食品(pin)質構(gou)或質構性質(zhi)不僅(jin)直接關(guan)系到食品(pin)的口感，也顯著(zhu)影響食(shi)物在口腔中(zhong)的風味釋(shi)放與體驗。過(guo)去數十年中，食(shi)品工業(yè)(ye)和食品(pin)科學界(jie)一直致(zhi)力建(jian)立可行(xing)的食(shi)品質(zhi)構性質評測的(de)客觀方(fang)法，雖然取(qu)得了(le)許多進展(zhan)，但是無(wu)論在(zai)食品(pin)質構理(li)論還是食(shi)品質構的(de)分析測量技術(shu)方面，都還(hai)存在許(xu)多問題(ti)，無法(fa)準確解(jie)釋消(xiao)費者(zhe)質構感官(guan)背后的(de)復雜(za)物理(li)學原理，也(ye)不能很好滿(man)足食品(pin)工業(yè)質(zhi)量控制的需(xu)求。

食品質構(gou)分析的難點(dian)在于其(qi)多維度和多(duo)尺度共(gong)存的本質(zhi)特點。食品(pin)質構性質實(shi)質上是與食品(pin)材料物性相關(guan)的且能被消(xiao)費者感知的一(yi)系列性質的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復雜且(qie)微妙(miao)變化(hua)的質構屬性，其(qi)相對應的(de)材料學(xue)性質具有(you)多重與動(dong)態(tài)的特征。因此(ci)很難(nan)期待用(yong)單一的方(fang)法來描述或測(ce)量食品(pin)的質構特性(xing)和質(zhi)構感官。

基于食品質(zhi)構的(de)多維性原理(li)，浙江工商(shang)大學食品口(kou)腔加工(gong)實驗室陳建設(she)教授與英國諾(nuo)丁漢大(da)學Andrew Rosenthal 博士合作，從食(shi)品材(cai)料學和物性學(xue)原理出發(fā)，提出(chu)了食品質構三(san)維模型(xing)，并以此準確(que)量化不同食品(pin)的質構特(te)征。這個新模型(xing)的提(ti)出，使得建立食(shi)品質構(gou)譜圖成(cheng)為可能(neng)，也為數字化(hua)時代(dai)將傳統(tǒng)(tong)的食(shi)品質構(gou)的感(gan)官詞語描述轉(zhuan)變?yōu)閿?shu)字化描述(shu)提供了理論(lun)依據。

食品的材(cai)料分類

食品的(de)分類有很(hen)多種方法，最(zui)常見的是依據(ju)食品的形(xing)態(tài)，將其分為三(san)大類：固(gu)體食品(pin)，軟（半）固體(ti)食品，流(liu)體食品。固(gu)體食品泛(fan)指那些(xie)可以抗(kang)拒重力并具有(you)特定形態(tài)且(qie)不易(yi)形變(bian)的食品，可分為(wei)干固體(ti)食品（如餅(bing)干、堅果、硬果糖(tang)等）和濕固體(ti)食品（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當外應(ying)力超出其屈服(fu)閾值(zhi)時，固體食品會(hui)直接斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體食品是(shi)指那些無(wu)法抗拒重力(li)并不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由(you)流動的(de)食品，這(zhe)類食品以(yi)其裝(zhuang)載的容器的(de)形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小(xiao)的應力(li)就可引(yin)起顯著的(de)形變。軟固(gu)體則介于(yu)兩者之(zhi)間，可抗(kang)拒重力(li)并保持(chi)一定的形態(tài)，但(dan)在弱外應(ying)力作用下(xia)產生形變，并最(zui)終破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質構模(mo)型

圖1. 固體(ti)食品(pin)形變時應力與(yu)應變之(zhi)間的典型關(guan)系

食品(pin)的質構(gou)性質本質上(shang)是食(shi)品形(xing)變特征的(de)口腔(qiang)感受，與食品(pin)的材料性質直(zhi)接相關。而(er)對于(yu)不同的食(shi)品材(cai)料，形變的內(nei)在決定因(yin)素有著很(hen)大的區(qū)別(bie)。對于(yu)固體食(shi)品，其形(xing)變程度(du)與形變所需的(de)能量(liang)是兩個(ge)最重要的物(wu)理變(bian)量，也直接為消(xiao)費者所感知(zhi)。很幸運的是，這(zhe)兩個(ge)物理(li)變量都(dou)有準確(que)的物理定義(yi)并可以被客(ke)觀的(de)量化測量。圖(tu)1所示既是(shi)固體食品(pin)的應力與(yu)形變之間(jian)的關系(xi)，而形變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功(gong)）則為(wei)應力與形變(bian)距離(li)的乘積，表(biao)現為應力線下(xia)方的面(mian)積。一般可以(yi)根據食品(pin)形變所需的應(ying)力大小將(jiang)食品(pin)材料(liao)大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據形變所(suo)需的能(neng)量大小則可(ke)將食品材料分(fen)為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線(xian)表現為四(si)種典型的食(shi)品材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當然，固體食品(pin)的質構(gou)性質除了其(qi)形變(bian)程度與形變(bian)能量外，還有一(yi)項非(fei)常重(zhong)要的(de)體驗是(shi)其破碎程(cheng)度?；谶@樣的(de)思考，我們將固(gu)體食品的質構(gou)性質用三(san)個維度(du)來量化描述(shu)：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度的六(liu)個終(zhong)端分別用六個(ge)熟悉(xi)的感官用(yong)語予以錨(mao)定：強度維度分(fen)別為強(qiang)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據此(ci)，可以根據(ju)三個維(wei)度的量(liang)化數(shu)值把固體食品(pin)分為八個類(lei)別，其質構(gou)特征描(miao)述見表(biao)1。

