引言

蛋糕的“軟硬”程度，是消費(fèi)者對產(chǎn)品品質(zhì)直觀的判斷。一口咬下去，是松軟綿密還是干硬粗糙——這種瞬間的感官體驗，往往決定了消費(fèi)者是否會再次購買。

傳統(tǒng)上，蛋糕品質(zhì)的評價高度依賴感官品嘗。面包的“柔軟度”、“彈性”和“老化速度”，蛋糕的“蓬松度”、“濕潤感”和“入口即化”，這些感官體驗長期依賴人工品嘗評價，存在主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差、難以量化等固有缺陷。同一款蛋糕，不同評價人員可能給出截然不同的“軟硬度”判斷。

質(zhì)構(gòu)儀（Texture Analyzer） 的出現(xiàn)，改變了這一局面。它通過模擬人口腔咀嚼過程中的力學(xué)行為，將烘焙食品的硬度、彈性、咀嚼性等口感指標(biāo)轉(zhuǎn)化為精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。特別是TPA（Texture Profile Analysis，質(zhì)地多面剖析法） 測試模式，通過模擬人口腔的咀嚼運(yùn)動對樣品進(jìn)行兩次壓縮，從力-時間曲線中提取多個質(zhì)構(gòu)參數(shù)。研究表明，質(zhì)構(gòu)儀TPA測試的硬度指標(biāo)與感官評分呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01） ——這意味著，質(zhì)構(gòu)儀測出的硬度數(shù)值越低，消費(fèi)者感受到的“綿軟”程度越高。

本文將從蛋糕硬度測定的科學(xué)方法出發(fā)，系統(tǒng)講解質(zhì)構(gòu)儀TPA測試的標(biāo)準(zhǔn)化流程、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置，以及如何將硬度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為配方優(yōu)化和工藝改進(jìn)的科學(xué)依據(jù)。

一、蛋糕硬度的科學(xué)定義與評價意義

1. 什么是蛋糕的“硬度”？

在質(zhì)構(gòu)分析中，硬度（Hardness） 被定義為第一次壓縮周期中的最大峰值力——即探頭壓縮蛋糕樣品至目標(biāo)形變時所需的最大力值。簡單來說，硬度值反映的是“將蛋糕壓下去需要多大的力”——數(shù)值越大，蛋糕越“硬”；數(shù)值越小，蛋糕越“軟”。

硬度值適中則蛋糕蓬松綿軟；硬度過高則口感發(fā)硬、缺乏彈性。對于蛋糕這類烘焙食品而言，硬度與品質(zhì)通常呈負(fù)相關(guān)——硬度越低，通常意味著產(chǎn)品越新鮮、口感越好。

2. 硬度在蛋糕品質(zhì)評價中的核心地位

蛋糕的品質(zhì)評價涉及多個維度——硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、回復(fù)性等。研究表明，硬度和彈性指標(biāo)可系統(tǒng)地量化同一廠家生產(chǎn)的不同添加物的面包和不同廠家生產(chǎn)的全麥面包的感官品質(zhì)；硬度、黏聚性、咀嚼性、回復(fù)性可系統(tǒng)地量化不同添加物的戚風(fēng)蛋糕的感官品質(zhì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，硬度往往是研發(fā)人員和品控人員最關(guān)注的指標(biāo)。研究表明，硬度值和咀嚼性與蛋糕品質(zhì)成負(fù)相關(guān)，彈性、回復(fù)性和黏聚性與蛋糕品質(zhì)成正相關(guān)。這意味著，通過監(jiān)測硬度的變化，可以快速判斷配方調(diào)整或工藝改進(jìn)是否有效。

二、蛋糕硬度測定的標(biāo)準(zhǔn)化方法

1. 樣品制備：數(shù)據(jù)可比性的“第一道關(guān)口”

樣品制備是蛋糕硬度測定中最關(guān)鍵、也最容易被忽視的環(huán)節(jié)。樣品的尺寸、形狀、取樣位置直接影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

