張奮楠，俞經(jīng)虎，2*

（1 江南大學機械工程學院 江蘇無錫 214122 2 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室 江蘇無錫 214122）

使用添加果汁、香料等的人造食品凝膠制作的糖果食品，越來越受到消費者的歡迎。這些凝膠具有特殊的優(yōu)勢，如咀嚼質地較軟、口感多汁、容易融化的特性以及相關的感官特性，使產(chǎn)品在消費者中廣受歡迎[1]。然而，所開發(fā)產(chǎn)品質地是一個關鍵屬性，需根據(jù)消費者的喜好進行調整，可能需要準確地選擇膠體和食品添加劑。瓊脂和明膠等親水膠體在開發(fā)食品凝膠方面具有許多優(yōu)勢。這些親水膠體的溶膠在冷卻時能夠形成一種凝固良好的熱可逆凝膠[2]。瓊脂的特殊優(yōu)勢是成本低，即使含量低至0.04%也具有良好的膠凝作用[3]，而明膠的透明性好，便于著色。凝膠的質地和濃度是凝膠形成的重要因素。然而，凝膠樣品可能對應變率和壓縮速度的變化較敏感[4]。雖然對一些食品，如面包[5]、休閑零食等的應變率依賴性的研究已有報道，但是對于食品凝膠的研究卻很少。此外，除了根據(jù)應變硬化/軟化現(xiàn)象確定應力-應變關系外，還應探究食品凝膠的重要結構參數(shù)，如楊氏模量等。采用四原件力學模型擬合應力松弛曲線，在單軸壓縮試驗下，探究壓縮速率對斷裂應力和破裂應變變化的影響[6]，這類研究的重要性在于了解凝膠在不同速率下的力學性能（模擬食品在人類口腔內的變化）。Yu 等[7]利用Ogden 模型成功地描述了瓊脂凝膠在不同應變率下的應力應變行為，更好地表征了食品凝膠在壓縮過程中的黏彈性。

食品材料，包括人造食品凝膠，在發(fā)生微小或較大形變時，會產(chǎn)生用于不同研究目的的數(shù)據(jù)。然而，產(chǎn)品的感官特性更多地與大變形相關；斷裂/失效行為只能通過大變形試驗來確定，這些研究結果對即食凝膠產(chǎn)品的研發(fā)至關重要。在不同的應變速率下進行大變形壓縮試驗，是描述凝膠食品詳細結構特性的有效方法。Marco 等[8]通過改變不同凝膠溶液（瓊脂、k-卡拉膠、明膠）的濃度，來改變斷裂應力和應變，結果發(fā)現(xiàn)在口腔加工過程中，明膠凝膠比瓊脂凝膠和k-卡拉膠凝膠具有更高的異質性強度。目前，研究報道大多將不同凝膠的結構性質與物理性質相結合，或從生物學角度，根據(jù)凝膠在體內和體外咀嚼后的食團的粒徑分布情況，丸狀食品物性和生化作用對凝膠崩解和胃排空模式的作用[9]，或者研究不同影響因素，如pH、還原糖、水分含量等，對凝膠分子網(wǎng)絡形成、多種凝膠協(xié)同作用的影響，進而探究凝膠的理化性質[10-12]，而對于機械性能與質構特征相聯(lián)系的研究報道很少。許多老年人由于牙齒缺失、咬合力下降、唾液分泌量減少等因素導致在食品口腔加工能力方面的能力有所下降，口腔進食過程變得困難[13]。而目前食品行業(yè)針對食品的設計與制造由于缺少食品口腔加工能力的等級標準和評估方法，缺少食品機械性能與口腔加工能力、食品質構特性相關性的基礎數(shù)據(jù)，制約了像老年人這樣特定人群的食品選擇。因為各類特殊消費人群的數(shù)量逐漸增加，對開發(fā)與其口腔加工能力相匹配的并具有優(yōu)良口感的特殊功能食品的需求快速擴張[14]。Lavergne 等[15]通過乳化凝膠對口腔加工過程進行研究，發(fā)現(xiàn)其動態(tài)質構特性與口腔加工過程中食品斷裂性能高度相關。因此，建立質構特性與壓縮試驗參數(shù)間的回歸模型，對使用機械性能參數(shù)去預測質構參數(shù)、開發(fā)特定食品具有重要指導意義。

