食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到(dao)食品的口感，也(ye)顯著影(ying)響食(shi)物在口腔(qiang)中的風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yan)。過去(qu)數(shù)十年中，食(shi)品工業(yè)和食品(pin)科學(xué)(xue)界一直(zhi)致力建立可行(xing)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(ping)測的客觀(guan)方法，雖然取得(de)了許多(duo)進展，但(dan)是無論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析測(ce)量技術(shù)方面(mian)，都還存在(zai)許多(duo)問題，無法準確(que)解釋消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理，也(ye)不能很(hen)好滿足食(shi)品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的(de)需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點(dian)在于(yu)其多維(wei)度和多尺(chi)度共存的本(ben)質(zhì)特點。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)實質(zhì)上是與(yu)食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)的且能被(bei)消費(fei)者感(gan)知的一(yi)系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且(qie)微妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其(qi)相對應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)具有(you)多重與動態(tài)(tai)的特征。因此很(hen)難期(qi)待用單一的(de)方法來描(miao)述或(huo)測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)多維性(xing)原理(li)，浙江工商大(da)學(xué)食(shi)品口腔加工(gong)實驗室(shi)陳建設(shè)教(jiao)授與(yu)英國諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食(shi)品材料(liao)學(xué)和物(wu)性學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出(chu)了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)，并以此準(zhun)確量化不同食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。這(zhe)個新模型的提(ti)出，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可能，也(ye)為數(shù)字化(hua)時代將(jiang)傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述(shu)提供了理論依(yi)據(jù)。

食品(pin)的材(cai)料分類(lei)

食品的分(fen)類有很多種方(fang)法，最常見(jian)的是依據(jù)(ju)食品的形態(tài)，將(jiang)其分為三(san)大類(lei)：固體食(shi)品，軟（半）固(gu)體食品，流(liu)體食品。固(gu)體食品(pin)泛指那(na)些可(ke)以抗(kang)拒重力并具(ju)有特定(ding)形態(tài)(tai)且不(bu)易形變的(de)食品，可分為(wei)干固體食品(pin)（如餅(bing)干、堅果(guo)、硬果糖等）和(he)濕固體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出其屈(qu)服閾值時，固體(ti)食品會(hui)直接斷裂或(huo)脆裂。流(liu)體食(shi)品是(shi)指那些(xie)無法(fa)抗拒(ju)重力并不(bu)具自我形(xing)態(tài)的可自(zi)由流動的(de)食品，這類食品(pin)以其裝(zhuang)載的(de)容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)力就可引(yin)起顯(xian)著的形變。軟(ruan)固體則(ze)介于兩者之間(jian)，可抗拒(ju)重力并保(bao)持一定的形態(tài)(tai)，但在(zai)弱外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變，并最(zui)終破裂(lie)。

固體食品(pin)的三維(wei)質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品(pin)形變時應(yīng)(ying)力與應(yīng)變(bian)之間的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)本質(zhì)(zhi)上是(shi)食品(pin)形變特征的口(kou)腔感受，與食(shi)品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接(jie)相關(guān)。而對(dui)于不同(tong)的食品材料，形(xing)變的內(nèi)在決(jue)定因(yin)素有著(zhe)很大的區(qū)(qu)別。對于固(gu)體食(shi)品，其形變(bian)程度與形(xing)變所需的能量(liang)是兩個(ge)最重要的物(wu)理變量，也直(zhi)接為消費者(zhe)所感(gan)知。很(hen)幸運的是(shi)，這兩(liang)個物理變(bian)量都(dou)有準確(que)的物(wu)理定義并可(ke)以被客觀的(de)量化測量(liang)。圖1所示既是(shi)固體食品的(de)應(yīng)力與(yu)形變之間的(de)關(guān)系，而形變(bian)所需(xu)的能量（或(huo)所作的功）則(ze)為應(yīng)力(li)與形(xing)變距離的乘(cheng)積，表現(xiàn)為應(yīng)(ying)力線下(xia)方的面積(ji)。一般(ban)可以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的應(yīng)力大(da)小將食品材(cai)料大致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的能量(liang)大小則可(ke)將食(shi)品材料分(fen)為強(qiang)(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典(dian)型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形(xing)變程度與形(xing)變能量外，還(hai)有一項非常重(zhong)要的體驗(yan)是其(qi)破碎程度?；?yu)這樣的思(si)考，我們將(jiang)固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三(san)個維度來量化(hua)描述：強(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分別(bie)用六個(ge)熟悉的(de)感官用語予以(yi)錨定：強(qiang)度維度分別為(wei)強(Strong)和弱(Weak)，硬度(du)維度分別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此(ci)，可以(yi)根據(jù)三(san)個維度的量(liang)化數(shù)值把固(gu)體食品分為(wei)八個類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)的三維模(mo)型

