食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系(xi)到食品(pin)的口感，也(ye)顯著影響(xiang)食物在(zai)口腔中的風(fēng)(feng)味釋放與體(ti)驗(yàn)。過去數(shù)十年(nian)中，食(shi)品工業(yè)(ye)和食(shi)品科學(xué)界一(yi)直致力建立可(ke)行的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)評測的(de)客觀方法，雖然(ran)取得了許多(duo)進(jìn)展，但(dan)是無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析(xi)測量技術(shù)方(fang)面，都還存在許(xu)多問題，無法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)雜(za)物理學(xué)(xue)原理，也不(bu)能很好滿足(zu)食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控(kong)制的(de)需求(qiu)。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難(nan)點(diǎn)在于其(qi)多維度和多(duo)尺度共存(cun)的本質(zhì)(zhi)特點(diǎn)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上(shang)是與食品材料(liao)物性相(xiang)關(guān)的且能被消(xiao)費(fèi)者感知的(de)一系列(lie)性質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多復(fù)雜(za)且微妙(miao)變化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性(xing)，其相對(dui)應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)具有多(duo)重與動(dòng)態(tài)的(de)特征(zheng)。因此(ci)很難期待(dai)用單一的方(fang)法來描述或(huo)測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維(wei)性原理，浙江工(gong)商大學(xué)食(shi)品口腔加工(gong)實(shí)驗(yàn)室(shi)陳建設(shè)教授與(yu)英國(guo)諾丁漢(han)大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從(cong)食品材料學(xué)和(he)物性(xing)學(xué)原理出發(fā)(fa)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準(zhǔn)確(que)量化不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征。這(zhe)個(gè)新模型的(de)提出，使得建立(li)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖(tu)成為可能(neng)，也為數(shù)字(zi)化時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化(hua)描述提(ti)供了理(li)論依據(jù)(ju)。

食品的材料(liao)分類

食品的分(fen)類有很多種方(fang)法，最常(chang)見的是依據(jù)食(shi)品的(de)形態(tài)(tai)，將其分(fen)為三大類：固體(ti)食品，軟（半(ban)）固體食品(pin)，流體食品(pin)。固體(ti)食品泛指那些(xie)可以抗拒(ju)重力并具有特(te)定形態(tài)且不易(yi)形變的食(shi)品，可(ke)分為(wei)干固(gu)體食品（如餅(bing)干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖等）和濕(shi)固體食品（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈服(fu)閾值時(shí)，固體食(shi)品會(huì)直接斷(duan)裂或脆裂。流(liu)體食品是指(zhi)那些無法(fa)抗拒重(zhong)力并不(bu)具自(zi)我形態(tài)(tai)的可自由流動(dòng)(dong)的食(shi)品，這類食品(pin)以其裝載(zai)的容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極微(wei)小的應(yīng)力就可(ke)引起(qi)顯著(zhu)的形變。軟(ruan)固體則(ze)介于兩者之(zhi)間，可抗拒(ju)重力并(bing)保持一定(ding)的形(xing)態(tài)，但在弱外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)生形變，并(bing)最終破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品形變(bian)時(shí)應(yīng)(ying)力與應(yīng)(ying)變之間的典(dian)型關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食(shi)品形變特征(zheng)的口(kou)腔感受，與食品(pin)的材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而(er)對于不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nèi)在決(jue)定因(yin)素有(you)著很大的(de)區(qū)別(bie)。對于(yu)固體食品，其(qi)形變(bian)程度(du)與形(xing)變所需的(de)能量是兩個(gè)(ge)最重(zhong)要的(de)物理變量，也直(zhi)接為消費(fèi)者所(suo)感知。很幸運(yùn)的(de)是，這兩個(gè)物(wu)理變量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理定(ding)義并可以(yi)被客(ke)觀的量化(hua)測量(liang)。圖1所示既是固(gu)體食(shi)品的應(yīng)(ying)力與形變之(zhi)間的關(guān)系，而(er)形變所需的能(neng)量（或所作的功(gong)）則為(wei)應(yīng)力與形變(bian)距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)力線下方(fang)的面積。一般可(ke)以根據(jù)(ju)食品形變(bian)所需的應(yīng)(ying)力大小將食品(pin)材料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需的能(neng)量大(da)小則可將(jiang)食品材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條(tiao)直線表現(xiàn)為四(si)種典型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了(le)其形變程度與(yu)形變能量外(wai)，還有(you)一項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是其(qi)破碎程(cheng)度。基(ji)于這樣的(de)思考，我們將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用三(san)個(gè)維度來量化(hua)描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分別用六(liu)個(gè)熟悉的感官(guan)用語(yu)予以(yi)錨定：強(qiáng)度維度(du)分別為強(qiáng)(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個(gè)維度(du)的量化數(shù)值把(ba)固體食(shi)品分(fen)為八個(gè)(ge)類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分布

