引言

完成質(zhì)構(gòu)儀測試后，軟件界面上出現(xiàn)了一條復(fù)雜的力-位移曲線和一串密密麻麻的數(shù)據(jù)——硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、膠著性……這些參數(shù)分別代表什么？如何從曲線中提取它們？提取出來的數(shù)據(jù)又該如何解讀和應(yīng)用？

對于很多剛剛接觸質(zhì)構(gòu)儀的操作人員來說，數(shù)據(jù)分析往往比測試本身更令人頭疼。

質(zhì)構(gòu)儀(texture analyser)又叫物性測試儀，可對樣品的物性概念做出數(shù)據(jù)化的表述，是國內(nèi)外很多研究機構(gòu)的重要研究儀器和研究手段，也是業(yè)內(nèi)*認(rèn)的物性(質(zhì)構(gòu))標(biāo)準(zhǔn)檢測儀器。而質(zhì)地多面剖析法(Texture Profile Analysis，TPA) 是質(zhì)構(gòu)儀最核心的應(yīng)用模式——由Szczeniak等人于1963年確立，通過質(zhì)構(gòu)儀探頭模擬人口腔咀嚼運動對樣品進(jìn)行兩次壓縮，獲取硬度、彈性、粘附性、內(nèi)聚性、咀嚼性等參數(shù)。

TPA質(zhì)構(gòu)測試又被稱為兩次咀嚼測試(Two Bite Test)，主要是通過模擬人口腔的咀嚼運動，對固體半固體樣品進(jìn)行兩次壓縮，測試與微機連接，通過界面輸出質(zhì)構(gòu)測試曲線。一次TPA測試可以同時得出多達(dá)9項質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)，為產(chǎn)品品質(zhì)評價提供多維度的數(shù)據(jù)支撐。

本文將從TPA測試曲線出發(fā)，系統(tǒng)講解質(zhì)構(gòu)儀數(shù)據(jù)的分析方法——從曲線形態(tài)解讀到各參數(shù)的計算公式，再到數(shù)據(jù)在實際場景中的應(yīng)用，幫助讀者建立完整的質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)分析能力。

一、TPA測試曲線：數(shù)據(jù)分析的“第一手資料”

1. TPA測試的運動軌跡

要理解TPA數(shù)據(jù)，首先需要理解TPA測試中探頭的運動軌跡。TPA測試時探頭的運動軌跡是：探頭從起始位置開始，先以一速率壓向測試樣品，接觸到樣品的表面后再以測試速率對樣品進(jìn)行壓縮一定的距離，而后返回到壓縮的觸發(fā)點，停留一段時間后繼續(xù)向下壓縮同樣的距離，而后以測后速率返回到探頭測前的位置。

簡單來說，TPA就是兩次壓縮——模擬人吃東西時“咬一口→松開→再咬一口”的過程。探頭完成這一系列動作后，軟件會生成一條典型的力-時間曲線（或力-位移曲線）。

2. TPA曲線的關(guān)鍵區(qū)域

一條完整的TPA曲線可以分為以下幾個關(guān)鍵區(qū)域：

理解這些區(qū)域與參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，是進(jìn)行質(zhì)構(gòu)儀數(shù)據(jù)分析的第一步。

二、九大質(zhì)構(gòu)參數(shù)：從曲線到數(shù)據(jù)的完整解讀

1. 硬度(Hardness)——最直接的口感指標(biāo)

定義：硬度是第一次壓縮周期中的最大力值，即探頭下壓過程中遇到的最大阻力。

計算公式：直接從TPA曲線上讀取第一次壓縮正峰的最高點力值。

感官對應(yīng)：硬度最直接反應(yīng)口感的一項指標(biāo)，在質(zhì)地剖面分析中直接影響咀嚼性、膠著性及凝聚性。在食品領(lǐng)域，硬度反映的是“咬下去的第一感覺”——面包是否松軟、餅干是否酥脆、肉丸是否緊實。

應(yīng)用提示：不同食品的硬度值差異極大——從幾十克的凝膠到數(shù)千克的硬糖。測試前應(yīng)根據(jù)樣品特性選擇合適量程的力量感應(yīng)元。

