質構分析與脆性膠囊測試從食品到煙草的跨行業(yè)應用

在消費品工業(yè)的精密化浪潮中，一種看似簡單的產品形態(tài)——脆性膠囊，正成為多個行業(yè)共同關注的焦點。無論是食品飲料中的“爆爆珠”、日化產品中的精油顆粒，還是煙草制品中的增香爆珠，它們都具有相似的核殼結構：外層為具有一定機械強度的壁材，內層包裹液態(tài)風味物質或功能性成分。消費者在使用時通過外力擠壓使外殼破裂，釋放內容物，從而獲得獨特的感官體驗。

然而，如何科學地評估這類產品的“脆性”，確保其在恰當?shù)臅r刻以恰當?shù)牧Χ绕屏眩蔀榭缧袠I(yè)共同面臨的質量控制難題。質構分析技術的引入，為這一難題提供了解決方案。

（一）脆性膠囊測試的跨行業(yè)需求

食品飲料行業(yè)是脆性膠囊應用活躍的領域之一。奶茶中的爆爆珠、果味爆珠、含餡糖果等產品，其口感直接決定了消費者的接受度。華南理工大學的研究表明，爆爆珠是一種具有核殼結構的球形膠囊，外殼為具有咀嚼性的水凝膠，內核為具有流動性的風味芯液。通過反向成球技術制備的爆爆珠，其破裂力、硬度、彈性和咀嚼性等指標直接影響消費者的食用體驗。生產企業(yè)需要精確測定這些指標，確保爆爆珠在口腔咀嚼時能產生恰到好處的“爆漿感”，同時在奶茶攪拌、吸管吸取過程中不易破損。

制藥行業(yè)對脆性膠囊的力學性能要求更為嚴格。軟膠囊制劑作為一種常見的藥物劑型，其質構特性測試至關重要。如果膠囊太大或太硬，可能會給患者帶來吞咽困難或不適感，影響患者的服藥體驗和依從性；如果膠囊的壁太薄或太脆，可能會導致膠囊在運輸或使用過程中容易破裂，從而影響藥物的有效性和安全性。測量膠囊的彈性模量可以幫助了解膠囊在不同條件下的彈性特性，有助于優(yōu)化藥品包裝設計、改善藥物釋放控制；測量膠囊的抗壓力可以確保藥品包裝的安全性和穩(wěn)定性。

RAHMAN等人用硬度計和質構儀考察熱處理對索他洛爾聚氧乙烯骨架片內部結合強度的影響。硬度計顯示熱處理后該藥片硬度超過測量上限（500N）仍未碎裂，無法對藥片物理特性變化進行具體原因分析。而質構儀測量結果則能夠精確捕捉斷裂作用力、斷裂應變及破碎功的變化，為處方優(yōu)化提供了有效數(shù)據(jù)。

MEI等人以膠囊的彈性剛度、拉伸力和斷裂伸長率3個參數(shù)來定量描述3種不同親水性溶劑對硬膠囊力學性能影響，發(fā)現(xiàn)不同溶劑對膠囊硬度的影響機制各異。

煙草行業(yè)的爆珠應用已十分成熟。卷煙爆珠是嵌在香煙過濾嘴中的微型膠囊，直徑約2.6~4.6mm，內含液態(tài)香精香料，吸煙過程中捏破爆珠可使口感更豐富。2020年，鄭州煙草研究院主持完成的CORESTA（國際煙草科學研究合作中心）標準“煙用爆珠壓破強度的測定——恒速加壓法”正式發(fā)布。該標準適用于煙用爆珠壓破強度、壓破形變率和彈性指數(shù)的測定，彌補爆珠力學性能測量領域的技術空白。標準提出的3個測試參數(shù)既能考察消費者捏破爆珠的難易程度，又能考察爆珠生產加工過程的力學性能，國際共同實驗結果也表明標準中規(guī)定的測試方法具有良好的重復性和再現(xiàn)性，能夠滿足爆珠力學性能的測試要求。

（二）質構分析的核心指標與技術實現(xiàn)

質構分析儀通過標準化測試方法，將模糊的感官體驗轉化為精準的工程數(shù)據(jù)。對于脆性膠囊類產品，主要關注以下核心指標：

硬度（Hardness）：使膠囊變形所需要的力，反映膠囊抵抗變形的能力。在單次下壓測試中，探頭以恒定速度壓縮膠囊，記錄最大力值作為硬度指標。

脆性（Fracturability）：膠囊在受壓過程中力值驟降的點，量化產品“一咬即碎”的感官特征。對于餅干、薯片等食品，脆性是關鍵指標；對于爆珠類產品，脆性直接對應“爆漿感”的體驗閾值。

彈性模量（Elastic Modulus）：描述材料在受到外部力作用時，其形變程度與所施加的應力之間的關系。彈性模量高的膠囊更能保持形狀穩(wěn)定，不易受到外部壓力或變形的影響。在運輸、存儲和使用過程中，膠囊的外觀和結構更加穩(wěn)定，不容易變形或破裂。

擠壓功（Work of Compression）：代表使樣品產生形變所需要的能量，即力-位移曲線下的面積。高擠壓功的膠囊能夠更有效地保護內部的藥物，減少藥物在運輸和存儲過程中的破損和變質。

在技術實現(xiàn)上，現(xiàn)代質構儀普遍采用高精度力傳感器，能夠敏銳捕捉受力過程中極其微小的力變化，哪怕力的變化僅有毫牛級別，也能精準感知。其驅動系統(tǒng)可依據(jù)實驗需求，精確調控探頭的運動速度、位移以及時間等關鍵參數(shù)，速度控制精度可達0.01mm/s。搭配功能強大的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，能實時記錄并深度處理測試數(shù)據(jù)，生成直觀且蘊含豐富信息的力-位移曲線、應力-應變曲線等。