表1中三個(gè)維(wei)度變量中，強(qiáng)(qiang)度具有能(neng)量單位(wei)（Pa.m或者(zhe)J），硬度(du)可用最大形(xing)變時(shí)的(de)應(yīng)力來表示，具(ju)有應(yīng)(ying)力單位（Pa）,而破碎(sui)度可用破(po)碎前后的(de)顆粒大小分布(bu)或破碎前后的(de)總表面(mian)積相(xiang)比來量化，不具(ju)量綱(gang)。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食品(pin)不同，流體(ti)食品形變(bian)時(shí)除了其形(xing)變程度(du)和形變所需(xu)能量外，其形(xing)變所需的時(shí)間(jian)也是極其重(zhong)要的參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變程度體(ti)現(xiàn)流(liu)體食(shi)品在外(wai)應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形變的(de)速度或(huo)速率，直接影(ying)響材料形(xing)變過程中(zhong)材料內(nèi)部的能(neng)量狀況，是儲(chǔ)存(cun)于材料內(nèi)(nei)部還是(shi)通過其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)(ying)力與剪切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)系(xi)

圖3給出(chu)了流體(ti)材料的形變(bian)關(guān)系，對比圖1的固(gu)體材(cai)料形變，其(qi)橫坐標(biāo)的(de)形變程度已(yi)為形變(bian)速率(lv)（定義為單(dan)位時(shí)間的(de)形變量(liang)）所替代。不同的(de)流體材(cai)料表現(xiàn)(xian)為非常不同(tong)的應(yīng)力與形變(bian)速率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀流體，剪切(qie)切稠(chou)流體，觸變(bian)性流體等。

雖然上(shang)述的(de)流變行為能(neng)準(zhǔn)確描(miao)述流體(ti)食品形變的(de)基本(ben)行為或所(suo)需外應(yīng)力（能量(liang)）的關(guān)(guan)系，但(dan)是卻不能顯示(shi)外應(yīng)力形變(bian)后的能量儲(chǔ)(chu)存與耗散(san)的情況。這一點(diǎn)(dian)對于流體(ti)食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體(ti)食品(pin)在外應(yīng)力消(xiao)失后，是否能夠(gou)彈性(xing)恢復(fù)(fu)原來的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱為(wei)黏彈性，并可以(yi)用大形變振幅(fu)方法來準(zhǔn)(zhun)確測量。wanquan彈(dan)性或(huo)wanquan黏性是(shi)它的兩(liang)個(gè)ji端情況：前者(zhe)意味著(zhe)流體會(huì)像彈簧(huang)一樣儲(chǔ)存形變(bian)時(shí)的所有外(wai)加能量，當(dāng)外(wai)力取(qu)消后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指流體(ti)像水一樣(yang)，不具(ju)任何(he)能量儲(chǔ)存能力(li)，所有外加的形(xing)變能(neng)量都(dou)會(huì)因(yin)分子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗(hao)散（相角(jiao)90度)。大部分流(liu)體食品即有一(yi)定的彈性也(ye)有一定的黏性(xing)，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相(xiang)角為黏彈性(xing)的切(qie)分點(diǎn)，小(xiao)于45度彈(dan)性為(wei)主，大于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流(liu)體食(shi)品黏(nian)彈性的表征(zheng)稍顯(xian)復(fù)雜，它與(yu)形變(bian)速率或頻(pin)率直(zhi)接相關(guān)(guan)。一般(ban)情況下，當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率增加時(shí)(shi)，流體食品的(de)彈性傾(qing)向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時(shí)，流體食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)會(huì)(hui)更加(jia)突出。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特(te)性的三(san)維模型

