食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到食(shi)品的口感，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中的風(fēng)味(wei)釋放與體(ti)驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年中(zhong)，食品工(gong)業(yè)和食品科學(xué)(xue)界一(yi)直致力建立可(ke)行的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評測的(de)客觀(guan)方法，雖(sui)然取得了許多(duo)進(jìn)展，但是無(wu)論在食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測(ce)量技(ji)術(shù)方面，都還存(cun)在許多問題，無(wu)法準(zhǔn)確解釋消(xiao)費(fèi)者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的(de)復(fù)雜(za)物理學(xué)原(yuan)理，也不(bu)能很好滿足(zu)食品(pin)工業(yè)質(zhì)量(liang)控制的(de)需求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的難(nan)點(diǎn)在于其多維(wei)度和(he)多尺(chi)度共存的本質(zhì)(zhi)特點(diǎn)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食品材(cai)料物(wu)性相關(guān)(guan)的且(qie)能被消費(fèi)者感(gan)知的(de)一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且(qie)微妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對應(yīng)的(de)材料(liao)學(xué)性質(zhì)具有多(duo)重與動態(tài)的特(te)征。因(yin)此很難期待(dai)用單一(yi)的方(fang)法來描述(shu)或測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食(shi)品質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性(xing)原理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品(pin)口腔加工(gong)實(shí)驗(yàn)室陳(chen)建設(shè)教授(shou)與英國諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食(shi)品材(cai)料學(xué)和(he)物性學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，并以此(ci)準(zhǔn)確量化(hua)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。這個新模型(xing)的提出，使得(de)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可(ke)能，也為數(shù)字(zi)化時代將傳(chuan)統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描述提(ti)供了理論依(yi)據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分(fen)類有很多種方(fang)法，最常見的(de)是依據(jù)食品(pin)的形態(tài)，將其分(fen)為三大(da)類：固體(ti)食品，軟（半(ban)）固體食品，流體(ti)食品。固(gu)體食(shi)品泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力(li)并具有特定形(xing)態(tài)且不(bu)易形(xing)變的食品，可(ke)分為(wei)干固體食(shi)品（如餅干、堅(jiān)(jian)果、硬果(guo)糖等）和濕固體(ti)食品（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超出(chu)其屈服閾值(zhi)時，固體食品(pin)會直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品(pin)是指那些(xie)無法抗拒(ju)重力并(bing)不具自(zi)我形態(tài)的可(ke)自由流動的食(shi)品，這(zhe)類食品(pin)以其(qi)裝載的容器(qi)的形(xing)態(tài)為(wei)形態(tài)，極(ji)微小(xiao)的應(yīng)力(li)就可引起顯(xian)著的形變。軟(ruan)固體則介于兩(liang)者之(zhi)間，可(ke)抗拒重(zhong)力并保持一(yi)定的形態(tài)，但(dan)在弱(ruo)外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終(zhong)破裂。

固體(ti)食品的三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

圖1. 固體食品(pin)形變(bian)時應(yīng)力與應(yīng)(ying)變之(zhi)間的典型關(guān)系(xi)

食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形(xing)變特征的(de)口腔(qiang)感受(shou)，與食品的材料(liao)性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)(guan)。而對(dui)于不同的食品(pin)材料，形(xing)變的內(nèi)在決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)(qu)別。對于(yu)固體食品，其(qi)形變程度與(yu)形變所需的(de)能量是(shi)兩個(ge)最重要的物理(li)變量，也(ye)直接為(wei)消費(fèi)者(zhe)所感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(ge)物理變量都有(you)準(zhǔn)確的物(wu)理定義并(bing)可以(yi)被客(ke)觀的量化測(ce)量。圖(tu)1所示既是固體(ti)食品的(de)應(yīng)力(li)與形變之(zhi)間的關(guān)(guan)系，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所作的(de)功）則為(wei)應(yīng)力與(yu)形變距離(li)的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方的(de)面積。一(yi)般可(ke)以根據(jù)食(shi)品形變所需的(de)應(yīng)力大(da)小將(jiang)食品材(cai)料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變所需(xu)的能量大小則(ze)可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線表現(xiàn)(xian)為四(si)種典型的(de)食品材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且(qie)強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)除了(le)其形(xing)變程度與(yu)形變能量外(wai)，還有一項(xiàng)非(fei)常重要的體驗(yàn)(yan)是其破碎程度(du)?；谶@(zhe)樣的(de)思考，我們將固(gu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用(yong)三個(ge)維度來(lai)量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六(liu)個終端(duan)分別用六(liu)個熟悉的感官(guan)用語予以錨(mao)定：強(qiáng)度維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維(wei)度分(fen)別為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維度分別(bie)為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)(ju)三個維度(du)的量化(hua)數(shù)值把(ba)固體食品分為(wei)八個類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特(te)性的(de)三維模(mo)型