本文擬采用TPA（Texture profile analysis）進行壓縮試驗和應力松弛試驗，研究在不同壓縮速率下，不同質量濃度的明膠及明膠和瓊脂組合作為模型體系的食品凝膠的壓縮特性，通過分析應變應力曲線，建立回歸方程，探究食品凝膠的力學性能（如斷裂應變、斷裂應力、楊氏模量）與特定的可感知的質構特性之間的關系；基于本實驗團隊研發(fā)的仿生咀嚼平臺[16-17]進行食品凝膠口腔加工試驗，最終建立特定食品凝膠力學本構模型，以期為開發(fā)特殊人群（老年人等）的特定食品提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

明膠（凍力250 g），河北鑫達生物科技有限公司；瓊脂粉（凝膠強度1000 g），福建省綠麟食品膠體有限公司。

物性分析質構儀 （機型：TMS-PRO，美國FTC；由主機、軟件、力量感應元和實驗探頭等主要部件組成）；實驗室自制仿生咀嚼平臺[15-16]；圓盤電子天平（300 g/0.01g），宜興樂祺紡織集團有限公司。

1.2 試驗樣品的制備

分別配制質量濃度為50，70，90 g/L 的明膠溶液及其復配溶液（在不同質量濃度的明膠溶液中，分別加入質量濃度為6，12，24，48 g/L 的瓊脂）。取適量食用明膠或食用明膠及瓊脂粉末復配溶液，于燒杯中冷水浸泡1.5 h 后，在磁力攪拌器上攪拌15 min，然后在水浴鍋中加熱至完全溶解，95 ℃下恒溫25 min，取出后立即倒入硅膠模具中（制成直徑40 mm，高度20 mm 的樣品），放入5℃恒溫箱恒溫中保存12 h。所有凝膠制備過程均重復2 次。不同質量濃度組成的凝膠編號如表1所示，形式分別為Sij、S’ij。

表1 不同質量濃度明膠及明膠、瓊脂復配凝膠編號Table 1 The numbers of gelatin and gelatin-agar gels at different mass concentration

1.3 質構測定方法

1） 單軸壓縮試驗 使用直徑75 mm 的圓盤擠壓探頭（探頭表面積需大于樣品表面積，以保持真正的壓縮力），質構儀在速度較小時，測試的精度比較高，故設定0.1，1 mm/s 的壓縮速度，對凝膠樣品（直徑40 mm，高度20 mm）單軸壓縮50%形變量。在圓盤擠壓探頭與凝膠待測樣品接觸的地方涂擦硅油，防止凝膠樣品與探頭粘連并且在最大程度上減小摩擦力對試驗的影響。

2） 應力松弛試驗 使用直徑75 mm 的圓盤擠壓探頭，檢測速度為1 mm/s，固定應變0.5，應力松弛時間360 s。平行板間圓柱試樣的壓縮特性可以分別用真壓縮應變（εT）和真應力（σT）表示，見式（1）和式（2）。

式（1）～（2）中，F(xiàn)——壓縮力（N）；H0——樣品的初始高度（mm）；Δh——由于壓縮而引起的高度變化（mm）；A0——樣品的初始橫截面積（mm2），通常使用圓柱樣品，即有A0=πr20；r0——樣品的初始半徑（mm）。

線彈性極限內真應力和真應變曲線的斜率是楊氏模量，這是表征材料特性的一個重要參數(shù)。根據(jù)公式（1）和（2），結合壓縮試驗中采集的壓縮力以及壓縮量可以計算得到明膠、瓊脂復配凝膠在壓縮過程中的真壓縮應力與真壓縮應變。