常見樣品制備方法：

• 方法一（大尺寸樣品） ：取蛋糕芯，切成直徑為6cm的圓柱體

• 方法二（中等尺寸樣品） ：將蛋糕芯部樣品切成2cm×2cm×2.5cm的長方體

• 方法三（小尺寸樣品） ：將蛋糕切成1.0cm×1.0cm×1.0cm的立方塊

制備要點(diǎn)：

• 用不銹鋼鋸齒刀切割，避免擠壓變形

• 去除表皮硬殼部分，取蛋糕芯部進(jìn)行測試

• 確保樣品表面平整、無破損

• 測試前將樣品在20-25℃室溫下回溫，減少溫度對硬度的影響

研究表明，紫薯粉對蛋糕質(zhì)構(gòu)研究中，通過優(yōu)化測試條件得到的優(yōu)樣品尺寸為1.0cm×1.0cm×1.0cm。不同研究可根據(jù)蛋糕類型和測試目的選擇合適的樣品尺寸，但同一研究或同一批次檢測中，樣品尺寸必須嚴(yán)格保持一致。

2. 探頭選擇：匹配樣品特性的關(guān)鍵決策

探頭的選擇直接影響測試結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。對于蛋糕硬度測定，常用探頭包括：

選擇原則：探頭直徑應(yīng)大于樣品表面，以確保均勻施壓。對于蛋糕這類蓬松樣品，推薦使用平底圓柱探頭，避免探頭刺入樣品造成局部破壞。

3. TPA測試參數(shù)設(shè)置

TPA（全質(zhì)構(gòu)分析）測試通過兩次壓縮模擬人口腔的咀嚼動作，一次測試可同時獲取硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、回復(fù)性等多個質(zhì)構(gòu)參數(shù)。

典型的蛋糕TPA測試參數(shù)：

參數(shù)設(shè)置的注意事項：

• 壓縮程度：過?。ㄈ?5%）可能無法充分反映樣品的力學(xué)特性；過大（如75%）可能導(dǎo)致樣品被壓碎。50% 是蛋糕TPA測試中常用的壓縮比例。

• 測試速度：不同研究中的速度設(shè)置有所差異——AACC 74-09標(biāo)準(zhǔn)建議測試速度500mm/min（8.3mm/s） ，而多數(shù)研究采用1-2mm/s。速度越快，測得的硬度值通常越高。

• 觸發(fā)力：對蓬松的蛋糕樣品，觸發(fā)力不宜過高（建議5-10g），避免探頭在接觸樣品前就因誤觸而觸發(fā)記錄。

4. 測試結(jié)果的表達(dá)與解讀

TPA測試完成后，軟件自動從力-時間曲線中提取各項參數(shù)。對于蛋糕硬度：

• 硬度值：通常以克（g） 或牛頓（N） 為單位表達(dá)

• 硬度值與感官的對應(yīng)關(guān)系：硬度值200-300g時，感官評定分值通常在9分以上

• 不同蛋糕類型的硬度差異：研究表明，磅蛋糕的硬度最高，海綿蛋糕次之，戚風(fēng)蛋糕低

值得注意的是，硬度并非越低越好——過低的硬度可能意味著蛋糕過于松散、缺乏結(jié)構(gòu)支撐。理想的目標(biāo)是找到“軟硬適中”的平衡點(diǎn)，使產(chǎn)品在綿軟的同時保持良好的結(jié)構(gòu)完整性。

三、硬度數(shù)據(jù)如何指導(dǎo)配方與工藝優(yōu)化？

1. 配方調(diào)整的數(shù)據(jù)依據(jù)

質(zhì)構(gòu)儀的硬度數(shù)據(jù)為配方優(yōu)化提供了精準(zhǔn)的量化依據(jù)。以下為典型應(yīng)用案例：

案例一：親水膠體添加量的優(yōu)化

在一項戚風(fēng)蛋糕抗老化研究中，研究人員通過質(zhì)構(gòu)儀監(jiān)測不同黃原膠添加量對蛋糕硬度的影響。結(jié)果表明，黃原膠添加量為3.00g/kg時初始硬度低（603.99g） ，有效改善了蛋糕的品質(zhì)。通過硬度數(shù)據(jù)，研發(fā)團(tuán)隊可以精準(zhǔn)確定親水膠體的最佳添加量——既不過多（增加成本、影響口感），也不過少（達(dá)不到改善效果）。