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的(de)三維分布

表1中三個(ge)維度變量中，強(qiáng)(qiang)度具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形(xing)變時的(de)應(yīng)力來表(biao)示，具有應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎(sui)前后的顆(ke)粒大小分布(bu)或破(po)碎前后的總(zong)表面積相比(bi)來量化，不具(ju)量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食品(pin)不同(tong)，流體(ti)食品形變時除(chu)了其形(xing)變程度和形(xing)變所需能量(liang)外，其形變(bian)所需的時(shi)間也是(shi)極其重要的參(can)考參數(shù)(shu)。單位時間的形(xing)變程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)的速度或(huo)速率，直接影響(xiang)材料形變過(guo)程中材料(liao)內(nèi)部的能量(liang)狀況，是儲(chu)存于(yu)材料(liao)內(nèi)部還是通過(guo)其他形式(shi)（如熱(re)能）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動時(shi)的剪切應(yīng)力與(yu)剪切速率之間(jian)的幾種典型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體材(cai)料的(de)形變(bian)關(guān)系(xi)，對比圖1的固體材料形(xing)變，其(qi)橫坐標(biāo)的形(xing)變程(cheng)度已(yi)為形變速率(lv)（定義(yi)為單位時(shi)間的(de)形變量）所替(ti)代。不同的流(liu)體材料(liao)表現(xiàn)為非常不(bu)同的應(yīng)力與形(xing)變速率的關(guān)(guan)系，如牛(niu)頓流體，剪切切(qie)稀流體，剪(jian)切切稠流體(ti)，觸變(bian)性流(liu)體等。

雖然(ran)上述的流變行(xing)為能準(zhǔn)確描述(shu)流體食品形(xing)變的基(ji)本行為或所需(xu)外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示(shi)外應(yīng)力形變(bian)后的能量儲存(cun)與耗散(san)的情(qing)況。這一點(diǎn)(dian)對于流(liu)體食品非常重(zhong)要，關(guān)系到流(liu)體食品(pin)在外應(yīng)力消(xiao)失后，是否(fou)能夠彈(dan)性恢復(fù)原來(lai)的形狀(zhuang)。這個性(xing)質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為黏彈(dan)性，并可(ke)以用大(da)形變振幅方法(fa)來準(zhǔn)(zhun)確測量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是它的(de)兩個ji端情況：前(qian)者意味著(zhe)流體會像彈(dan)簧一(yi)樣儲存形(xing)變時(shi)的所(suo)有外加能(neng)量，當(dāng)外力取消(xiao)后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指(zhi)流體像水一(yi)樣，不具(ju)任何(he)能量儲存能力(li)，所有(you)外加的形變(bian)能量都會因(yin)分子或(huo)顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗(hao)散（相角90度)。大部(bu)分流體食品(pin)即有(you)一定(ding)的彈(dan)性也(ye)有一定的黏(nian)性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏(nian)彈性的切(qie)分點(diǎn)，小(xiao)于45度彈性(xing)為主，大(da)于45度則(ze)黏性為主。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈(dan)性的(de)表征稍顯復(fù)(fu)雜，它(ta)與形(xing)變速率(lv)或頻(pin)率直接相(xiang)關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻(pin)率增(zeng)加時，流體(ti)食品的(de)彈性傾向加(jia)強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變振(zhen)幅的頻(pin)率降低(di)時，流體食(shi)品的黏性性(xing)質(zhì)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型

