食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)(guan)系到(dao)食品的口(kou)感，也顯著(zhu)影響食物在(zai)口腔中的風(fēng)(feng)味釋放與體(ti)驗(yàn)。過(guò)去(qu)數(shù)十(shi)年中，食品工業(yè)(ye)和食品(pin)科學(xué)界一直致(zhi)力建(jian)立可行的(de)食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測(cè)的客(ke)觀(guān)方法，雖(sui)然取得了(le)許多進(jìn)(jin)展，但(dan)是無(wú)論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論(lun)還是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測(cè)量技術(shù)(shu)方面，都還存在(zai)許多(duo)問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理，也不(bu)能很好滿(mǎn)(man)足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的(de)難點(diǎn)在于其(qi)多維度和多(duo)尺度共存的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上(shang)是與食品材(cai)料物性(xing)相關(guān)的且(qie)能被消費(fèi)者感(gan)知的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)，包含(han)很多復(fù)雜且微(wei)妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其相對(duì)應(yīng)(ying)的材(cai)料學(xué)性質(zhì)具有(you)多重與動(dòng)態(tài)的(de)特征。因此很(hen)難期待用單一(yi)的方(fang)法來(lái)描(miao)述或測(cè)量食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實(shí)驗(yàn)(yan)室陳建設(shè)(she)教授與英(ying)國(guó)諾丁(ding)漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原(yuan)理出(chu)發(fā)，提出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型(xing)，并以(yi)此準(zhǔn)(zhun)確量化不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(gè)新(xin)模型的提出，使(shi)得建(jian)立食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖(tu)成為可能(neng)，也為數(shù)字化(hua)時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)感官(guan)詞語(yǔ)描述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)數(shù)字化(hua)描述提(ti)供了(le)理論依據(jù)。

食品(pin)的材(cai)料分類(lèi)

食品的分(fen)類(lèi)有很多種(zhong)方法(fa)，最常見(jiàn)的(de)是依據(jù)(ju)食品的形(xing)態(tài)，將其(qi)分為(wei)三大類(lèi)(lei)：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品，流體(ti)食品。固體食品(pin)泛指那些可以(yi)抗拒重力并具(ju)有特定(ding)形態(tài)且不易形(xing)變的食品，可分(fen)為干固體食品(pin)（如餅(bing)干、堅(jiān)果、硬果糖(tang)等）和濕(shi)固體食品(pin)（如蘋(píng)果、梨(li)等）。當(dāng)外應(yīng)力超(chao)出其屈服閾(yu)值時(shí)，固體食(shi)品會(huì)直接斷裂(lie)或脆裂。流體(ti)食品是(shi)指那些無(wú)(wu)法抗拒重(zhong)力并不具(ju)自我(wo)形態(tài)的(de)可自由流動(dòng)的(de)食品，這(zhe)類(lèi)食品(pin)以其裝載的容(rong)器的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極微(wei)小的(de)應(yīng)力(li)就可引起(qi)顯著的(de)形變。軟固體則(ze)介于兩者(zhe)之間，可(ke)抗拒重(zhong)力并保(bao)持一定的形(xing)態(tài)，但在弱(ruo)外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形變，并最(zui)終破裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模型

圖1. 固體食品形變(bian)時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的(de)典型關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本(ben)質(zhì)上(shang)是食品形變特(te)征的口腔感受(shou)，與食品的(de)材料(liao)性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)(guan)。而對(duì)于(yu)不同(tong)的食品材料，形(xing)變的內(nèi)在決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品，其(qi)形變程度與(yu)形變所(suo)需的能量是(shi)兩個(gè)(ge)最重要的(de)物理(li)變量，也直接為(wei)消費(fèi)者所感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(gè)物(wu)理變量(liang)都有準(zhǔn)確(que)的物(wu)理定義并可(ke)以被客觀(guān)的(de)量化(hua)測(cè)量。圖(tu)1所示既是固體(ti)食品的(de)應(yīng)力與形變之(zhi)間的關(guān)(guan)系，而形變(bian)所需的能量（或(huo)所作的功）則為(wei)應(yīng)力與(yu)形變距離的乘(cheng)積，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線(xiàn)下方的面(mian)積。一般可以根(gen)據(jù)食品形變(bian)所需的(de)應(yīng)力(li)大小將食品材(cai)料大(da)致分為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可將(jiang)食品材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線(xiàn)表現(xiàn)為四(si)種典型的食(shi)品材料(liao)：(a)硬且弱(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(gu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了其形(xing)變程度與(yu)形變能量外(wai)，還有一項(xiàng)(xiang)非常重要的(de)體驗(yàn)是其破(po)碎程度?；?yu)這樣(yang)的思考，我(wo)們將固(gu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維度來(lái)量(liang)化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)終(zhong)端分別(bie)用六(liu)個(gè)熟悉的感(gan)官用語(yǔ)予以錨(mao)定：強(qiáng)(qiang)度維度分(fen)別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三(san)個(gè)維(wei)度的量(liang)化數(shù)值把固(gu)體食品(pin)分為八(ba)個(gè)類(lèi)(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見(jiàn)(jian)表1。