案例二：防腐劑對老化速度的抑制

香蕉蛋糕研究中，通過質(zhì)構(gòu)儀測定空白組和山梨酸鉀添加組的硬度變化，發(fā)現(xiàn)添加0.15%山梨酸鉀可以有效減緩蛋糕變硬及咀嚼總功的增加。硬度數(shù)據(jù)量化了防腐劑在抑制蛋糕老化方面的實(shí)際效果。

案例三：糖替代品對質(zhì)構(gòu)的影響

D-塔格糖替代海綿蛋糕中蔗糖的研究表明，隨著塔格糖替換量的增加，蛋糕硬度逐漸升高（P＜0.05） 。這一發(fā)現(xiàn)為低糖蛋糕配方開發(fā)提供了重要的質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)支撐——研發(fā)人員需要在“降糖”與“保軟”之間做出權(quán)衡。

2. 工藝改進(jìn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動

硬度數(shù)據(jù)同樣可以指導(dǎo)烘焙工藝的優(yōu)化：

• 烘焙溫度與時間：通過監(jiān)測不同烘焙條件下蛋糕的硬度變化，確定最佳的烘焙曲線

• 原料混合工藝：不同混合時間、混合速度對蛋糕最終硬度的影響可通過質(zhì)構(gòu)儀量化

• 儲存條件優(yōu)化：在保質(zhì)期內(nèi)分時間段使用質(zhì)構(gòu)儀測定蛋糕硬度，評估不同儲存條件下的品質(zhì)變化

3. 建立“硬度-感官”的量化模型

研究表明，質(zhì)構(gòu)儀TPA的硬度指標(biāo)和感官評分呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01） 。企業(yè)可以通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累，建立硬度值與消費(fèi)者感官評分之間的量化模型：

• 收集不同配方、不同工藝條件下的蛋糕樣品

• 同時進(jìn)行質(zhì)構(gòu)儀硬度測試和消費(fèi)者感官評價

• 建立“硬度值→感官評分”的回歸模型

• 據(jù)此設(shè)定內(nèi)控硬度目標(biāo)區(qū)間（如200-350g）

當(dāng)硬度數(shù)據(jù)偏離目標(biāo)區(qū)間時，研發(fā)和品控團(tuán)隊可以及時介入，調(diào)整配方或工藝參數(shù)，確保產(chǎn)品口感的一致性。

四、蛋糕硬度測定中的常見問題與解決方案

問題一：同一樣品多次測試結(jié)果差異大

可能原因：樣品尺寸不一致；取樣位置不同（如靠近表皮與靠近中心）；樣品溫度不穩(wěn)定。

解決方案：使用模具或切片器確保樣品尺寸一致；統(tǒng)一從蛋糕芯部取樣；測試前在20-25℃室溫下回溫至少2小時。

問題二：硬度數(shù)據(jù)與感官評價不一致

可能原因：測試參數(shù)設(shè)置不當(dāng)（如壓縮程度過大導(dǎo)致樣品被壓碎）；觸發(fā)力設(shè)置過高；樣品制備時過度擠壓。

解決方案：優(yōu)化測試參數(shù)——對于蓬松的蛋糕樣品，建議壓縮程度40%-50%，觸發(fā)力5-10g；使用鋸齒刀切割，避免擠壓。

問題三：不同批次間硬度波動大

可能原因：原料批次差異（如面粉蛋白質(zhì)含量波動）；烘焙條件控制不精確；樣品冷卻條件不一致。

解決方案：建立原料入廠質(zhì)構(gòu)檢測制度；嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)化烘焙工藝參數(shù)；統(tǒng)一樣品冷卻和回溫條件。

五、西奧機(jī)電的蛋糕硬度檢測解決方案

濟(jì)南西奧機(jī)電有限公司（CELTEC西奧）作為專業(yè)的材料測試儀器制造商，長期致力于為食品、制藥、包裝等行業(yè)提供精準(zhǔn)的測試解決方案。其TEX系列質(zhì)構(gòu)分析儀在蛋糕等烘焙食品的硬度、彈性、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)檢測方面具備以下核心優(yōu)勢：

多模式測試能力：TEX系列支持TPA全質(zhì)構(gòu)分析、單次壓縮測試、穿刺測試、拉伸測試等多種模式。一次TPA測試可同時獲取硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性、回復(fù)性等多項質(zhì)構(gòu)參數(shù)，為蛋糕品質(zhì)評價提供全面的數(shù)據(jù)支撐。