1.4 仿生咀嚼平臺口腔加工試驗

使用本實驗團隊開發(fā)的仿生咀嚼機器人進行凝膠口腔崩解實驗，該咀嚼平臺是根據(jù)人類口腔數(shù)據(jù)設計和開發(fā)的，可以再現(xiàn)人類下頜咀嚼運動，目的是通過模擬口腔環(huán)境和咀嚼運動，生成與人類咀嚼產(chǎn)生的性質相似的食團，從而為與食品口腔加工和食物團等相關的多種研究提供實驗平臺。本文將咀嚼次數(shù)設置為主要研究對象，設置4水平（3，6，12，15 次）自變量，其它咀嚼參數(shù)設置為常量，平均咀嚼速度為1 mm/s，咀嚼應變100%（100%為食品的總高度，上下牙齒在咬合運動完成時接觸），唾液輸送量為2 mL，口腔溫度28 ℃，所用牙齒為第一磨牙和第二磨牙。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 2019，IBM SPSS Statistics 26 軟件進行處理分析；結果顯示為“平均值±標準差”，分別采用單因素方差分析（Tukey 均值比較和Levene 方差齊次檢驗；事后多重比較）分析數(shù)據(jù)的顯著性（顯著性水平為0.05）。

圖1 仿生咀嚼平臺Fig.1 Bionic chewing platform

2 結果與分析

2.1 凝膠樣品應力-應變圖

明膠及其與瓊脂的復配凝膠按不同質量濃度的瓊脂進行單軸壓縮，確定其結構屬性，包括斷裂特征和不透明性[18]。圖2為不同質量濃度明膠和不同質量濃度復配凝膠，分別在0.1 mm/s 和1 mm/s 壓縮速度下，進行壓縮試驗后得到的應力應變曲線。在所有樣品的壓縮區(qū)中，當應變區(qū)域為0.5～2.5 時，瓊脂質量濃度為48 g/L 的復配凝膠的應力值最高，這表明在復配凝膠體系中，質量濃度為48 g/L 的凝膠是一種相對較硬的凝膠（硬度值如圖3所示），具有較低的韌性特征。凝膠這種黏彈性物質在壓縮作用下會松弛，而提升瓊脂質量濃度會降低凝膠的高度松弛，故隨著瓊脂質量濃度的增加，凝膠的彈性值逐漸下降（彈性值如圖3所示），這對于制作能夠快速咀嚼的食品具有可取性。此外，當應變值為0.3 以內時，并沒有觀察到明膠凝膠破裂成多塊狀，相反的是，當應變逐漸增加，細小或大裂紋通常也只是由凝膠中心擴展；而復配凝膠多以塊狀破裂，且當壓縮速度為0.1 mm/s、瓊脂質量濃度增加至24 g/L 和48 g/L 時，凝膠的破裂程度最高。這些結果表明，明膠凝膠只有在高應變水平下才表現(xiàn)出斷裂，咀嚼度高（圖3）；而復配凝膠比明膠凝膠樣品更脆，咀嚼度雖隨著瓊脂質量濃度的增加而增加（圖3），但咀嚼度值均低于明膠凝膠，表現(xiàn)出適中性。

圖2 壓縮速率分別為0.1，1 mm/s 的不同質量濃度凝膠應變應力圖Fig.2 Different mass concentrations of gels' strain-stress diagram were obtained at different compression rates of 0.1，1 mm/s

2.2 楊氏模量

評價食品凝膠的壓縮特性還有楊氏模量，由圖2的應力-應變曲線的線彈性階段確定，使用線性回歸將曲線近似到0.3 的應變水平，結果如表2所示。當壓縮速度由0.1 mm/s 增加到1 mm/s 時，所有樣品凝膠的楊氏模量均增大；且隨著瓊脂含量的增加，凝膠樣品楊氏模量呈先增加再減小然后再增加的趨勢，且瓊脂質量濃度為24 g/L 和48 g/L 時，楊氏模量的增加量較大，楊氏模量值也較高。

表2 不同壓縮速度下的不同質量濃度的凝膠楊氏模量值（kPa）Table 2 The Young's modulus of gel with different mass concentrations at different compression speed （kPa）