（三）跨行業(yè)應用的設備通用性

脆性膠囊卷煙爆珠強度測試儀的核心技術——高精度力值傳感、恒速施壓、位移精確測量——使其具備跨行業(yè)應用的潛力。這類設備通過更換不同規(guī)格的探頭和夾具，調整測試參數(shù)，可以適用于食品爆珠、化妝品微粒、藥品軟膠囊、煙草爆珠等多種脆性膠囊類產品的力學測試。

在食品行業(yè)，可采用穿刺模式模擬牙齒咬入果凍的過程，通過直徑為12.7mm的探頭以特定速度刺入樣品，精確記錄穿刺力與穿刺深度等數(shù)據(jù)。在制藥行業(yè)，可對軟膠囊進行單次下壓測試，測量彈性模量、最大力以及正面積等數(shù)據(jù)。在煙草行業(yè)，則嚴格遵循YC/T 608-2024和JJG(煙草)33-2024標準，采用恒速加壓法測定爆珠的壓破強度。

這種通用性為多品類產品生產的企業(yè)提供了便利，一臺設備可滿足不同產品的檢測需求，降低了設備投入成本。同時，統(tǒng)一的測試原理和可比的測試數(shù)據(jù)，也為跨行業(yè)的配方研發(fā)和質量控制提供了技術基礎。

（四）標準體系的建立與技術規(guī)范

隨著脆性膠囊類產品在多個行業(yè)的廣泛應用，相關檢測標準體系逐步建立。在煙草行業(yè)，2024年1月29日發(fā)布的YC/T 608-2024《卷煙爆珠強度測試儀通用技術條件》和JJG(煙草)33-2024《卷煙爆珠強度測試儀檢定規(guī)程》為行業(yè)提供了統(tǒng)一的技術規(guī)范。JJG(煙草)33-2024適用于測試儀的**次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢查，明確了施壓速度最大允許誤差、壓力測定范圍、位移測量最大允許誤差等計量性能要求。

在食品行業(yè)，質構分析可參考ISO 11036、AACC 74-09等國際標準。在制藥行業(yè)，膠囊的力學性能測試是藥品質量控制的重要組成部分，相關測試方法已被廣泛應用于研發(fā)和生產環(huán)節(jié)。

這些標準的出臺，不僅為各行業(yè)的脆性膠囊測試提供了依據(jù)，其技術思路也為跨行業(yè)的應用拓展提供了參考。

三、常見問題解答

問：脆性膠囊類產品的力學測試主要關注哪些指標？
答：主要關注硬度（使膠囊變形所需要的力）、脆性（力值驟降點，反映“爆漿感”）、彈性模量（評估膠囊形狀穩(wěn)定性）和擠壓功（使樣品產生形變所需能量）等指標。不同行業(yè)側重點略有差異：食品行業(yè)更關注脆性和咀嚼性，制藥行業(yè)更關注彈性模量和抗壓強度，煙草行業(yè)則重點關注壓破強度和形變率。

問：食品爆珠和煙用爆珠的測試方法有何異同？
答：兩者都采用壓縮測試的基本原理，但在具體參數(shù)設置上有所差異。煙用爆珠有明確的行業(yè)標準（YC/T 608-2024和JJG(煙草)33-2024），測試速度通常控制在15-25mm/min范圍內，位移測量精度要求達到±0.02mm。食品爆珠的測試則更加靈活，可根據(jù)樣品特性調整參數(shù)，如采用穿刺模式模擬牙齒咬入，或采用TPA雙循環(huán)壓縮全面評估硬度、彈性、咀嚼性等指標。

問：質構分析如何幫助優(yōu)化脆性膠囊的配方工藝？
答：通過測試不同配方、不同工藝參數(shù)下樣品的力學性能指標，可以建立配方-工藝-性能的定量關系。例如，研究人員可通過質構儀精確測定不同溶劑對膠囊硬度的影響，或通過調整明膠和海藻酸鈉的比例及交聯(lián)條件，有效調控水凝膠的壓縮模量，使其達到理想狀態(tài)。這種數(shù)據(jù)驅動的優(yōu)化方法，能夠顯著縮短研發(fā)周期，提高產品開發(fā)的成功率。

問：脆性膠囊的力學測試設備是否可以通用？
答：脆性膠囊卷煙爆珠強度測試儀的核心技術使其具備跨行業(yè)應用的潛力。通過更換不同規(guī)格的探頭和夾具，調整測試參數(shù)，這類設備可以適用于食品爆珠、化妝品微粒、藥品軟膠囊、煙草爆珠等多種產品的力學測試。這種通用性為多品類產品生產的企業(yè)提供了便利，一臺設備可滿足不同產品的檢測需求。

問：脆性膠囊測試的最新標準有哪些？
答：在煙草行業(yè)，最新的標準是2024年發(fā)布的YC/T 608-2024《卷煙爆珠強度測試儀通用技術條件》和JJG(煙草)33-2024《卷煙爆珠強度測試儀檢定規(guī)程》。在國際層面，鄭州煙草研究院主持完成的CORESTA標準“煙用爆珠壓破強度的測定——恒速加壓法”已正式發(fā)布，適用于煙用爆珠壓破強度、壓破形變率和彈性指數(shù)的測定。食品和制藥行業(yè)可參考ISO 11036、AACC 74-09等相關國際標準。

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