圖2. 固體食品材(cai)料質構特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典(dian)型固體(ti)食品質構特(te)征的(de)三維分布

表1中三(san)個維度(du)變量中，強度(du)具有能(neng)量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形(xing)變時(shi)的應力來表(biao)示，具有(you)應力(li)單位（Pa）,而破碎(sui)度可用破(po)碎前后的顆粒(li)大小(xiao)分布或破(po)碎前后的(de)總表面積相比(bi)來量化，不具(ju)量綱。

流體食品的質(zhi)構模型

與固體食(shi)品不同，流體(ti)食品形(xing)變時除了(le)其形變(bian)程度和(he)形變(bian)所需能(neng)量外(wai)，其形變(bian)所需的(de)時間也是極其(qi)重要的參考參(can)數。單位(wei)時間(jian)的形變程度體(ti)現流(liu)體食品在外(wai)應力作用下(xia)產生形(xing)變的(de)速度或速(su)率，直(zhi)接影響材料(liao)形變過程中材(cai)料內部(bu)的能量狀況，是(shi)儲存于(yu)材料(liao)內部還是(shi)通過其(qi)他形式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動時的剪切應(ying)力與剪切速(su)率之間的(de)幾種典型關(guan)系

圖3給出了流(liu)體材料的(de)形變(bian)關系，對比圖1的固體材料形(xing)變，其橫坐標的(de)形變程度已(yi)為形變(bian)速率（定(ding)義為(wei)單位時間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的(de)流體(ti)材料(liao)表現為非常(chang)不同(tong)的應力與形(xing)變速率的關系(xi)，如牛頓流體(ti)，剪切切稀流(liu)體，剪切切(qie)稠流體，觸變(bian)性流體等(deng)。

雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準確(que)描述流體(ti)食品形(xing)變的(de)基本行為或所(suo)需外應(ying)力（能(neng)量）的關系，但(dan)是卻(que)不能顯示外(wai)應力形變(bian)后的(de)能量儲存與耗(hao)散的情況。這一(yi)點對(dui)于流(liu)體食品非(fei)常重要(yao)，關系(xi)到流(liu)體食品在外應(ying)力消失(shi)后，是否(fou)能夠(gou)彈性恢復原來(lai)的形狀。這個性(xing)質在流變(bian)學中稱為(wei)黏彈性(xing)，并可以用(yong)大形變(bian)振幅方法(fa)來準確(que)測量。wanquan彈性或wanquan黏性是它(ta)的兩(liang)個ji端情況：前者(zhe)意味著流(liu)體會像彈簧(huang)一樣儲存形變(bian)時的所有外加(jia)能量，當(dang)外力取消后(hou)，流體能wanquan恢復到原來(lai)狀態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則指流體(ti)像水一樣，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(hui)因分子(zi)或顆粒摩擦被(bei)轉變?yōu)闊?re)能并耗散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流體食品即(ji)有一定(ding)的彈(dan)性也有一定(ding)的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角(jiao)為黏(nian)彈性的切分(fen)點，小(xiao)于45度彈性為(wei)主，大于(yu)45度則黏性(xing)為主。

當然，流體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復雜(za)，它與形變速(su)率或(huo)頻率直接(jie)相關。一般情(qing)況下，當形(xing)變振幅的(de)頻率增加(jia)時，流(liu)體食品的彈(dan)性傾向加強；而(er)當形變(bian)振幅的頻率(lv)降低時(shi)，流體食品的黏(nian)性性質(zhi)會更加(jia)突出。

圖4. 流體(ti)食品質構特(te)性的三維(wei)模型

把流體材料的(de)這些本質特(te)征組合可(ke)以形成另一(yi)個三維度的質(zhi)構模型，見圖4三個維度(du)分別(bie)為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動行(xing)為指(zhi)數n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端(duan)也可以用感(gan)官詞語來表(biao)達（見(jian)表2）。

