应用故事 | 食品行业非均相体系的流变测试：鲜炖燕窝

流变测试在均相体系上能够相对容易得到重复性优异的结果，但食品行业往往都不是这种均相体系。例如燕窝、含果粒的饮料、醪糟、辣椒酱等等，都含有大量形状极其不规则的固形物，这些固形物之间会发生团聚缠绕等各种相互作用，即便是同一批次，在不同的位置，固形物之间的互相作用也不相同。因此该类样品在流变测试中，并不是符合层流流动模型的，对于这样的样品，我们可以通过桨式转子来对样品的流变特性进行相对的评估。

图1 高固含量体系可流动食品

食品样品本身的不均匀性，导致了流变测试的重复性往往不够理想，想要通过这样定量的方法检测食品流变相关的性质，摸索制定能够稳定重复测试的条件至关重要。

“稠度"是鲜炖燕窝的一个重要评价标准，然而这是一个具有非常主观性的评价标准，它评判着燕窝的炖煮程度以及后期消费者食用时的口感感受。目前并没有一个标准化的定量判定标准，主要依靠人的主观判断来进行简单的分级，这样的分级方式往往会受到各种人为主观因素的影响，甚至检验人员的心情也会直接对分级判断产生较大影响，因此是否能够有一种定量化的方法，能够通过具有一定物理意义的值来稳定地评价稠度这个概念呢？

稠度从字面意思来看就是粘稠程度，粘稠程度从我们流变的角度来看其实就是黏度。那么如果我们能够稳定重复测出鲜炖燕窝的黏度，不就可以通过黏度这个物理概念来对每一批次燕窝的稠度进行定量化评价了吗？

图2是某款市售的瓶装鲜炖燕窝，通过流变仪测试鲜炖燕窝的黏度可以来评价稠度，那对于这样的含有大颗粒的非均相体系的黏度我们该选用什么样的夹具来进行测试呢？

图2 市售瓶装鲜炖燕窝

• 平行板/椎板，通常用来测试均相液体以及粒径不太大的均匀混悬液，颗粒粒径需要小于最小间隙的10倍以上。鲜炖燕窝，不合适。

• 同轴圆筒，通常用来测试黏度较低的稀溶液，间隙较大，可以做一些粒径稍大的混悬体系，但对于燕窝这种吸水后溶胀成大颗粒的体系，不合适。

• 桨式圆筒，通常用来测试含有更大颗粒尺寸的体系，例如砂浆等。但标准尺寸的桨式转子和圆筒的间隙依然较小，在旋转过程中，在狭小的缝隙里桨式的叶片可能将燕窝切断，从而改变整体的结构，这样黏度会在测试过程中不断发生变化无法稳定，不合适。

可见，流变仪的基本转子都不能够很好的进行测试。我们该怎么办呢？相比较而言，在上述几种转子中，桨式圆筒对于这种大颗粒脆弱体系是相对较好的一种测试夹具，但是存在破坏样品结构的可能。那么如果我们缩小桨式转子的尺寸，把叶片缩短（小转子配大圆筒），给予燕窝充分的流动空间，就可能消除破坏样品结构的影响。因此最终我们选用标准25mm圆筒、14mm桨式转子（转子长度和25mm标准桨式转子相同）来进行测试，所用夹具以及样品装载如图3所示。

图3 鲜炖燕窝测试所用夹具及样品装载演示

测试夹具确定了，不同的装样手法（勺子挖取？直接倒？），不同的预操作（新开瓶样品直接加样？搅拌后加样？测试前进行预剪切？）等等也会对测试结果产生影响。

打开一瓶燕窝，发现会有明显的结块现象，且结块程度都不相同，因此测试前，用勺子模拟我们食用时的搅拌的动作，使瓶中的燕窝均匀化，随后倒入测试圆筒中。待温度稳定后进行流动曲线的测试，结果如下图4所示，对同一样品进行两次取样测试，验证重复性，从图中明显看出，两次结果重复性并不好，但高速下黏度基本重合，说明如果不对样品进行预处理，燕窝内部存在大量不同的缔合结构，导致无法准确稳定测得流质状态燕窝的黏度。

图4 未作预处理剪切速率扫描（流动曲线）测试结果

重新调整测试操作，同样通过手动搅拌后倒入样品，在测试前加入一段高速的预剪切操作（50s^-1，30s），使样品均匀化，随后进行剪切速率扫描，两次分别取样进行重复性验证，得到如下图5的结果，重复性优异。从流动曲线结果上看，鲜炖燕窝属于剪切变稀的非牛顿流体，这种较高浓度的固液混悬液在旋转剪切力的作用下，燕窝固态组分随着剪切作用方向取向排列，纠缠摩擦阻力降低，从而体现黏度随着剪切速率的增加而降低。

图5 预处理后剪切速率扫描（流动曲线）测试结果

确定测试条件后，对3个批次不同稠度等级的样品进行剪切速率扫描对比，其流动曲线如下图6所示，2#、3#样品稠度评级为B，其流动曲线也基本一致，1#评级为B-，在流动曲线上整体黏度偏低。通过流变学的手段得到的结果和人为主观的评级结果能够保持一定的一致性，因此以后在稠度的评价上可以考虑通过流变测试来减少人工评判的误差。

图6 不同稠度评级燕窝的流动曲线

上述的流动曲线看的是整体剪切速率范围内的黏度变化，只能间接的通过流动曲线位置的相对高低来进行平行比较哪个样品的黏度高一些，稠一些。但对于产品质检来说，我们还是需要有一个标准，当黏度在什么样的范围内属于什么级别。一般消费者在食用鲜炖燕窝时，都会使用勺子边搅边吃，这个搅拌的过程剪切速率大概就在20-50s^-1。那么一个我们可以从上面流动曲线上读取某个固定剪切速率处的黏度来进行判定(例如30s^-1);另一个我们可以直接对燕窝进行单一剪切速率扫描，只看某一规定剪切速率下的黏度，如下图7所示，左图是50s^-1下的黏度，右图是30s^-1下的黏度。结果和图6的流动曲线一致，评级为B-的1#样品黏度较低。

图7 不同稠度评级燕窝的单一剪切速率扫描

（左50s^-1；右30s^-1）

根据流变的测试，我们就可以制定一系列的黏度阈值标准，如下图8的示例所示，就可以快速对产品进行测试评级。

图8 产品评级标准模拟

本文通过鲜炖燕窝的实例，给食品行业提供了一些思路，如何通过现有的流变学测试手段，定量化人为主观的评级评判标准，通过具有一定物理意义的值来量化原本通过“望闻问切"这些主观手法的评判标准。

本文测量的燕窝是通过黏度来判断，类似的产品还有果粒饮料类、银耳羹汤类等等。除此以外，屈服应力可以来评判番茄酱、花生酱等涂抹酱类的易抹性、停留性；模量可以评价巧克力、软糖的口感等等。很多原先通过人力来主观评价的指标都是可以进行量化的，本文仅作为抛砖引玉，期待各行各业的专家们一同制定出更多更好的定量化测试方法，以丰富食品行业的测试标准，为我国的食品安全质量事业做出一份贡献。

作者

杨阳

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