把流體材料(liao)的這些本質(zhì)(zhi)特征(zheng)組合(he)可以形成(cheng)另一個(gè)三維度(du)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個(gè)維度(du)分別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性（或流動(dòng)(dong)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的六(liu)個(gè)末端也可以(yi)用感官詞語來(lai)表達(dá)（見(jian)表2）。

表2. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型(xing)說明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)確(que)描述大部(bu)分固體和(he)流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食品(pin)質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但是(shi)如何處(chu)理軟固體(ti)或半(ban)固體食(shi)品，目前(qian)還沒有(you)一個(gè)(ge)好的辦法。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣(guang)泛的食品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由(you)形變程度起主(zhu)導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如面包、饅(man)頭、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速(su)率起主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如酸奶和其(qi)他糊狀(zhuang)類食品）。如(ru)此廣泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難以(yi)用一個(gè)(ge)模型來形容(rong)，作為(wei)一個(gè)大致(zhi)的方(fang)法，可以(yi)根據(jù)軟(ruan)固體食品的形(xing)變程度和形(xing)變速率(lv)的作用程度(du)，決定采用(yong)近似固體處(chu)理或近(jin)似流(liu)體處理。前者(zhe)可以固體(ti)食品的三維(wei)模型(xing)處理，而后(hou)者基本上可(ke)以參照流體(ti)食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型來(lai)處理。

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三維(wei)模型的局限(xian)性

本文(wen)提出的食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，突破(po)了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理(li)論，但是(shi)模型的應(yīng)用(yong)仍有(you)一定的局限(xian)性。首先，食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)只能(neng)適用(yong)于均相的(de)食品體系，對(dui)于多相混雜的(de)食品（例如夾(jia)心餅干(gan)等），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則(ze)應(yīng)該分相(xiang)描述。第二，三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型亦不能描述(shu)一些與(yu)分散體系相(xiang)關(guān)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常常(chang)包含分散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布，但是這(zhe)些分散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)帶來(lai)一些與顆粒(li)相關(guān)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆(ke)粒感、粉感(gan)等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模(mo)型也不包括(kuo)因食(shi)物入(ru)口后與(yu)唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)(chan)生成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀感(gan)、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然已(yi)經(jīng)有如流變(bian)儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等(deng)一些成(cheng)熟的測量技術(shù)(shu)，但是(shi)流變(bian)儀測量的(de)結(jié)果(guo)往往因其過于(yu)基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口感性質(zhì)(zhi)的直接對(dui)應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)所接(jie)受。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測量只能是(shi)相對的(de)測量，很大(da)程度上只(zhi)是定(ding)性測量，其(qi)測量的方(fang)式和測量(liang)的結(jié)果(guo)缺乏(fa)明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)(yan)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果(guo)無法直(zhi)接比較(jiao)。zui明顯的例(li)子是文(wen)獻(xiàn)上(shang)廣泛報(bào)道的所(suo)謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷和被(bei)嚴(yán)重(zhong)誤用的情況。我(wo)們試圖從(cong)食品材料的(de)形變(bian)原理出(chu)發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)和感(gan)官的食(shi)品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型的zui大優(yōu)(you)點(diǎn)是可(ke)以將各類(lei)食品材料進(jìn)(jin)行可(ke)比較的(de)量化分析，從(cong)而建立食(shi)品體系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖(tu)分布，區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系提供(gong)了可靠(kao)的理論依(yi)據(jù)。

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原文(wen)由英國(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)(xue)陳建設(shè)(she)教授（通(tong)訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)(fa)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新整(zheng)理寫作，有些(xie)地方對(dui)原文(wen)稍有修改。

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致謝：本文寫(xie)作過程(cheng)中，馬添先(xian)生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的(de)建議。