食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)不僅直接關(guān)系(xi)到食品的口感(gan)，也顯著影響食(shi)物在口腔(qiang)中的風(fēng)味(wei)釋放與體驗。過(guo)去數(shù)十(shi)年中，食品(pin)工業(yè)和食品(pin)科學(xué)界(jie)一直致(zhi)力建立可(ke)行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客觀方(fang)法，雖然(ran)取得了許多進(jin)展，但(dan)是無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還(hai)是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析(xi)測量技術(shù)(shu)方面，都還(hai)存在許多問題(ti)，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消(xiao)費者質(zhì)構(gòu)(gou)感官(guan)背后的(de)復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理，也(ye)不能(neng)很好(hao)滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量控制(zhi)的需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難(nan)點在于其(qi)多維度和多尺(chi)度共存的本質(zhì)(zhi)特點(dian)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是與食品(pin)材料(liao)物性相關(guān)的且(qie)能被消費者感(gan)知的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱，包含(han)很多復(fù)雜且微(wei)妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其(qi)相對(dui)應(yīng)的材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與動(dong)態(tài)的特征。因此(ci)很難期待用單(dan)一的(de)方法來描(miao)述或測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于(yu)食品質(zhì)構(gòu)的(de)多維性(xing)原理，浙(zhe)江工商大學(xué)(xue)食品口腔(qiang)加工實驗(yan)室陳建設(shè)(she)教授與英國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品(pin)材料學(xué)和(he)物性學(xué)(xue)原理(li)出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)，并以(yi)此準(zhǔn)確(que)量化不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個新模(mo)型的提出(chu)，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能，也為數(shù)(shu)字化時代將傳(chuan)統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描述(shu)提供(gong)了理論依(yi)據(jù)。

食品(pin)的材料分類(lei)

食品的分類有(you)很多種(zhong)方法，最常見的(de)是依據(jù)食(shi)品的形(xing)態(tài)，將其分(fen)為三大類：固(gu)體食品，軟（半）固(gu)體食品，流體食(shi)品。固體(ti)食品(pin)泛指那些(xie)可以抗拒重(zhong)力并具有(you)特定形態(tài)(tai)且不易形變(bian)的食品(pin)，可分(fen)為干固體食(shi)品（如餅(bing)干、堅果(guo)、硬果糖等）和(he)濕固體食品(pin)（如蘋(ping)果、梨(li)等）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出(chu)其屈(qu)服閾值時(shi)，固體(ti)食品會直接(jie)斷裂(lie)或脆裂。流體(ti)食品(pin)是指那(na)些無法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形(xing)態(tài)的(de)可自由流動(dong)的食品，這類食(shi)品以其裝載的(de)容器(qi)的形態(tài)(tai)為形態(tài)(tai)，極微小(xiao)的應(yīng)力就可(ke)引起顯著的形(xing)變。軟固體則介(jie)于兩者之(zhi)間，可(ke)抗拒重力(li)并保持一定的(de)形態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)，并最終(zhong)破裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品形(xing)變時應(yīng)力與(yu)應(yīng)變(bian)之間的典(dian)型關(guān)系(xi)

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上(shang)是食品形變(bian)特征(zheng)的口腔感(gan)受，與食品的材(cai)料性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對于不(bu)同的食品(pin)材料，形變的內(nèi)(nei)在決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)別(bie)。對于固體(ti)食品，其形變程(cheng)度與(yu)形變所需的(de)能量是(shi)兩個最重(zhong)要的物理變(bian)量，也直接(jie)為消費者(zhe)所感知(zhi)。很幸(xing)運的是，這兩(liang)個物理變量(liang)都有準(zhǔn)確的物(wu)理定義并可以(yi)被客觀的量(liang)化測(ce)量。圖1所示既是(shi)固體食(shi)品的應(yīng)力與形(xing)變之間的(de)關(guān)系，而形變所(suo)需的(de)能量（或所(suo)作的功）則為(wei)應(yīng)力與形變距(ju)離的乘(cheng)積，表現(xiàn)為(wei)應(yīng)力線(xian)下方的面積(ji)。一般可以根據(jù)(ju)食品形變所需(xu)的應(yīng)力(li)大小將食(shi)品材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需的能(neng)量大(da)小則可將食(shi)品材料(liao)分為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表(biao)現(xiàn)為(wei)四種典型(xing)的食品材料(liao)：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了(le)其形變程(cheng)度與形(xing)變能量外(wai)，還有一項(xiang)非常重(zhong)要的體驗是(shi)其破碎程度?；?ji)于這樣的(de)思考，我們(men)將固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個維(wei)度來量化描(miao)述：強度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端(duan)分別用六個熟(shu)悉的感官(guan)用語予(yu)以錨定：強度維(wei)度分別為強(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為(wei)硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可(ke)塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個維(wei)度的量化(hua)數(shù)值把(ba)固體食品分(fen)為八個(ge)類別(bie)，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食(shi)品材料質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的(de)三維模型