把流體(ti)材料的(de)這些(xie)本質(zhì)(zhi)特征(zheng)組合可(ke)以形(xing)成另一個三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個維度分別(bie)為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性（或流動(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的(de)六個末端也(ye)可以用感官(guan)詞語來表達(dá)（見(jian)表2）。

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

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述的三(san)維模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大部分(fen)固體和流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的空間分(fen)布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。但是如何(he)處理軟固(gu)體或(huo)半固體食品，目(mu)前還沒(mei)有一(yi)個好的辦法。軟(ruan)固體食品(pin)是非常廣(guang)泛的(de)食品體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變程度起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝(ning)膠類食品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速(su)率起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他糊狀類食(shi)品）。如此廣(guang)泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用(yong)一個模(mo)型來(lai)形容，作為一(yi)個大(da)致的方法，可(ke)以根據(jù)軟固(gu)體食品的形(xing)變程度和形變(bian)速率的作用(yong)程度(du)，決定(ding)采用近似固體(ti)處理或近(jin)似流體處理。前(qian)者可(ke)以固體食品的(de)三維模(mo)型處理(li)，而后者基本(ben)上可以參照流(liu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理(li)。

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三維(wei)模型(xing)的局限性

本文提出的(de)食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模(mo)型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但(dan)是模型的應(yīng)用(yong)仍有一(yi)定的局限性。首(shou)先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型只(zhi)能適用(yong)于均(jun)相的(de)食品體系，對(dui)于多相混雜(za)的食品（例如夾(jia)心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該(gai)分相(xiang)描述(shu)。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦(yi)不能(neng)描述一些(xie)與分散(san)體系(xi)相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分散(san)體系食(shi)品常(chang)常包含(han)分散(san)顆粒，雖(sui)為均相(xiang)分布(bu)，但是這些分散(san)顆粒(li)除了(le)影響整體(ti)材料性質(zhì)外，還(hai)會帶來一(yi)些與顆粒相(xiang)關(guān)的(de)特殊的質(zhì)構(gòu)(gou)口感特征，如顆(ke)粒感、粉感等(deng)。另外，食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維(wei)模型也不包(bao)括因(yin)食物入(ru)口后與(yu)唾液相互作用(yong)而產(chǎn)生成分(fen)或微結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引起(qi)的質(zhì)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑溜(liu)感等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)有(you)如流(liu)變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)等一些(xie)成熟(shu)的測量技(ji)術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀測(ce)量的結(jié)果(guo)往往因其過于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)性質(zhì)的直(zhi)接對應(yīng)(ying)，而不被(bei)食品工業(yè)所(suo)接受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀(yi)測量只能(neng)是相對的(de)測量(liang)，很大程(cheng)度上(shang)只是定性測量(liang)，其測量的(de)方式和測量的(de)結(jié)果(guo)缺乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)室(shi)之間的質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)結(jié)果無法直接(jie)比較。zui明(ming)顯的例子(zi)是文(wen)獻(xiàn)上廣泛(fan)報道的所(suo)謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被(bei)嚴(yán)重誤用的情(qing)況。我們試圖從(cong)食品材料的(de)形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和(he)感官的食品(pin)材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各類食品材(cai)料進(jìn)行可比(bi)較的量化分析(xi)，從而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維譜(pu)圖分(fen)布，區(qū)分各食品(pin)之間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為(wei)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體系提(ti)供了可(ke)靠的理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與(yu)浙江工商(shang)大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊作(zuo)者）合作(zuo)完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整理(li)寫作(zuo)，有些(xie)地方對(dui)原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝：本(ben)文寫作(zuo)過程中，馬添先(xian)生提出(chu)許多建設(shè)性(xing)的建議(yi)。