食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系到(dao)食品的口(kou)感，也顯著(zhu)影響食物(wu)在口腔中(zhong)的風(fēng)味(wei)釋放與體驗(yàn)。過(guo)去數(shù)(shu)十年中(zhong)，食品(pin)工業(yè)和(he)食品科學(xué)界一(yi)直致力建立可(ke)行的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)評測(ce)的客觀方法(fa)，雖然取得(de)了許多(duo)進(jìn)展，但是(shi)無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還(hai)是食品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測量技(ji)術(shù)方面，都(dou)還存在許(xu)多問(wen)題，無(wu)法準(zhǔn)確(que)解釋消(xiao)費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)雜(za)物理學(xué)原理，也(ye)不能很(hen)好滿(man)足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控(kong)制的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點(diǎn)在于(yu)其多維度和多(duo)尺度共(gong)存的本質(zhì)(zhi)特點(diǎn)(dian)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實(shí)質(zhì)(zhi)上是與食品(pin)材料物(wu)性相關(guān)(guan)的且(qie)能被(bei)消費(fèi)者感知(zhi)的一系列(lie)性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且微妙(miao)變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其(qi)相對應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)(zhi)具有多重(zhong)與動(dòng)態(tài)的特(te)征。因此很難(nan)期待用單一(yi)的方法來描(miao)述或測量(liang)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維(wei)性原理(li)，浙江工商大(da)學(xué)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(nuo)丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食品材(cai)料學(xué)和物性(xing)學(xué)原理(li)出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，并(bing)以此(ci)準(zhǔn)確量化不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(gè)新(xin)模型(xing)的提出，使得建(jian)立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能(neng)，也為數(shù)字化(hua)時(shí)代(dai)將傳統(tǒng)(tong)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提(ti)供了理(li)論依據(jù)。

食品的(de)材料分類

食品(pin)的分類(lei)有很(hen)多種方法(fa)，最常見的是(shi)依據(jù)食(shi)品的(de)形態(tài)，將(jiang)其分為三大類(lei)：固體食品，軟(ruan)（半）固(gu)體食品(pin)，流體食品。固體(ti)食品泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力并具有(you)特定形態(tài)且(qie)不易形(xing)變的食品，可(ke)分為(wei)干固體食(shi)品（如餅(bing)干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖(tang)等）和濕固(gu)體食品（如蘋果(guo)、梨等(deng)）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超(chao)出其屈(qu)服閾(yu)值時(shí)，固體食品(pin)會(huì)直接斷裂(lie)或脆(cui)裂。流體食品(pin)是指那些無(wu)法抗(kang)拒重(zhong)力并不具自(zi)我形態(tài)的可(ke)自由(you)流動(dòng)(dong)的食品，這類食(shi)品以其裝(zhuang)載的容器(qi)的形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小(xiao)的應(yīng)(ying)力就可引(yin)起顯著(zhu)的形變(bian)。軟固體(ti)則介于兩者(zhe)之間，可(ke)抗拒重力并保(bao)持一定的形(xing)態(tài)，但在弱外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體食品(pin)的三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)力與應(yīng)(ying)變之間(jian)的典型(xing)關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食(shi)品形變(bian)特征的口腔感(gan)受，與(yu)食品(pin)的材料性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)(guan)。而對于不(bu)同的食品(pin)材料，形變(bian)的內(nèi)(nei)在決(jue)定因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對于固(gu)體食品，其形變(bian)程度與形(xing)變所需(xu)的能量是兩個(gè)(ge)最重要的物(wu)理變量，也直接(jie)為消費(fèi)者所感(gan)知。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(gè)物(wu)理變量都有準(zhǔn)(zhun)確的物理定(ding)義并可以被(bei)客觀的量化測(ce)量。圖1所示既是固(gu)體食(shi)品的應(yīng)(ying)力與形變(bian)之間的關(guān)(guan)系，而形變所(suo)需的(de)能量（或所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力與形變(bian)距離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方的面(mian)積。一般可以根(gen)據(jù)食品形(xing)變所需的應(yīng)(ying)力大小將食(shi)品材(cai)料大(da)致分為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能量(liang)大小則可將(jiang)食品(pin)材料分(fen)為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四種(zhong)典型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)除了其形變程(cheng)度與(yu)形變能(neng)量外，還有一項(xiàng)(xiang)非常重要的(de)體驗(yàn)是其(qi)破碎程度?；?yu)這樣的思考(kao)，我們將固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維(wei)度來量化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)(ge)終端分別用(yong)六個(gè)(ge)熟悉的感官用(yong)語予(yu)以錨定：強(qiáng)度維(wei)度分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維(wei)度分別為易(yi)碎性(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三個(gè)(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固體(ti)食品(pin)分為八(ba)個(gè)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模型