圖2. 固體(ti)食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維(wei)模型

表1. 一些典(dian)型固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分(fen)布

表1中三個(gè)維度(du)變量(liang)中，強(qiáng)度(du)具有能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形變(bian)時(shí)的應(yīng)(ying)力來(lái)表示，具(ju)有應(yīng)(ying)力單位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前后的(de)顆粒大(da)小分布(bu)或破碎前后的(de)總表面積(ji)相比來(lái)量化(hua)，不具量綱(gang)。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固體食品不(bu)同，流體(ti)食品形(xing)變時(shí)除(chu)了其形(xing)變程度和形(xing)變所(suo)需能(neng)量外，其形變(bian)所需(xu)的時(shí)間也(ye)是極其重要(yao)的參考(kao)參數(shù)(shu)。單位時(shí)間(jian)的形變程度(du)體現(xiàn)流(liu)體食品(pin)在外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變的速度或(huo)速率(lv)，直接(jie)影響材料(liao)形變過(guò)程中(zhong)材料內(nèi)(nei)部的能量狀況(kuang)，是儲(chǔ)存于材料(liao)內(nèi)部還是通過(guò)(guo)其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散(san)。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力與剪(jian)切速率(lv)之間的(de)幾種典型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體(ti)材料的(de)形變關(guān)系，對(duì)比(bi)圖1的固體(ti)材料形(xing)變，其橫(heng)坐標(biāo)(biao)的形變程度(du)已為形變速率(lv)（定義為單位時(shí)(shi)間的(de)形變量）所替(ti)代。不同的(de)流體材料表(biao)現(xiàn)為非常不(bu)同的(de)應(yīng)力與形變(bian)速率(lv)的關(guān)系，如牛頓(dun)流體，剪(jian)切切稀流體(ti)，剪切切稠流體(ti)，觸變(bian)性流(liu)體等。

雖然上述(shu)的流變行(xing)為能準(zhǔn)確(que)描述流體食品(pin)形變的基本(ben)行為(wei)或所需外應(yīng)(ying)力（能量(liang)）的關(guān)(guan)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力(li)形變后(hou)的能量?jī)?chǔ)(chu)存與耗散的情(qing)況。這一點(diǎn)對(duì)(dui)于流(liu)體食(shi)品非常(chang)重要，關(guān)系到流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力消失后(hou)，是否能夠彈(dan)性恢復(fù)(fu)原來(lái)(lai)的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱(chēng)為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的兩(liang)個(gè)ji端情況：前者(zhe)意味(wei)著流體會(huì)(hui)像彈(dan)簧一樣(yang)儲(chǔ)存形變(bian)時(shí)的所(suo)有外加能量(liang)，當(dāng)外力取消(xiao)后，流(liu)體能(neng)wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lái)狀態(tài)(tai)（零度相角(jiao))，后者則指流(liu)體像水一樣(yang)，不具任何能(neng)量?jī)?chǔ)存能力(li)，所有外加(jia)的形變(bian)能量都會(huì)因分(fen)子或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變(bian)為熱(re)能并耗散（相角(jiao)90度)。大部分流體(ti)食品即有一(yi)定的彈(dan)性也有(you)一定的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏(nian)彈性的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性(xing)為主，大于(yu)45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性的(de)表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它與(yu)形變速(su)率或頻(pin)率直接相關(guān)(guan)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率增(zeng)加時(shí)，流(liu)體食品的彈(dan)性?xún)A向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅的頻(pin)率降低時(shí)(shi)，流體食品的(de)黏性性質(zhì)會(huì)更(geng)加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維(wei)模型

