食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不僅直接關(guān)(guan)系到食品(pin)的口(kou)感，也顯(xian)著影響食(shi)物在口(kou)腔中(zhong)的風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)。過(guò)(guo)去數(shù)十年(nian)中，食品工(gong)業(yè)和食品科學(xué)(xue)界一直(zhi)致力建立(li)可行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評(píng)測(cè)的客(ke)觀方法，雖(sui)然取得了許多(duo)進(jìn)展(zhan)，但是無(wú)論(lun)在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理(li)論還(hai)是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分(fen)析測(cè)量技術(shù)方(fang)面，都(dou)還存在(zai)許多問(wèn)題，無(wú)(wu)法準(zhǔn)確解(jie)釋消(xiao)費(fèi)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官背后的(de)復(fù)雜物理(li)學(xué)原理，也(ye)不能很(hen)好滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量(liang)控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析的難點(diǎn)在于(yu)其多維度(du)和多(duo)尺度共存(cun)的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食品(pin)材料(liao)物性相(xiang)關(guān)的且能(neng)被消費(fèi)(fei)者感知的一系(xi)列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)(fu)雜且(qie)微妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其相對(duì)(dui)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多重(zhong)與動(dòng)態(tài)(tai)的特征(zheng)。因此很難期待(dai)用單一(yi)的方法來(lái)描(miao)述或測(cè)量(liang)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原理(li)，浙江工商(shang)大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實(shí)驗(yàn)室(shi)陳建設(shè)(she)教授(shou)與英國(guó)(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學(xué)和(he)物性學(xué)原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出(chu)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準(zhǔn)(zhun)確量化不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。這個(gè)(ge)新模(mo)型的提出(chu)，使得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為可能(neng)，也為數(shù)字化(hua)時(shí)代將傳(chuan)統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的感(gan)官詞語(yǔ)描述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提(ti)供了理(li)論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分類(lei)有很(hen)多種方法，最常(chang)見(jiàn)的是(shi)依據(jù)食(shi)品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為三大(da)類：固(gu)體食(shi)品，軟（半）固體食(shi)品，流體食品(pin)。固體食品泛指(zhi)那些可(ke)以抗(kang)拒重力并(bing)具有特定(ding)形態(tài)且(qie)不易形變的食(shi)品，可分為干(gan)固體食品(pin)（如餅(bing)干、堅(jiān)果(guo)、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(qu)服閾值(zhi)時(shí)，固體食(shi)品會(huì)直接(jie)斷裂(lie)或脆裂。流體食(shi)品是指(zhi)那些(xie)無(wú)法抗拒(ju)重力并(bing)不具自(zi)我形態(tài)(tai)的可自由流(liu)動(dòng)的食品，這(zhe)類食品(pin)以其裝(zhuang)載的(de)容器的(de)形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的(de)應(yīng)力就可引(yin)起顯著的形(xing)變。軟固體(ti)則介(jie)于兩者之(zhi)間，可抗拒重(zhong)力并保(bao)持一定(ding)的形態(tài)，但在弱(ruo)外應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生形變(bian)，并最終(zhong)破裂。

固體(ti)食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)力與(yu)應(yīng)變之(zhi)間的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形變特征(zheng)的口腔感受(shou)，與食(shi)品的材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而(er)對(duì)于不(bu)同的食品材料(liao)，形變的內(nèi)在決(jue)定因(yin)素有著(zhe)很大的(de)區(qū)別。對(duì)于固(gu)體食(shi)品，其(qi)形變程度與形(xing)變所需(xu)的能量是兩個(gè)(ge)最重(zhong)要的物理變(bian)量，也直接為消(xiao)費(fèi)者所感(gan)知。很幸運(yùn)(yun)的是，這兩個(gè)物(wu)理變量都有(you)準(zhǔn)確的物理(li)定義并可以(yi)被客觀的量化(hua)測(cè)量。圖(tu)1所示既是固體(ti)食品的應(yīng)力與(yu)形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變所(suo)需的能(neng)量（或所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)(ying)力與形變距(ju)離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方(fang)的面積。一(yi)般可(ke)以根據(jù)食品(pin)形變所(suo)需的應(yīng)力大(da)小將(jiang)食品材料大致(zhi)分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所(suo)需的能量大(da)小則(ze)可將食品材(cai)料分(fen)為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典型的(de)食品材料(liao)：(a)硬且弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形變程(cheng)度與形變能量(liang)外，還有一(yi)項(xiàng)非(fei)常重要的體驗(yàn)(yan)是其破碎程度(du)?；谶@樣的思(si)考，我們將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維(wei)度來(lái)量化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)(ge)終端(duan)分別用六個(gè)(ge)熟悉的感(gan)官用語(yǔ)予以錨(mao)定：強(qiáng)度(du)維度分別為強(qiáng)(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易碎(sui)性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個(gè)維(wei)度的量化數(shù)值(zhi)把固體食品分(fen)為八個(gè)(ge)類別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述(shu)見(jiàn)表(biao)1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三(san)維模型(xing)