表1. 一些典(dian)型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分布

表1中三個維度變(bian)量中，強度(du)具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大(da)形變時的應(yīng)力(li)來表示(shi)，具有應(yīng)力(li)單位（Pa）,而破碎(sui)度可用(yong)破碎(sui)前后的顆(ke)粒大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總表(biao)面積(ji)相比來量化(hua)，不具量綱(gang)。

流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體食品不(bu)同，流體(ti)食品形(xing)變時除了其(qi)形變(bian)程度和形變(bian)所需(xu)能量外，其形(xing)變所需的(de)時間也是極(ji)其重(zhong)要的參(can)考參數(shù)。單位時(shi)間的形變程(cheng)度體現(xiàn)流體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生形(xing)變的速度或速(su)率，直接影響材(cai)料形變過(guo)程中(zhong)材料(liao)內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲存于(yu)材料內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品(pin)剪切流動時的(de)剪切應(yīng)(ying)力與剪切速(su)率之間的幾種(zhong)典型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體材料的(de)形變(bian)關(guān)系，對比圖1的固體(ti)材料(liao)形變，其橫坐(zuo)標的形變程(cheng)度已為形變(bian)速率（定(ding)義為單(dan)位時間的形變(bian)量）所替(ti)代。不同的(de)流體(ti)材料(liao)表現(xiàn)(xian)為非常不同(tong)的應(yīng)力與(yu)形變速率(lv)的關(guān)(guan)系，如牛(niu)頓流體，剪(jian)切切(qie)稀流體，剪切切(qie)稠流(liu)體，觸(chu)變性(xing)流體等(deng)。

雖然上述的(de)流變行為能(neng)準確描(miao)述流體食品形(xing)變的基本行(xing)為或所需外應(yīng)(ying)力（能量(liang)）的關(guān)(guan)系，但(dan)是卻不能顯(xian)示外應(yīng)(ying)力形變后的(de)能量儲存與耗(hao)散的情況。這(zhe)一點對(dui)于流體食(shi)品非常(chang)重要(yao)，關(guān)系(xi)到流體食(shi)品在外應(yīng)力(li)消失(shi)后，是否能(neng)夠彈性恢復(fù)原(yuan)來的形狀。這個(ge)性質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為黏彈(dan)性，并可以用(yong)大形變振幅(fu)方法(fa)來準確(que)測量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端情況：前者(zhe)意味著流體會(hui)像彈簧一(yi)樣儲存形變(bian)時的所(suo)有外加能量，當(dāng)(dang)外力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)(fu)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度(du)相角(jiao))，后者則指流體(ti)像水一樣(yang)，不具(ju)任何能量(liang)儲存能力，所有(you)外加(jia)的形(xing)變能量(liang)都會因分(fen)子或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊?re)能并耗散（相(xiang)角90度)。大部分流(liu)體食品即(ji)有一(yi)定的彈性也(ye)有一定的黏(nian)性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相(xiang)角為黏彈(dan)性的切分(fen)點，小于45度彈性為主，大(da)于45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品(pin)黏彈(dan)性的表征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形變(bian)速率或頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情況下(xia)，當(dāng)形(xing)變振幅的(de)頻率(lv)增加時，流(liu)體食品的彈性(xing)傾向加強；而當(dāng)(dang)形變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時，流體(ti)食品的黏性性(xing)質(zhì)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模(mo)型

