贮藏过程中质构与色泽变化，结果发现在4，20℃这2个贮藏温度下，反映玛咖表面色泽状况的指标-颜色饱和度值与硬度、弹性呈极显著正相关，与咀嚼度、凝聚性呈显著正相关，但与黏附性呈显著负相关。

食品的质构特性和其化学组成上也存在相关性。尹阳阳等人[4]研究了稻谷贮藏过程中巯基与质构特性的关系，发现稻谷在贮藏过程中硬度、黏度等质构特性和巯基含量存在显著相关关系，为稻谷贮藏过程质量管控提供依据。蒋丽婷等人[5]研究了白腐乳质构与其成分相关性，认为硬度、内聚性与腐乳化学成分间都存在一定的相关性，其中硬度与水溶性蛋白的相关性最大（R2为0.920），内聚性与水分相关性最大（R2为0.960）。

2.3 质构仪在食品加工中的应用研究

质构仪在肉制品加工和品质控制研究中得到了广泛应用，不仅用于生鲜肉的新鲜度评价、肉制品加工工艺合理性评价、肉制品品质评价，也用于肉制品品质改良[28]。常用探头有柱形、球形、咀嚼性探头等探头和刀片测试装置。常用的测试动作有TPA、剪切和穿刺模式。其中，剪切和穿刺试验主要获得肌肉嫩度的最常用方法[29]。TPA测试可以获得肉制品的硬度、弹性、内聚性、咀嚼性等[3,6,19-20]质构特性。运用这3种方法，大量研究证明仪器质构和感官质构质间存在显著相关关系[20]，并构建了主客观质构值间的预测模型[30]。Ruiz H F[31]认为TPA比W-Z剪切力更能预测肉制品的多汁性、油腻感、硬度等质构特性。田晓静等人[32]并采用主成分分析对不同新鲜度鸡肉质地特性参数进行分析，认为采用质构仪实现鸡肉新鲜度的快速检测是可行的。李特[33]构建了鸡肉弹性指标和挥发性盐基总氮间的关系方程，实现了鸡肉新鲜度理化指标的快速预测。有研究利用质构仪研究烟熏剂和烟熏工艺对肉制品质构特性的影响[34]，也有大量研究利用质构仪研究了添加辅料，如魔芋胶、磷酸盐、变性淀粉、大豆蛋白等对肉制品质构特性的影响[1]。

质构仪在面制品加工与品质分析研究中，主要利用压缩模式[22]、TPA[36]、拉伸、破碎、穿刺模式等测试动作进行测试。常用探头主要有盘形、柱形、刀具、拉伸等装置，以获得面团的黏性、延展性、弹性、吹泡性、硬度、拉伸性等质构特性；焙烤制品的硬度、柔软性、弹性、酥脆性、咀嚼性等特性[35]；面条的弹性、硬度、弯曲性、拉伸性等[36]。张浩等人[37]利用质构仪分析和测定小麦面筋的质构特性，结果表明面筋质构特性和面筋比延伸性、面筋指数等品质指标具有显著相关性，认为采用质构仪测定面筋硬度作为小麦面筋强度的评价指标和饺子皮质构品质的预测指标具有可行性。李卓瓦等人[38]利用质构仪测定了80种面粉制成的面条的拉伸品质，认为拉伸试验参数与面粉质量指标有很好的相关性。

质构仪在果蔬及其制品质构分析与测定研究中，可使用的模式有穿刺试验、挤压模式、剪切试验、TPA、压缩模式等[39]。大量研究表明，质构仪在果蔬制品的质量控制和品质评定方面发挥着重要意义[40-41]。应用领域包括苹果[18]、香菇[24]、玛咖[27]、黄瓜、杨梅、番木瓜、梨、葡萄[42]、香蕉[43]、荔枝[44]和胡萝卜等果蔬制品。

3 结论与展望

质构仪实现了感官评价的客观化，具有方便，快速、准确等特点，弥补了食品感官品质感官评定传统方法的缺点，在食品分析和检测中也得到了深入的应用。但值得注意的是，质构仪的应用也具有很多注意事项，比如：①机器测定的准确性，应该和感官评定结合起来进行评定；②各类食品质构测定方法的适宜性要进行研究，要考虑原料、工艺、包装等外在因素；③质构测定时，探头、测试模式、样品规格、测试素等内在因素的选择；④目前，国家标准和法规中并没有质构标准。

因此，今后工作中要考虑质构仪测定食品质构特性的测定方法的构建，也要考虑来自不同测试对象的外在因素，建立规范化、标准化质构检测流程和样品预处理方法，辅助及替代感官评定，确保检测结果的稳定性，在食品生产和品质检测中进行客观、全面而综合的评价，提高对食品加工工艺与肉品质量的科学化管理水平。

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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

张秋会（1978— ），女，博士，副教授，研究方向为畜产品加工与质量安全控制。