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征的三維分(fen)布

表1中三(san)個(gè)維度(du)變量中，強(qiáng)度(du)具有能量(liang)單位（Pa.m或者(zhe)J），硬度可用最大(da)形變時(shí)的(de)應(yīng)力來(lái)(lai)表示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后的(de)顆粒大小分布(bu)或破碎前(qian)后的總表面(mian)積相比(bi)來(lái)量化(hua)，不具(ju)量綱。

流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體(ti)食品形變時(shí)(shi)除了其(qi)形變程度和(he)形變所需能量(liang)外，其形變(bian)所需的時(shí)(shi)間也(ye)是極其重(zhong)要的(de)參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變程度(du)體現(xiàn)流(liu)體食(shi)品在外應(yīng)力(li)作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變的速度或(huo)速率，直(zhi)接影(ying)響材料(liao)形變過(guò)程中材(cai)料內(nèi)(nei)部的能量(liang)狀況，是儲(chǔ)存于(yu)材料(liao)內(nèi)部(bu)還是(shi)通過(guò)其他形(xing)式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流動(dòng)(dong)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力與(yu)剪切速(su)率之(zhi)間的幾(ji)種典型關(guān)系(xi)

圖3給出(chu)了流體材料(liao)的形變關(guān)(guan)系，對(duì)(dui)比圖(tu)1的固(gu)體材(cai)料形變，其(qi)橫坐標(biāo)的形變(bian)程度(du)已為形(xing)變速率（定義為(wei)單位時(shí)間的(de)形變量）所(suo)替代(dai)。不同的(de)流體材料(liao)表現(xiàn)為(wei)非常不同(tong)的應(yīng)力與形變(bian)速率(lv)的關(guān)(guan)系，如(ru)牛頓流體(ti)，剪切(qie)切稀流(liu)體，剪切切(qie)稠流體(ti)，觸變(bian)性流體等(deng)。

雖然上述的(de)流變行為能準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)流體食品形(xing)變的基本行為(wei)或所需(xu)外應(yīng)(ying)力（能(neng)量）的關(guān)系，但(dan)是卻不(bu)能顯(xian)示外應(yīng)力形(xing)變后的能量?jī)?chǔ)(chu)存與耗散的(de)情況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)于流體食(shi)品非常重要(yao)，關(guān)系到流(liu)體食(shi)品在外應(yīng)力(li)消失后(hou)，是否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來(lái)的(de)形狀(zhuang)。這個(gè)(ge)性質(zhì)(zhi)在流(liu)變學(xué)中稱(cheng)為黏彈性(xing)，并可以(yi)用大形變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)確(que)測(cè)量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的(de)兩個(gè)ji端情況：前(qian)者意味著流體(ti)會(huì)像彈(dan)簧一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)(shi)的所有外加(jia)能量(liang)，當(dāng)外(wai)力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lái)狀態(tài)（零(ling)度相角)，后者則指流(liu)體像水一(yi)樣，不具任何能(neng)量?jī)?chǔ)存(cun)能力，所有外加(jia)的形(xing)變能量都(dou)會(huì)因分子(zi)或顆粒(li)摩擦(ca)被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)闊崮懿⒑?hao)散（相角90度)。大部(bu)分流體食(shi)品即有一(yi)定的彈性(xing)也有(you)一定的黏(nian)性，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角(jiao)為黏彈性(xing)的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性為主，大(da)于45度則黏性(xing)為主。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏(nian)彈性(xing)的表(biao)征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形(xing)變速率或(huo)頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情(qing)況下，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時(shí)，流體食品(pin)的彈(dan)性傾向加強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變(bian)振幅(fu)的頻(pin)率降(jiang)低時(shí)，流體(ti)食品(pin)的黏(nian)性性(xing)質(zhì)會(huì)更加突(tu)出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三(san)維模型(xing)

