質地分析器的基本概念

超技儀器: 余建中、屈良靜

質構儀（Texture Analyzer）是綜合經驗法則（Empirical）與模擬測試（Imitative）概念為基礎發展的度量衡器，提供量化手感、觸感與口感以數值及度量衡單位的客觀表述工具。

儀器原理

質構儀主機按功能分為力量感應元（Loadcell）、移動臂機械傳動裝置、與電路控制元件三大部分，參照圖一。

力量感應元(Loadcell)連接探頭可以隨移動力臂進行上升或下降運動（即Compression和Tension）,探頭根據不同的試樣的需求做選擇以完成壓縮/拉伸、穿刺/穿透、剪切/切斷、彎曲/斷裂、黏著(stickiness)/附著(Adhesion)、擠壓(Extrusion)等不同的測試操作；力量感應元(Loadcell)隨著探頭的運動偵測電壓電流信號變化，放大器進一步把這種微弱的電信號放大標準電壓信號並轉換數位信號。

移動臂機械傳動裝置也以精准的步進電機控制探頭移動高度和速度，由電路控制元件與內部時鐘記錄探頭的運動時間，搜集資料（包含時間、距離、力量值）輸入電腦進行即時監測並儲存起來用於資料的分析處理。

具備高穩定之物理性與計量學特性的機械設計原理搭配成熟軟體的測試方案進行咀嚼的咬合上下運作軌跡、觸摸的水準摩擦或模擬程式等測試，達到設計的模擬測試需求。

圖一：質構儀主機組件

測試變數

主要變數：根據儀器設計原理會得到以下三種基本變數

1.   力，對物體施壓後所得到的反作用力。常用的單位有g、kg、N等。還可以加入接觸面積換算成應力單位（kg/mm²、N/mm²、g/cm²、MPa），比較使用不同探頭尺寸下的受力程度。

2.   距離(Distance)，物體由外力作用而造成的形狀改變。在質構上通常用來表示探頭的位移距離，常用的單位有mm、cm、m。換算成應變單位為%或無單位。

3.   時間，用以描述物質運動過程或事件發生過程的一個參數。常用單位有sec、min。

進階變數：溫濕度或其他測試條件可能造成應力及應變的因素，或根據應力與應變關係產生其他物理參數變化的變數，包含溫度（℃），濕度（%）、音訊信號（dB）、電阻（Ohms）、體積（mm³）或視頻訊號..等。

常用模式(Common Modulus)

根據測試目的與需要得到參數決定實驗模式，常用模式可分為非破壞性測試與破壞性測試兩大類型。

1.     非破壞性測試：測試過程中不會造成樣品的整體結構被破壞，如圖二所示。此類型實驗包含壓縮、拉伸和彎曲等測試，可得到樣品整體上的硬度、彈性(springiness)、和黏性(adhesiveness)等指標，例如AIB的松餅測試[1]、ISO的紙和紙板彎曲剛度[2]、ASTM的膠帶剝離[3]。

2.     破壞性測試：通常為穿刺(penetration)和剪切，實驗過程中會破壞樣品的整體結構，得到樣品的極限能力和內部質地，如圖三所示。破裂強度、脆性(fracturability)、延展率(elongation)、均質性、咀嚼性、內聚性與緊實度等指標。

圖二：非破壞性測試。	圖三：破壞性測試。

以上非破壞性測試包含國際間經常使用的全質構分析（TPA, Texture Profile Analysis），由 Szczesniak [4]於1963年開創，他定義了這種分析方法的質地參數。1978年Bourne改為通過兩次壓縮方式來執行[5]，如圖四所示。全質構分析模擬咀嚼兩次的口感，得到硬度、脆性(fracturability)、粘性(adhesiveness)、彈性(springiness)、內聚性(cohesiveness)、回復性(resilience)、膠著性(gumminess)、咀嚼性(chewiness)以及楊氏模量等指標。一般用在具有彈性且容易製備成相同大小的烘焙產品、肉製品與凝膠等食品上。

圖四：全質構分析 （TPA, Texture Profile Analysis）

TPA能夠一次性得到很多種質地參數，因此廣受大眾的喜愛，但非破壞測試的模式，只能測量到樣品的外部結構特性，與大部分食品的咀嚼後破壞的衰減模式關連性不明顯，模擬我們吃東西時的壓縮、剪切、擠壓(Extrusion)等複合運動軌跡，破壞性測試模式相對來的適合得到代表性佳的資料與關連特徵。

測試參數與代表性

不同于硬度計的單一資料，質構儀透過探頭或裝置隨著測試的不同位置（應變(strain)）即時回饋出對應不同的力值（應力(stress)），以基本變數透過力值、位移(distance)、時間基本變數將整個動態資料即時變化過程描繪出質構圖形以觀察質地與結構的特徵性，其中一個瞬間變化點或一個區域的代表性數值及度量衡單位隨著不同樣品特性或經驗法則，分別被定義或解釋為硬度(hardness)、脆度(Crunch)、酥性(Crispy)、延展性(Extensibility)、黏性(adhesiveness)、滑順度或咀嚼性。

未來發展

隨著儀器硬體與軟體發展，類比測試的模擬性與細緻度都可以進一步實踐。

1.     方案效率化(Efficiency Testing)

把形變與破壞測試(deformation and destruction test)編輯在一個程式（Sequence），使用兩次型變測試（TDT，Two Deformation Test）[5]，如圖五所示。在第一次小形變量測試中獲取非破壞性的參數，如質地硬度、彈性(springiness)等；再借由第二次大形變量測試對樣品進行破壞性試驗，獲得與口感關連性較強的參數。因為時代的進步得以實現人力、物性與時間的效率化。

2.     感官指標完整化

實務面在消費市場中，感官上的好吃定義除了應力應變的各種衰減模式之外，五感中的聲音指標也一樣對消費者具有極大的誘惑力，咬蘋果的喀嚓清脆聲音、吃薯片的哢茲哢茲酥脆聲是同時感受好吃的指標性（參考圖六、餅乾 應力-應變-音訊三維變化圖），以及其他具有意義而同時可以並聯測試的物理性指標。

接軌食品工業的研究發展層面，將綜合性的物性參數的關聯特性與交互影響都會從以前的食品工業到現在的輕工以及未來的微輕功將具有完善化的指標意義。  

 

圖五：兩次型變測試（TDT, Two Deformation Test）      圖六：餅乾 應力-應變-音訊三維變化圖

 

 

 

參考資料：

1.     AIB Standard Procedure - Muffins firmness and elasticity (Novo Nordisk (B974a-GB) modified version of the AACC method 74-09).

2.     ISO 5628:2019 Paper and board — Determination of bending stiffness — General principles for two-point, three-point and four-point methods.

3.     Standard Test Method for Peel Adhesion of Pressure-Sensitive Tape.

4.     SZCZESNIAK, A. S. (1963). Classification of textural characteristics. J. Food Sci, 28, 385-389.

5.     BOURNE, M. C. (1978). Texture Profile Analysis. Food Technol., 32 (7), 62-66, 72.

6.     Textural and gel properties of frankfurters as influenced by various κ-carrageenan incorporation methods