表1. 一些(xie)典型固(gu)體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分(fen)布

表1中三個維度變(bian)量中，強(qiang)度具有(you)能量單位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形(xing)變時的應(yīng)力(li)來表示，具有應(yīng)(ying)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后(hou)的顆粒大小分(fen)布或破碎前(qian)后的總表(biao)面積相(xiang)比來量化，不具(ju)量綱。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食品不(bu)同，流體食(shi)品形變時(shi)除了(le)其形變(bian)程度和形(xing)變所(suo)需能量外(wai)，其形變所(suo)需的(de)時間也(ye)是極其重(zhong)要的參考參數(shù)(shu)。單位(wei)時間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食(shi)品在(zai)外應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生形變(bian)的速(su)度或速率，直(zhi)接影響材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部(bu)的能(neng)量狀況，是儲存(cun)于材料內(nèi)(nei)部還是(shi)通過其(qi)他形式（如(ru)熱能）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流動(dong)時的剪(jian)切應(yīng)力(li)與剪切速(su)率之間的幾(ji)種典型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體(ti)材料的形(xing)變關(guān)系，對比(bi)圖1的固體材(cai)料形變，其(qi)橫坐標(biāo)的(de)形變(bian)程度已(yi)為形(xing)變速率(lv)（定義為單(dan)位時間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的流體材(cai)料表(biao)現(xiàn)為非(fei)常不同(tong)的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)系，如牛(niu)頓流(liu)體，剪切切稀(xi)流體，剪切(qie)切稠流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然上述的(de)流變行(xing)為能準(zhǔn)確(que)描述流(liu)體食(shi)品形變的基(ji)本行為(wei)或所需外(wai)應(yīng)力(li)（能量）的(de)關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力形(xing)變后的能(neng)量儲存與耗(hao)散的情況。這一(yi)點對于流體食(shi)品非(fei)常重要，關(guān)(guan)系到流(liu)體食品在外應(yīng)(ying)力消失后，是否(fou)能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的(de)形狀。這個性質(zhì)(zhi)在流變學(xué)中(zhong)稱為黏(nian)彈性，并可(ke)以用(yong)大形變振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測(ce)量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它(ta)的兩(liang)個ji端情況(kuang)：前者(zhe)意味(wei)著流體(ti)會像彈簧一(yi)樣儲(chu)存形變(bian)時的所有(you)外加能量(liang)，當(dāng)外力取(qu)消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零(ling)度相角)，后者則指(zhi)流體像(xiang)水一樣，不具(ju)任何能量儲(chu)存能(neng)力，所有外加(jia)的形變能量都(dou)會因分子(zi)或顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿?bing)耗散（相角90度)。大部分(fen)流體食品即有(you)一定(ding)的彈性(xing)也有(you)一定的黏(nian)性，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以45度相角為黏彈(dan)性的切分點，小(xiao)于45度彈性為主，大(da)于45度則黏(nian)性為主。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈性(xing)的表征(zheng)稍顯復(fù)(fu)雜，它(ta)與形變速率或(huo)頻率直(zhi)接相關(guān)。一般情(qing)況下(xia)，當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率增加時，流(liu)體食品(pin)的彈性傾向(xiang)加強；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻率降(jiang)低時，流體(ti)食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)會更加(jia)突出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模型