表2. 流體(ti)食品質構特性(xing)的三維(wei)模型說明(ming)

軟固體的質(zhi)構模型

上述的三維模(mo)型可以準(zhun)確描(miao)述大(da)部分固體(ti)和流體食品的(de)質構特征，形(xing)成食品質構的(de)空間分布圖(tu)，以準確區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhi)構特征。但是(shi)如何處(chu)理軟固體或(huo)半固體食品(pin)，目前(qian)還沒(mei)有一個好的(de)辦法。軟(ruan)固體食品是非(fei)常廣(guang)泛的(de)食品體系，包含(han)質構性質由(you)形變程度(du)起主導(dao)作用的(de)軟固體（如(ru)面包、饅頭、豆腐(fu)、果凍、凝(ning)膠類食品(pin)），和質(zhi)構性質由形(xing)變速率起(qi)主導(dao)作用的(de)軟固體（如酸奶(nai)和其(qi)他糊狀類食(shi)品）。如此(ci)廣泛差異的(de)質構性質難以(yi)用一(yi)個模型來(lai)形容，作(zuo)為一(yi)個大致(zhi)的方(fang)法，可以(yi)根據軟固(gu)體食(shi)品的形變程(cheng)度和形(xing)變速率的作用(yong)程度，決(jue)定采用近似固(gu)體處(chu)理或近似(shi)流體處(chu)理。前者可(ke)以固體(ti)食品的三維模(mo)型處(chu)理，而后(hou)者基本上可以(yi)參照流體(ti)食品的質構模(mo)型來處理。

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三維(wei)模型的局(ju)限性

本文(wen)提出的食(shi)品質構(gou)三維(wei)模型(xing)，突破了食品質(zhi)構的(de)傳統(tǒng)理(li)論，但是模型的(de)應用仍有一定(ding)的局限性。首(shou)先，食品質構(gou)三維模(mo)型只能適用(yong)于均(jun)相的食品(pin)體系，對于(yu)多相混(hun)雜的食品(pin)（例如夾心餅干(gan)等），其(qi)質構特征(zheng)則應該分相(xiang)描述。第二，三維(wei)質構(gou)模型亦(yi)不能描述一些(xie)與分散體(ti)系相關的質構(gou)性質(zhi)。分散體系(xi)食品(pin)常常(chang)包含分散(san)顆粒(li)，雖為均相分布(bu)，但是這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整體材料(liao)性質外，還會帶(dai)來一些與顆粒(li)相關(guan)的特(te)殊的(de)質構口感特征(zheng)，如顆粒(li)感、粉(fen)感等(deng)。另外，食品質構(gou)的三維模型也(ye)不包(bao)括因食物入口(kou)后與唾液相互(hu)作用而產生(sheng)成分(fen)或微(wei)結構變化(hua)因而(er)引起的(de)質構特征(zheng)，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品質構數(shu)字化

食品質構(gou)分析雖然已(yi)經有如流變儀(yi)、質構(gou)儀等一(yi)些成熟(shu)的測量技術(shu)，但是流變儀測(ce)量的結果往往(wang)因其過于基礎(chu)性，缺(que)乏與質(zhi)構口感性質(zhi)的直接對應(ying)，而不(bu)被食品(pin)工業(yè)所接(jie)受。而(er)食品質構(gou)儀測量(liang)只能(neng)是相(xiang)對的測(ce)量，很大(da)程度上只是(shi)定性測量，其(qi)測量的方(fang)式和測量的(de)結果缺乏明(ming)確的(de)標準(zhun)，各實驗(yan)室之間(jian)的質(zhi)構分析結(jie)果無法直(zhi)接比較(jiao)。zui明顯的例子(zi)是文獻上廣(guang)泛報道(dao)的所謂(wei)的質(zhi)構剖(pou)析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和(he)被嚴重誤用(yong)的情況。我(wo)們試(shi)圖從食品材(cai)料的(de)形變原(yuan)理出(chu)發(fā)，揭示(shi)食品質構(gou)性質(zhi)和感官(guan)的食(shi)品材料學本(ben)質。食品質構(gou)三維模型的zui大(da)優(yōu)點是可(ke)以將各(ge)類食品材料(liao)進行可比較(jiao)的量(liang)化分析，從(cong)而建立食品(pin)體系的質構三(san)維譜(pu)圖分布，區(qū)分各(ge)食品之(zhi)間的微妙的質(zhi)構差(cha)異，為建(jian)立食(shi)品質構數字(zi)化體系提供了(le)可靠的理論依(yi)據。

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原文(wen)由英國諾丁(ding)漢大學Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙江工商(shang)大學陳(chen)建設教(jiao)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)根據原(yuan)文重新(xin)整理(li)寫作，有(you)些地方對原(yuan)文稍(shao)有修(xiu)改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中，馬添先(xian)生提出許多建(jian)設性的建議。