2. 脆度(Fracturability)——酥脆外殼的專屬指標(biāo)

定義：硬度之前出現(xiàn)的較小峰值。在第一次壓縮過程中若是產(chǎn)生破裂現(xiàn)象，曲線中出現(xiàn)一個明顯的峰，此峰值就定義為脆性。

判斷規(guī)則：在TPA質(zhì)構(gòu)圖譜的第一次壓縮曲線中若是出現(xiàn)兩個峰，則第一個峰定義為脆性，第二個定義為硬度；若是只有一個峰值，則定義為硬度，無脆性值。

感官對應(yīng)：脆度針對樣品有酥脆外殼(外皮)者樣品所**，多數(shù)樣品都無法測得此參數(shù)。例如餅干、薯片、巧克力涂層等具有“咔嚓”口感的產(chǎn)品。

3. 粘附性(Adhesiveness)——黏不黏？

定義：第一次壓縮曲線達(dá)到零點到第二次壓縮曲線開始之間的曲線的負(fù)面積，即探頭返回時因樣品粘附而產(chǎn)生的拉力所做的功。

感官對應(yīng)：樣品經(jīng)過加壓變形之后，樣品表面若有黏性，會產(chǎn)生負(fù)向的力量。在食品領(lǐng)域可以解釋為黏牙性口感。

4. 彈性(Springiness)——彈不彈？

定義：彈性是樣品經(jīng)過第一次壓縮以后能夠再恢復(fù)的程度。用第二次壓縮的測量時間(T?)同第一次壓縮的測量時間(T?)的比值來表示。

計算公式：彈性 = T? / T?

關(guān)鍵注意事項：兩次壓縮測試之間的停隔時間對彈性的測定很重要，停隔時間越長，恢復(fù)的高度越大。因此在測試不同樣品時，停留時間必須保持一致，數(shù)據(jù)才具有可比性。

5. 內(nèi)聚性(Cohesiveness)——內(nèi)部結(jié)構(gòu)“緊不緊”

定義：內(nèi)聚性是第二次壓縮的用功面積(A?)除以第一次壓縮的用功面積(A?)的商值。

計算公式：內(nèi)聚性 = A? / A?

感官對應(yīng)：內(nèi)聚性反映的是樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)合強度。內(nèi)聚性高的食品，咬下去“整體感”強，不易散開。

6. 膠著性(Gumminess)——半固態(tài)食品的“稠度”

定義：膠著性被定義為硬度 × 內(nèi)聚性。

計算公式：膠著性 = 硬度 × 內(nèi)聚性

適用對象：膠著性只用于描述半固態(tài)測試樣品的黏性特性。半固體食品的一個特點就是具有低硬度、高內(nèi)聚性，因此這項指標(biāo)應(yīng)用于描述半固體食品的口感。例如酸奶、果醬、肉糜等。

7. 咀嚼性(Chewiness)——固態(tài)食品的“嚼勁”

定義：咀嚼性被定義為膠著性 × 彈性。

計算公式：咀嚼性 = 硬度 × 內(nèi)聚性 × 彈性

感官對應(yīng)：咀嚼性是咀嚼固體食物所需的能量。咀嚼性只用于描述固態(tài)測試樣品。測試樣品不可能既是固態(tài)又是半固態(tài)，所以不能同時用咀嚼性和膠粘性來描述同一測試樣品。

8. 回復(fù)性(Resilience)——回彈的“速度與力量”

定義：回復(fù)性是樣品在第一次壓縮過程中回彈的能力，定義為下壓時形變目標(biāo)之前的面積(A?)與形變目標(biāo)之后的面積(A?)的比值。

計算公式：回復(fù)性 = A? / A?