把流體(ti)材料的這些本(ben)質(zhì)特(te)征組合(he)可以形成另一(yi)個三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見圖(tu)4三個維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流動(dong)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維度的(de)六個末(mo)端也可以用感(gan)官詞語來表(biao)達（見表(biao)2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型說明(ming)

軟固(gu)體的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)

上述(shu)的三(san)維模型(xing)可以準(zhǔn)確(que)描述大(da)部分固體和流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間分布圖(tu)，以準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。但是如何(he)處理(li)軟固體或(huo)半固(gu)體食品(pin)，目前還沒(mei)有一個好的辦(ban)法。軟固體(ti)食品是非常(chang)廣泛(fan)的食品(pin)體系(xi)，包含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變程(cheng)度起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果(guo)凍、凝膠類食(shi)品），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如酸奶(nai)和其他糊狀(zhuang)類食(shi)品）。如(ru)此廣泛(fan)差異的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)難以用一(yi)個模(mo)型來形容，作(zuo)為一個大致(zhi)的方法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品的形變程(cheng)度和形變速(su)率的作用程度(du)，決定(ding)采用近(jin)似固體處理(li)或近似流(liu)體處(chu)理。前(qian)者可以固體食(shi)品的三維模型(xing)處理，而后者基(ji)本上(shang)可以參照(zhao)流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型來處(chu)理。

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三維模(mo)型的(de)局限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模(mo)型，突破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但(dan)是模型(xing)的應(yīng)用仍(reng)有一定的局(ju)限性。首先，食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只能適(shi)用于均(jun)相的食(shi)品體系，對于(yu)多相混雜(za)的食品（例如夾(jia)心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則(ze)應(yīng)該(gai)分相描述。第二(er)，三維質(zhì)構(gòu)模型(xing)亦不(bu)能描述一(yi)些與(yu)分散(san)體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常常包含(han)分散(san)顆粒，雖(sui)為均相分布，但(dan)是這些分散顆(ke)粒除了影(ying)響整體材料(liao)性質(zhì)外，還(hai)會帶來(lai)一些(xie)與顆粒(li)相關(guān)(guan)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)特征，如顆粒(li)感、粉(fen)感等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型也不(bu)包括因食物(wu)入口后(hou)與唾液相(xiang)互作(zuo)用而產(chǎn)生(sheng)成分(fen)或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而(er)引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然已(yi)經(jīng)有(you)如流變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一些(xie)成熟的(de)測量技(ji)術(shù)，但是流變(bian)儀測量(liang)的結(jié)(jie)果往往因(yin)其過于基(ji)礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直接對應(yīng)(ying)，而不被食品(pin)工業(yè)所(suo)接受。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)測量只能是相(xiang)對的測量，很(hen)大程度(du)上只是(shi)定性測量，其測(ce)量的方(fang)式和測量的(de)結(jié)果缺乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實驗室之(zhi)間的(de)質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無(wu)法直接比較。zui明(ming)顯的例子(zi)是文獻上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和(he)被嚴(yán)重誤用(yong)的情況。我們(men)試圖從食品材(cai)料的(de)形變原理出(chu)發(fā)，揭示(shi)食品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感(gan)官的(de)食品(pin)材料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大(da)優(yōu)點是可以(yi)將各類食品材(cai)料進行可(ke)比較的(de)量化分析，從(cong)而建立食品體(ti)系的(de)質(zhì)構(gòu)三維譜圖(tu)分布(bu)，區(qū)分(fen)各食品之(zhi)間的微(wei)妙的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)差異(yi)，為建(jian)立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體系(xi)提供(gong)了可靠的(de)理論依據(jù)。

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原文由(you)英國諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作者(zhe)）與浙江工(gong)商大學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通訊(xun)作者）合作完(wan)成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根(gen)據(jù)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有些地方對(dui)原文稍有修改(gai)。

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致謝：本(ben)文寫作過程中(zhong)，馬添先(xian)生提出許(xu)多建設(shè)性(xing)的建議(yi)。