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

表1中三(san)個(gè)維度變(bian)量中(zhong)，強(qiáng)度具(ju)有能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時(shí)的(de)應(yīng)力來表示，具(ju)有應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破(po)碎度可用破碎(sui)前后的(de)顆粒大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總表(biao)面積相比來(lai)量化，不具(ju)量綱(gang)。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固(gu)體食品不同(tong)，流體(ti)食品(pin)形變時(shí)除了(le)其形變程(cheng)度和形(xing)變所需能(neng)量外，其(qi)形變所(suo)需的時(shí)間也(ye)是極其重要(yao)的參考(kao)參數(shù)(shu)。單位時(shí)(shi)間的(de)形變程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變的速(su)度或(huo)速率(lv)，直接影響(xiang)材料(liao)形變過程中(zhong)材料內(nèi)部(bu)的能量(liang)狀況(kuang)，是儲(chǔ)(chu)存于材料(liao)內(nèi)部還是通(tong)過其他形(xing)式（如熱(re)能）耗散(san)。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)時(shí)的剪(jian)切應(yīng)力(li)與剪切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)系

圖3給出了流體材(cai)料的形變關(guān)(guan)系，對比圖1的固體(ti)材料形(xing)變，其橫坐標(biāo)(biao)的形變程(cheng)度已為形變速(su)率（定義(yi)為單位時(shí)間(jian)的形變量）所替(ti)代。不同的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為(wei)非常不同的(de)應(yīng)力(li)與形變速率的(de)關(guān)系，如牛頓流(liu)體，剪切切稀(xi)流體，剪切切稠(chou)流體，觸(chu)變性流(liu)體等。

雖然上述的流(liu)變行(xing)為能準(zhǔn)確描(miao)述流體食(shi)品形變(bian)的基本(ben)行為或(huo)所需外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力形變(bian)后的能量(liang)儲(chǔ)存與(yu)耗散的情況(kuang)。這一點(diǎn)(dian)對于流體(ti)食品非常(chang)重要(yao)，關(guān)系到流(liu)體食(shi)品在(zai)外應(yīng)力消(xiao)失后，是否能夠(gou)彈性恢復(fù)(fu)原來的形(xing)狀。這個(gè)性質(zhì)在(zai)流變(bian)學(xué)中稱為(wei)黏彈性(xing)，并可以用大(da)形變(bian)振幅方法來(lai)準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它的兩(liang)個(gè)ji端(duan)情況：前(qian)者意味(wei)著流體(ti)會(huì)像彈簧一(yi)樣儲(chǔ)存形變時(shí)(shi)的所有外(wai)加能(neng)量，當(dāng)(dang)外力取(qu)消后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)(fu)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角)，后者則指流體(ti)像水一(yi)樣，不具任何(he)能量儲(chǔ)存能(neng)力，所有外加的(de)形變能量都會(huì)(hui)因分子(zi)或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能并(bing)耗散（相角90度)。大部分流體食(shi)品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一定(ding)的黏性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相(xiang)角為黏(nian)彈性的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈(dan)性為主，大于(yu)45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性(xing)的表征稍(shao)顯復(fù)雜，它(ta)與形變速(su)率或頻率直接(jie)相關(guān)(guan)。一般(ban)情況下，當(dāng)(dang)形變(bian)振幅的頻(pin)率增加時(shí)(shi)，流體食品(pin)的彈性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻率降(jiang)低時(shí)，流體食品(pin)的黏性性質(zhì)會(huì)(hui)更加突出。