把流(liu)體材料的這(zhe)些本質(zhì)特(te)征組(zu)合可以形成另(ling)一個(gè)三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見(jiàn)圖4三個(gè)(ge)維度(du)分別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的(de)六個(gè)(ge)末端也(ye)可以用感(gan)官詞語(yǔ)(yu)來(lái)表達(dá)(da)（見(jiàn)表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型說(shuō)明(ming)

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的(de)三維模型可(ke)以準(zhǔn)確描述大(da)部分固體(ti)和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布圖(tu)，以準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何(he)處理軟固體或(huo)半固體食品(pin)，目前還沒(méi)有(you)一個(gè)好的辦法(fa)。軟固體食品是(shi)非常(chang)廣泛的(de)食品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形(xing)變程(cheng)度起主(zhu)導(dǎo)作(zuo)用的軟固體(ti)（如面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝(ning)膠類(lèi)食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速(su)率起主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他(ta)糊狀類(lèi)食品(pin)）。如此(ci)廣泛差(cha)異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用一個(gè)模型(xing)來(lái)形(xing)容，作(zuo)為一個(gè)大致(zhi)的方法，可(ke)以根據(jù)軟(ruan)固體(ti)食品(pin)的形變程(cheng)度和形變(bian)速率的作用程(cheng)度，決定(ding)采用近似固體(ti)處理或近(jin)似流體處理(li)。前者可以固體(ti)食品的三(san)維模型處(chu)理，而后(hou)者基本上可以(yi)參照流(liu)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(ju)限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型，突(tu)破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是模(mo)型的應(yīng)用仍有(you)一定的(de)局限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型只能適用(yong)于均相的(de)食品體系，對(duì)(dui)于多(duo)相混雜的(de)食品（例如(ru)夾心餅干(gan)等），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)該分(fen)相描述(shu)。第二，三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型亦不(bu)能描述一些(xie)與分散體系(xi)相關(guān)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)。分散(san)體系食品常(chang)常包含分散顆(ke)粒，雖為(wei)均相分布，但(dan)是這些(xie)分散(san)顆粒(li)除了(le)影響整(zheng)體材料性質(zhì)(zhi)外，還(hai)會(huì)帶來(lái)一些與(yu)顆粒相關(guān)的特(te)殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特征，如(ru)顆粒(li)感、粉感等(deng)。另外，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維(wei)模型也不(bu)包括(kuo)因食物入(ru)口后與唾液相(xiang)互作(zuo)用而(er)產(chǎn)生(sheng)成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因(yin)而引(yin)起的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑溜(liu)感等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然已經(jīng)有(you)如流變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一些成(cheng)熟的測(cè)量(liang)技術(shù)，但是(shi)流變(bian)儀測(cè)(ce)量的結(jié)(jie)果往往因其(qi)過(guò)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直(zhi)接對(duì)(dui)應(yīng)，而(er)不被食品(pin)工業(yè)所(suo)接受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量(liang)只能是(shi)相對(duì)的測(cè)量，很(hen)大程度上只是(shi)定性測(cè)量，其測(cè)(ce)量的方式和測(cè)(ce)量的結(jié)果缺乏(fa)明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果無(wú)法(fa)直接(jie)比較。zui明顯的(de)例子是文(wen)獻(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)道的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷(xian)和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情況(kuang)。我們?cè)噲D從(cong)食品材料的(de)形變?cè)?li)出發(fā)(fa)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和感(gan)官的食品材(cai)料學(xué)本(ben)質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大優(yōu)(you)點(diǎn)是可以(yi)將各(ge)類(lèi)食(shi)品材料進(jìn)行可(ke)比較的量化(hua)分析，從(cong)而建(jian)立食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜圖分(fen)布，區(qū)分各食品(pin)之間的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)差異(yi)，為建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化體系(xi)提供了可(ke)靠的理論依據(jù)(ju)。

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原文由英(ying)國(guó)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作者）與浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者(zhe)）合作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新(xin)整理寫(xiě)作(zuo)，有些地方(fang)對(duì)原文(wen)稍有修改。

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致謝：本文(wen)寫(xiě)作過(guò)程中，馬(ma)添先(xian)生提(ti)出許多(duo)建設(shè)(she)性的(de)建議(yi)。