把流(liu)體材料的這些(xie)本質(zhì)特征組(zu)合可(ke)以形成(cheng)另一個三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個維度分別(bie)為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性(xing)（或流(liu)動行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的六個末(mo)端也(ye)可以(yi)用感官詞語(yu)來表達（見表2）。

表2. 流體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型說明

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述的三維模(mo)型可以準確(que)描述大部(bu)分固體(ti)和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的空間分布(bu)圖，以準確(que)區(qū)別不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體(ti)或半固體(ti)食品，目前(qian)還沒有一個(ge)好的辦(ban)法。軟固體(ti)食品是非常廣(guang)泛的食(shi)品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變程度起主(zhu)導(dǎo)作用的(de)軟固體（如面包(bao)、饅頭、豆腐(fu)、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速率起主(zhu)導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如酸(suan)奶和其他(ta)糊狀類(lei)食品）。如此廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)難以用(yong)一個模型(xing)來形(xing)容，作為一(yi)個大致的方(fang)法，可以根據(jù)軟(ruan)固體食(shi)品的(de)形變程度和(he)形變速率的(de)作用程(cheng)度，決定(ding)采用近似固體(ti)處理或近似流(liu)體處理(li)。前者(zhe)可以固體(ti)食品的三(san)維模型(xing)處理，而后者基(ji)本上可以參照(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)型的局限性(xing)

本文提出的(de)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳(chuan)統(tǒng)理論(lun)，但是模型的應(yīng)(ying)用仍有一定的(de)局限性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型(xing)只能(neng)適用于(yu)均相(xiang)的食品體系(xi)，對于多相混(hun)雜的(de)食品(pin)（例如(ru)夾心餅(bing)干等），其質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該(gai)分相描(miao)述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能描述(shu)一些與分散(san)體系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體系(xi)食品常常包含(han)分散顆粒，雖為(wei)均相(xiang)分布(bu)，但是這些(xie)分散顆粒除(chu)了影響(xiang)整體材(cai)料性質(zhì)外，還會(hui)帶來一些(xie)與顆(ke)粒相關(guān)(guan)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆粒(li)感、粉感(gan)等。另(ling)外，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三(san)維模(mo)型也不(bu)包括(kuo)因食物(wu)入口(kou)后與(yu)唾液(ye)相互作(zuo)用而產(chǎn)生(sheng)成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變(bian)化因(yin)而引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如澀感(gan)、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析雖(sui)然已經(jīng)(jing)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一(yi)些成熟的測量(liang)技術(shù)(shu)，但是(shi)流變(bian)儀測量(liang)的結(jié)果往往因(yin)其過(guo)于基(ji)礎(chǔ)性，缺乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口感(gan)性質(zhì)(zhi)的直(zhi)接對應(yīng)(ying)，而不被食(shi)品工業(yè)所(suo)接受。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)測量只能(neng)是相對(dui)的測量，很(hen)大程度上只(zhi)是定性測量(liang)，其測量的方(fang)式和測量的結(jié)(jie)果缺(que)乏明確的(de)標準(zhun)，各實(shi)驗室之間的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果(guo)無法直接比(bi)較。zui明顯的例(li)子是文獻(xian)上廣泛報道的(de)所謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yan)重誤用的(de)情況(kuang)。我們試圖從食(shi)品材料的形變(bian)原理出發(fā)(fa)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官的食品(pin)材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型的(de)zui大優(yōu)(you)點是(shi)可以將各類食(shi)品材料進行(xing)可比較的(de)量化分(fen)析，從而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖(tu)分布，區(qū)分(fen)各食(shi)品之間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化體系(xi)提供了可靠的(de)理論依(yi)據(jù)。

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原文由英(ying)國諾丁漢(han)大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江工商大(da)學(xué)陳建設(shè)教(jiao)授（通訊作者）合(he)作完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有些地方(fang)對原(yuan)文稍有修改。

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致謝：本(ben)文寫作過(guo)程中(zhong)，馬添先(xian)生提(ti)出許(xu)多建設(shè)性的建(jian)議。