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

把流體材料(liao)的這些本質(zhì)特(te)征組(zu)合可(ke)以形成另一(yi)個(gè)三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見圖4三個(gè)維度分(fen)別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)行(xing)為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)(ge)維度的六(liu)個(gè)末(mo)端也(ye)可以用感官(guan)詞語來(lai)表達(dá)（見表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特(te)性的三(san)維模型說(shuo)明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述(shu)的三維模型可(ke)以準(zhǔn)確描述(shu)大部分固體和(he)流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分(fen)布圖(tu)，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體(ti)或半(ban)固體食(shi)品，目前還(hai)沒有一個(gè)(ge)好的(de)辦法。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣泛的(de)食品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)程度起主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體(ti)（如面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝(ning)膠類食(shi)品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由(you)形變速率起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的(de)軟固體（如(ru)酸奶和其他(ta)糊狀(zhuang)類食品）。如此(ci)廣泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以(yi)用一(yi)個(gè)模(mo)型來(lai)形容，作(zuo)為一(yi)個(gè)大致的(de)方法，可以(yi)根據(jù)(ju)軟固體食品的(de)形變(bian)程度和形(xing)變速率的作用(yong)程度，決定采用(yong)近似固體處理(li)或近似流體(ti)處理。前者可以(yi)固體食品的三(san)維模型處理(li)，而后(hou)者基(ji)本上可以參(can)照流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理(li)。

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三維模(mo)型的局(ju)限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型，突破(po)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理(li)論，但(dan)是模(mo)型的應(yīng)(ying)用仍有一(yi)定的局限性。首(shou)先，食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型只能適(shi)用于均相的(de)食品體系，對(dui)于多相(xiang)混雜的食品（例(li)如夾心餅(bing)干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)(ying)該分相描述(shu)。第二，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦(yi)不能描(miao)述一(yi)些與(yu)分散體(ti)系相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系食品常(chang)常包含分散(san)顆粒，雖(sui)為均相分布，但(dan)是這些(xie)分散顆(ke)粒除了影響(xiang)整體材料(liao)性質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶來(lai)一些與(yu)顆粒相關(guān)(guan)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如(ru)顆粒感、粉感等(deng)。另外，食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維模型(xing)也不(bu)包括因(yin)食物入口(kou)后與唾液(ye)相互作(zuo)用而產(chǎn)生(sheng)成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因而(er)引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑溜(liu)感等(deng)。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖(sui)然已(yi)經(jīng)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一(yi)些成(cheng)熟的測量(liang)技術(shù)，但是流(liu)變儀(yi)測量的(de)結(jié)果往往因其(qi)過于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直(zhi)接對應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)所接(jie)受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測量(liang)只能是相對(dui)的測量，很(hen)大程度上只是(shi)定性(xing)測量，其測量的(de)方式和測量(liang)的結(jié)(jie)果缺乏明確(que)的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各(ge)實(shí)驗(yàn)室(shi)之間(jian)的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直(zhi)接比較。zui明顯的(de)例子是文獻(xiàn)上(shang)廣泛報(bào)道(dao)的所(suo)謂的質(zhì)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重誤(wu)用的情(qing)況。我(wo)們試圖從食(shi)品材(cai)料的形變原(yuan)理出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食品(pin)材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)(you)點(diǎn)是可以將(jiang)各類食(shi)品材料(liao)進(jìn)行可比較的(de)量化分析(xi)，從而建(jian)立食品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖(tu)分布，區(qū)分(fen)各食品(pin)之間的(de)微妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體系提(ti)供了可靠(kao)的理論依據(jù)。

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原文(wen)由英國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者(zhe)）與浙江工商大(da)學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通訊(xun)作者(zhe)）合作完(wan)成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原文重新(xin)整理(li)寫作，有些地方(fang)對原文稍有修(xiu)改。

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致謝：本(ben)文寫作過程中(zhong)，馬添(tian)先生提出許(xu)多建(jian)設(shè)性的建(jian)議。