2.3 質構特性

由圖3可知，明膠凝膠的硬度值隨著質量濃度的增加而升高，這是因為明膠質量濃度越大，其凝膠網(wǎng)絡結構越致密[19]，因此所需要施加的破壞應力越大；在復配凝膠體系中，隨著瓊脂含量的增加，硬度值升高，咀嚼度略有上升，彈性值有所下降。

圖3 不同質量濃度的凝膠質構特性Fig.3 Texture properties of gel with different mass concentrations

2.4 質構特性與壓縮試驗參數(shù)間的回歸分析

由表4可知，質構參數(shù)（Yi）服從正態(tài)分布，可進行步進回歸分析。取最優(yōu)模型分別有以下回歸結果，見表5。

表4 正態(tài)性檢驗輸出結果Table 4 Output results of normality test

表5 質構特性與壓縮參數(shù)的回歸方程Table 5 Regression equation of texture characteristics and compression parameters

斷裂應力、壓縮速度均與硬度和咀嚼度呈正相關，楊氏模量與硬度呈負相關，硬度相關系數(shù)絕對值大小依次為斷裂應力 （0.778）＞瓊脂濃度（0.615）＞斷裂應變（0.283）＞楊氏模量（0.273）＞壓縮速度（0.238），斷裂應變、楊氏模量與咀嚼度呈負相關，咀嚼度相關系數(shù)絕對值大小依次為楊氏模量（0.744）＞斷裂應力（0.676）＞壓縮速度（0.503）＞瓊脂濃度（0.417）＞斷裂應變（0.075）；斷裂應變、壓縮速度、瓊脂濃度與彈性呈負相關，斷裂應力與彈性呈正相關，相關系數(shù)絕對值大小為楊氏模量（0.645）＞斷裂應力（0.458）＞瓊脂濃度（0.358）＞斷裂應力（0.286）＞壓縮速度（0.051）。通過分析結果可以看出，對咀嚼度和彈性的影響主要是材料本身的特性（楊氏模量），以及通過影響施加的應力水平作用而產(chǎn)生，其次是壓縮樣本的速度。而壓縮樣本的速度對于硬度和彈性，尤其是彈性值的影響較小。這對探究口腔加工中咀嚼力和咀嚼速度對咀嚼效率、口感評估的影響有間接促進作用。

表3 質構特性與壓縮參數(shù)間相關性分析Table 3 Correlation analysis between texture characteristics and compression parameters

（續(xù)表3）

2.5 食品凝膠在口腔加工中的崩解行為

食品口腔加工是一個食品被破壞、質地被感知的復雜動態(tài)過程，口腔加工能力和食品質地感知，都與食品在口腔加工中的變形緊密相關[20]。圖4顯示了經(jīng)仿生咀嚼平臺咀嚼加工后食團形成的碎片數(shù)量（圖4a）和咀嚼時采集到的最大咀嚼力（圖4b）。隨著咀嚼次數(shù)的增加，碎片數(shù)量增加，在相同咀嚼條件下，瓊脂濃度越高，咀嚼后形成的碎片數(shù)量越多；添加瓊脂后的食品凝膠在咀嚼時，最大咀嚼力均低于明膠凝膠，這與圖3c 硬度值所表示的情況對應。結合表5質構特性與咀嚼參數(shù)間的回歸分析可得，斷裂應力、咀嚼速度、斷裂應變均影響硬度和咀嚼度，高、低應變之間凝膠碎片數(shù)量與最大咀嚼力之間存在顯著性差異，斷裂應力和斷裂應變對口腔加工凝膠的破壞行為有影響。因此，在食品開發(fā)方面，明膠凝膠可用于制備咀嚼多汁的食品，該類食品在口腔中停留的時間較長，不易崩解；明膠、瓊脂復配凝膠則可以開發(fā)易碎型食品，且瓊脂含量越高，崩解程度越高，該類食品在口腔中容易破碎，適用于口腔加工能力較低的老年人。

圖4 經(jīng)仿生咀嚼平臺咀嚼3，6，12，15 次后食品凝膠碎塊數(shù)及最大咀嚼力Fig.4 Number of fragments and maximum chewing force produced by bionic chewing platform after 3，6，12 and 15 chewing cycles