把流(liu)體材料的這些(xie)本質(zhì)(zhi)特征組合可(ke)以形成另一個(gè)(ge)三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見(jiàn)(jian)圖4三個(gè)維(wei)度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的(de)六個(gè)末端(duan)也可以用(yong)感官詞語(yǔ)(yu)來(lái)表達(dá)（見(jiàn)表(biao)2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三(san)維模型說(shuō)明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)確(que)描述大部分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布圖(tu)，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體或(huo)半固(gu)體食品，目前(qian)還沒(méi)有一個(gè)好(hao)的辦法。軟(ruan)固體食品(pin)是非常(chang)廣泛(fan)的食品(pin)體系，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變程(cheng)度起主導(dǎo)作用(yong)的軟固體(ti)（如面包(bao)、饅頭、豆腐(fu)、果凍、凝膠(jiao)類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變速(su)率起(qi)主導(dǎo)作(zuo)用的軟固體(ti)（如酸奶和其(qi)他糊狀類食品(pin)）。如此廣(guang)泛差異的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)難以用(yong)一個(gè)模型(xing)來(lái)形容，作(zuo)為一個(gè)大致(zhi)的方法，可以根(gen)據(jù)軟(ruan)固體食(shi)品的(de)形變(bian)程度和形變速(su)率的作用程(cheng)度，決定采用(yong)近似固(gu)體處理或近(jin)似流體(ti)處理。前者可(ke)以固體食(shi)品的三維模(mo)型處理，而后(hou)者基本上可(ke)以參照(zhao)流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)來(lái)處理。

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三維(wei)模型的局限(xian)性

本文提(ti)出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理(li)論，但是(shi)模型的(de)應(yīng)用仍有一定(ding)的局(ju)限性(xing)。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型(xing)只能適用于(yu)均相的食品(pin)體系，對(duì)(dui)于多相混雜(za)的食(shi)品（例如夾(jia)心餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦(yi)不能描述(shu)一些與分散(san)體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體系食(shi)品常常包含(han)分散顆粒，雖(sui)為均相(xiang)分布，但(dan)是這些分(fen)散顆粒除(chu)了影響(xiang)整體(ti)材料(liao)性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)(hui)帶來(lái)一些(xie)與顆粒相關(guān)的(de)特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆粒(li)感、粉感等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)的三(san)維模(mo)型也不包括因(yin)食物入口(kou)后與唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)生(sheng)成分或微結(jié)構(gòu)(gou)變化因(yin)而引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已經(jīng)(jing)有如流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等(deng)一些成熟(shu)的測(cè)(ce)量技術(shù)，但(dan)是流變(bian)儀測(cè)量的結(jié)果(guo)往往因其過(guò)(guo)于基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的(de)直接(jie)對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食(shi)品工業(yè)所接(jie)受。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)(ce)量只能是(shi)相對(duì)的測(cè)量，很(hen)大程(cheng)度上只是定性(xing)測(cè)量，其測(cè)(ce)量的方式(shi)和測(cè)量的結(jié)(jie)果缺乏明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)室(shi)之間的質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無(wú)(wu)法直接比較(jiao)。zui明顯(xian)的例子(zi)是文獻(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)(bao)道的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯(xian)的缺陷和被(bei)嚴(yán)重誤用的(de)情況。我們?cè)?shi)圖從食品(pin)材料的形(xing)變?cè)沓霭l(fā)(fa)，揭示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)感官的食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型的zui大優(yōu)(you)點(diǎn)是(shi)可以將各(ge)類食品(pin)材料進(jìn)行可(ke)比較的(de)量化分析(xi)，從而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜(pu)圖分布，區(qū)分各(ge)食品之間(jian)的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體(ti)系提供了可(ke)靠的理論依(yi)據(jù)。

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原文(wen)由英國(guó)諾丁(ding)漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者）與浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)陳(chen)建設(shè)教授(shou)（通訊(xun)作者）合作完(wan)成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新(xin)整理寫作，有些(xie)地方對(duì)原(yuan)文稍有修(xiu)改。

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致謝：本文(wen)寫作過(guò)程(cheng)中，馬添(tian)先生提(ti)出許多建設(shè)(she)性的建議。