高精度力學(xué)測量：采用高精度力量感應(yīng)元，多量程可選（0.5kg、5kg、10kg、50kg等），力值測量精度優(yōu)于0.5%F.S. ，位移分辨率達(dá)0.01mm。能夠精準(zhǔn)捕捉蛋糕在壓縮過程中的微小力學(xué)響應(yīng)，確保硬度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

標(biāo)準(zhǔn)化測試流程：儀器內(nèi)置多種標(biāo)準(zhǔn)化測試模板，包括烘焙食品TPA測試模板（參考AACC 74-09標(biāo)準(zhǔn)方法）。操作人員只需選擇對應(yīng)模板，儀器自動加載優(yōu)參數(shù)設(shè)置——測試前速度1.0mm/s、測試速度1.7-2.0mm/s、壓縮程度40%-50%、觸發(fā)力5-10g——大幅降低了方案設(shè)計的門檻。

力-位移曲線實(shí)時分析：測試過程中實(shí)時采集并顯示力-位移曲線。系統(tǒng)自動計算硬度（峰值力）、彈性（恢復(fù)比）、咀嚼性（硬度×內(nèi)聚性×彈性） 等關(guān)鍵參數(shù)。多條曲線可疊加對比，直觀評估不同配方或不同批次蛋糕之間的硬度差異。

數(shù)據(jù)合規(guī)與可追溯：測試數(shù)據(jù)自動記錄存儲，支持導(dǎo)出為報告。配套軟件可滿足食品生產(chǎn)SC審核、ISO質(zhì)量管理體系的數(shù)據(jù)管理要求。

西奧機(jī)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。

六、結(jié)語

蛋糕的硬度，看似一個簡單的物理指標(biāo)，實(shí)則承載著消費(fèi)者對產(chǎn)品品質(zhì)直觀的感知。質(zhì)構(gòu)儀TPA測試通過模擬人口腔的咀嚼運(yùn)動，將“松軟”“綿密”“干硬”等主觀描述轉(zhuǎn)化為硬度、彈性、咀嚼性等客觀、可量化的數(shù)據(jù)。

研究表明，硬度指標(biāo)與感官評分呈極顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.01） ——這一科學(xué)發(fā)現(xiàn)意味著，研發(fā)人員不再需要依賴“品嘗-調(diào)整-再品嘗”的循環(huán)來優(yōu)化配方，而是可以直接參考硬度數(shù)據(jù)做出精準(zhǔn)決策。當(dāng)硬度值在200-300g區(qū)間時，感官評分通常在9分以上；當(dāng)硬度值偏離目標(biāo)區(qū)間時，配方或工藝需要調(diào)整。

從樣品制備的標(biāo)準(zhǔn)化（1.0cm×1.0cm×1.0cm或2cm×2cm×2.5cm），到探頭類型的科學(xué)選擇（P/36R或P/75），再到測試參數(shù)的精確設(shè)置（壓縮程度40%-50%、觸發(fā)力5-10g、兩次壓縮間隔3-5s）——每一個環(huán)節(jié)的規(guī)范執(zhí)行，都是確保硬度數(shù)據(jù)可靠、可比較的前提。而質(zhì)構(gòu)儀正是將蛋糕的“手感”轉(zhuǎn)化為“數(shù)據(jù)”、將“經(jīng)驗判斷”升級為“科學(xué)決策”的核心工具。

濟(jì)南西奧機(jī)電有限公司（CELTEC西奧）TEX系列質(zhì)構(gòu)分析儀，以多模式測試能力、高精度力學(xué)測量、標(biāo)準(zhǔn)化測試流程、力-位移曲線實(shí)時分析為核心優(yōu)勢，為烘焙食品企業(yè)提供了從硬度檢測到配方優(yōu)化的全鏈條解決方案，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)持續(xù)提升。

本文依據(jù)TPA全質(zhì)構(gòu)分析原理、AACC 74-09標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)學(xué)術(shù)研究成果撰寫，僅供參考。具體測試操作請以儀器操作規(guī)程及產(chǎn)品特性為準(zhǔn)。