感官對應(yīng)：回復(fù)性是一種測量樣品如何恢復(fù)變形的指針，包括了速度和力量兩方面?；貜?fù)性高的食品在受壓后能迅速恢復(fù)原狀。

三、參數(shù)速查表

為方便查閱，以下匯總九大TPA參數(shù)的定義、計算公式和適用對象：

四、數(shù)據(jù)分析的完整流程

第一步：數(shù)據(jù)采集與曲線檢查

質(zhì)構(gòu)儀在測試過程中會收集大量數(shù)據(jù)，包括力值、位移、時間等。測試完成后，首先應(yīng)檢查力-位移曲線的合理性——曲線形態(tài)是否符合預(yù)期、是否存在異常波動。

常見的異常情況包括：

• 曲線出現(xiàn)非光滑的異常尖峰——可能樣品中存在氣泡或雜質(zhì)

• 曲線起始段不穩(wěn)定——可能觸發(fā)力設(shè)置不當(dāng)

• 曲線過早結(jié)束——可能樣品高度計算錯誤

第二步：參數(shù)提取

使用質(zhì)構(gòu)儀配套的分析軟件處理數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代質(zhì)構(gòu)儀軟件通常具備自動參數(shù)提取功能——用戶只需選擇TPA模式，軟件即可自動從曲線中提取全部質(zhì)構(gòu)參數(shù)。

軟件操作要點：

• 確認(rèn)軟件正確識別了第一次壓縮和第二次壓縮的起始點與結(jié)束點

• 檢查觸發(fā)點是否準(zhǔn)確

• 如軟件自動識別有誤，可手動調(diào)整分析區(qū)間

第三步：數(shù)據(jù)統(tǒng)計與對比

數(shù)據(jù)分析包括對比不同樣品的質(zhì)構(gòu)特性、計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差、進(jìn)行統(tǒng)計分析等。對于質(zhì)構(gòu)儀數(shù)據(jù)，通常需要進(jìn)行以下統(tǒng)計處理：

重復(fù)性驗證：每個樣品應(yīng)進(jìn)行3-5次平行測試。計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)點。

組間對比：對于不同配方、不同工藝條件下的樣品，計算各參數(shù)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行差異顯著性分析。

數(shù)據(jù)可視化：將多條測試曲線疊加對比，可以直觀評估不同樣品之間的質(zhì)構(gòu)差異。

第四步：數(shù)據(jù)導(dǎo)出與報告

結(jié)果數(shù)據(jù)及曲線可以匯出Excel文檔及圖片。建議將原始數(shù)據(jù)、統(tǒng)計結(jié)果和曲線圖一并保存，形成完整的檢測報告。

五、影響TPA數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素

TPA測試結(jié)果受多種因素影響，只有測定條件相同，測定結(jié)果才具有可比性。在分析TPA數(shù)據(jù)時，必須考慮以下影響因素：

1. 樣品規(guī)格

在TPA測定模式下，樣品質(zhì)構(gòu)特性的測定結(jié)果受測試條件影響顯著。盡管測定模式和參數(shù)設(shè)定一致，數(shù)據(jù)結(jié)果卻不盡相同——導(dǎo)致這一問題發(fā)生的根本原因就是取樣規(guī)格的不一致。

研究表明：在取樣直徑不變的情況下，硬度隨取樣高度的減小而顯著增大；在取樣高度基本一致的情況下，硬度隨取樣直徑的減小而顯著降低。取樣直徑越大，彈性越大。

因此，樣品的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化是TPA數(shù)據(jù)可比性的前提。

2. 測試參數(shù)

測試速度、壓縮比例、停留時間等參數(shù)均會影響測定結(jié)果。壓縮比例對所有TPA參數(shù)的影響均極顯著——硬度和膠著性隨壓縮比例的增加而增加，而彈性、內(nèi)聚性、回復(fù)性隨壓縮比例的增加而減少。

測試速度對硬度影響顯著。停留時間對硬度測試結(jié)果有顯著影響。

建議：在同一研究或同一批次檢測中，所有樣品的測試參數(shù)必須保持一致。

3. 環(huán)境條件

溫度和濕度對樣品質(zhì)構(gòu)特性有顯著影響。特別是對于明膠、凝膠類樣品，溫度波動會顯著影響硬度數(shù)據(jù)。

六、西奧機電TEX系列質(zhì)構(gòu)儀的數(shù)據(jù)分析解決方案

濟南西奧機電有限公司（CELTEC西奧）推出的TEX系列質(zhì)構(gòu)分析儀，不僅提供高精度的力學(xué)測試能力，更在數(shù)據(jù)分析層面為食品、制藥、包裝等行業(yè)用戶提供了完整的解決方案。