2.6 食品凝膠力學本構模型分析

材料的受力特征和其內部結構的變化可用廣義時間這一基本量來表示，材料的應力狀態(tài)取決于變形和溫度對廣義時間的泛函[21]。借鑒經(jīng)典食品物性學所提出的食品本構模型建立法則，針對黏彈性食品-凝膠，以基于質構儀展開的應力松弛實驗為方法，揭示凝膠食品材料在受載過程中的力學行為與形變特征，構建黏彈性食品本構模型。而黏彈性材料應力時間曲線表現(xiàn)為應力隨時間延長而呈現(xiàn)指數(shù)型衰減的趨勢，故采用彈簧黏壺組合模型[22]，它由多個Maxwell 單元并聯(lián)而成，每個Maxwell 模型中的模量Ei及黏壺黏度ηi均不相同，即廣義時間τi=ηi/Ei也均不相同，采用3 個Maxwell 單元，建立其本構方程為：

采用如圖5所示的本構模型對質量濃度為90 g/L 明膠系列不同瓊脂質量濃度凝膠樣品的應力松弛曲線進行擬合，模型方程見公式（3）。利用Origin 2019 作擬合分析，獲得的松弛階段擬合方程的模型參數(shù)如表6所示。所有校正系數(shù)R2擬合度均大于0.98，這表明所采用的方程擬合精度很高。其中，瓊脂質量濃度為48 g/L 的復配凝膠初始彈性模量E0值最大，這表明該質量濃度下凝膠硬度值最大，在壓縮過程中彈性值較小，外力對凝膠內部結構的破壞作用較大；6 g/L 瓊脂質量濃度下初始彈性模量E0值最小，質地柔軟；12 g/L 瓊脂質量濃度下松弛時間τi最小，表明該濃度下應力松弛衰減速度最快。

表6 不同瓊脂質量濃度下凝膠本構模型參數(shù)Table 6 Parameters of gel constitutive model under different agar mass concentrations

圖5 90 g/L 明膠-瓊脂復配凝膠本構模型Fig.5 90 g/L gelatin agar compound gel constitutive model

3 結論

食物在壓縮過程中的應力-應變關系與食物的質地和口感有關，當咀嚼進食時，人們會感覺到這種質地特性和口感，而口腔加工行為既取決于個體口腔加工能力也取決于食物的質構特性[23]。食品凝膠的本構特質、凝膠機理、設計方法、結構和力學性能會影響流變學和摩擦學特性[24-25]，這在改變食品質量，提供感官感知的同時，對食品進行營養(yǎng)修飾方面具有重要意義。明膠和復配凝膠在不同復配濃度下壓縮時，表現(xiàn)出不同的質構特性和斷裂特性，其應力應變曲線顯示，當提升樣品的應變水平，明膠凝膠只有在高應變水平下才會發(fā)生斷裂，而添加瓊脂后的凝膠，隨著質量濃度增加，低速低應變水平下更易破裂，碎片數(shù)量多。此外，試驗所得質構特性參數(shù)結果表明：復配凝膠的硬度、彈性、咀嚼度隨瓊脂質量濃度的增加分別呈升高、降低、升高的趨勢；口感、口腔加工崩解程度與應力應變水平和壓縮速度相關，將質構特性與壓縮試驗參數(shù)相聯(lián)系，結合所建立的本構模型，為通過輸入特定的力學性能參數(shù)來預測特定人群所需的口感特性，開發(fā)特定人群所需的食品提供模型參考。然而本文并未測試除凝膠之外的食品類型，無法確定所測的斷裂特性和質構、崩解行為之間的關系能在多大程度上推廣到其它食品類型。因此，擬在今后研究中多調查不同類型食物，尋求一種普遍關系的方法，適用于大范圍的食品類型，且通過這種方法，可調整力學性能參數(shù)與壓縮速度來開發(fā)特定口感需求的食品。

圖6 不同瓊脂濃度下凝膠應力擬合曲線圖Fig.6 Fitting curves of gel stress under different agar concentration