智能TPA參數(shù)自動提取：TEX系列配備專業(yè)分析軟件，測試完成后自動從力-位移曲線中提取硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、膠著性、回復(fù)性、粘附性等全部TPA參數(shù)。用戶無需手動計算，軟件自動完成參數(shù)提取與結(jié)果輸出。

力-位移曲線實時顯示：測試過程中實時采集并顯示力-位移曲線，操作人員可以直觀觀察樣品從開始受壓到回復(fù)的全過程力學(xué)響應(yīng)。曲線與測試結(jié)果同時顯示在一個界面上。

多曲線疊加對比分析：支持多條測試曲線疊加顯示，直觀對比不同配方、不同批次樣品的質(zhì)構(gòu)差異。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出與報告生成：結(jié)果數(shù)據(jù)及曲線可匯出Excel文檔及圖片，支持一鍵生成包含原始數(shù)據(jù)、統(tǒng)計結(jié)果和曲線圖的完整檢測報告。

高精度數(shù)據(jù)采集：采樣速率高達(dá)4000組/秒，位移分辨率0.01mm，力值測量精度優(yōu)于0.5% F.S. ，確保每一個力學(xué)細(xì)節(jié)都被精準(zhǔn)捕捉，為數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

多模式測試能力：除TPA全質(zhì)構(gòu)分析外，TEX系列還支持單次測試、黏度測試、松弛測試、衰減度測試、循環(huán)測試等多種模式，滿足不同樣品、不同應(yīng)用場景的測試需求。

西奧機電的材料測試解決方案還廣泛應(yīng)用于包裝材料測試、醫(yī)療器械材料及包裝測試、藥品測試、膠粘劑測試、紡織品測試、紙張和紙板容器測試及質(zhì)構(gòu)分析等領(lǐng)域，并可針對特殊測試需求提供定制化服務(wù)和自動化改造方案。

七、結(jié)語

質(zhì)構(gòu)儀的數(shù)據(jù)分析，本質(zhì)上是從一條力-位移曲線中提取有意義的質(zhì)構(gòu)參數(shù)，并將這些參數(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品品質(zhì)的評價依據(jù)。

從硬度到彈性，從內(nèi)聚性到咀嚼性——每一個TPA參數(shù)都有明確的物理定義和感官對應(yīng)。理解這些參數(shù)的含義與計算方法，是正確解讀質(zhì)構(gòu)儀數(shù)據(jù)的前提；而掌握數(shù)據(jù)分析的完整流程——曲線檢查、參數(shù)提取、統(tǒng)計對比、報告生成——則是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為決策的關(guān)鍵一步。

值得注意的是，TPA數(shù)據(jù)并非孤立存在的數(shù)字。樣品的尺寸規(guī)格、測試速度、壓縮比例、環(huán)境溫度——任何一個條件的變化，都可能使同一批樣品的測試結(jié)果產(chǎn)生顯著差異。只有在標(biāo)準(zhǔn)化條件下獲得的數(shù)據(jù)，才具有真正的比較意義和實用價值。

濟南西奧機電有限公司（CELTEC西奧）TEX系列質(zhì)構(gòu)分析儀，以智能參數(shù)自動提取、力-位移曲線實時顯示、多曲線疊加對比、高精度數(shù)據(jù)采集為核心優(yōu)勢，為食品、制藥、包裝等行業(yè)用戶提供了從測試到數(shù)據(jù)分析的一站式解決方案，助力企業(yè)以精準(zhǔn)的量化數(shù)據(jù)驅(qū)動產(chǎn)品品質(zhì)提升與工藝優(yōu)化。

本文依據(jù)TPA全質(zhì)構(gòu)分析原理及相關(guān)技術(shù)資料撰寫，僅供參考。具體數(shù)據(jù)分析請以儀器操作規(guī)程及軟件說明為準(zhǔn)。