食品(pin)質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)不僅直接關(guān)(guan)系到食品的口(kou)感，也顯著(zhu)影響食物(wu)在口腔中(zhong)的風(fēng)味釋放與(yu)體驗。過去數(shù)(shu)十年(nian)中，食(shi)品工業(yè)和(he)食品科學(xué)界(jie)一直致力建(jian)立可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評測(ce)的客(ke)觀方法，雖然取(qu)得了許多(duo)進展(zhan)，但是無論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分(fen)析測量技術(shù)(shu)方面，都還存(cun)在許多問(wen)題，無法(fa)準(zhǔn)確解(jie)釋消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后(hou)的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理，也不(bu)能很好(hao)滿足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制(zhi)的需(xu)求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的(de)難點在于其(qi)多維度(du)和多尺度共(gong)存的本質(zhì)特點(dian)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是與食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)的(de)且能被消費者(zhe)感知(zhi)的一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)(fu)雜且微妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相(xiang)對應(yīng)的(de)材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多重(zhong)與動態(tài)(tai)的特(te)征。因此很(hen)難期(qi)待用單(dan)一的方法來(lai)描述或(huo)測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)多維性原理(li)，浙江工(gong)商大學(xué)食品(pin)口腔(qiang)加工實驗室(shi)陳建設(shè)教(jiao)授與英(ying)國諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從(cong)食品材料學(xué)和(he)物性學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型，并以(yi)此準(zhǔn)確量化(hua)不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這個新(xin)模型的提(ti)出，使得(de)建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可能，也為(wei)數(shù)字化時(shi)代將傳(chuan)統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官(guan)詞語描述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)閿?shù)字化描(miao)述提供了理(li)論依據(jù)。

食品(pin)的材料分(fen)類

食品的分類有(you)很多種方法，最(zui)常見(jian)的是(shi)依據(jù)食品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為三(san)大類：固體食(shi)品，軟（半）固(gu)體食品(pin)，流體食品。固(gu)體食品泛指(zhi)那些(xie)可以抗拒重(zhong)力并具有特(te)定形態(tài)(tai)且不易(yi)形變(bian)的食品，可分為(wei)干固(gu)體食品（如餅(bing)干、堅(jian)果、硬果糖等）和(he)濕固體食品(pin)（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈(qu)服閾值時，固體(ti)食品會直接斷(duan)裂或脆裂。流(liu)體食(shi)品是指那些無(wu)法抗拒重力(li)并不具自我(wo)形態(tài)的可自(zi)由流動的食品(pin)，這類食品以(yi)其裝(zhuang)載的容器的(de)形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)力(li)就可(ke)引起顯著(zhu)的形變(bian)。軟固體則介于(yu)兩者(zhe)之間(jian)，可抗拒(ju)重力并保(bao)持一定的形(xing)態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變，并(bing)最終破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

圖1. 固體食品(pin)形變時(shi)應(yīng)力(li)與應(yīng)變之間的(de)典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形變特(te)征的口(kou)腔感受，與食品(pin)的材(cai)料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而對(dui)于不同的食(shi)品材料(liao)，形變的內(nèi)在(zai)決定因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對于固體(ti)食品(pin)，其形變程度(du)與形(xing)變所需的(de)能量是兩個最(zui)重要的物(wu)理變量(liang)，也直接為消費(fei)者所感知。很(hen)幸運的是，這兩(liang)個物理(li)變量都有(you)準(zhǔn)確的物(wu)理定義并可以(yi)被客觀(guan)的量(liang)化測量(liang)。圖1所示(shi)既是固體食品(pin)的應(yīng)力與形(xing)變之間的(de)關(guān)系，而形變(bian)所需(xu)的能(neng)量（或(huo)所作的(de)功）則(ze)為應(yīng)(ying)力與形(xing)變距離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的面積。一(yi)般可以根據(jù)(ju)食品形變所需(xu)的應(yīng)(ying)力大小將食(shi)品材料大致分(fen)為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可將食品(pin)材料分為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)(xian)為四種典(dian)型的食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除(chu)了其(qi)形變程(cheng)度與(yu)形變(bian)能量外(wai)，還有一項非(fei)常重要(yao)的體驗(yan)是其破碎程(cheng)度?；谶@(zhe)樣的思考，我們(men)將固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三個維度(du)來量化描述：強(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分別用(yong)六個(ge)熟悉的感官(guan)用語予以(yi)錨定：強度(du)維度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三個(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固體(ti)食品分為(wei)八個(ge)類別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食(shi)品材料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三(san)維模型

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分布

表1中三個維(wei)度變量中(zhong)，強度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最(zui)大形變時(shi)的應(yīng)力來表(biao)示，具有(you)應(yīng)力單位（Pa）,而破(po)碎度可用(yong)破碎前后的顆(ke)粒大小(xiao)分布或破(po)碎前后的總(zong)表面積相(xiang)比來(lai)量化，不具量(liang)綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體(ti)食品(pin)形變時除了(le)其形(xing)變程度和形(xing)變所需能(neng)量外，其形變(bian)所需的(de)時間也是(shi)極其(qi)重要的參(can)考參數(shù)。單位時(shi)間的形(xing)變程度(du)體現(xiàn)流體食品(pin)在外應(yīng)(ying)力作用下(xia)產(chǎn)生形變的(de)速度或速率(lv)，直接影響材(cai)料形變(bian)過程中(zhong)材料內(nèi)部的(de)能量狀況(kuang)，是儲存于材(cai)料內(nèi)部還是(shi)通過其他形(xing)式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流動(dong)時的剪切應(yīng)力(li)與剪切速(su)率之(zhi)間的幾種(zhong)典型關(guān)系(xi)

圖3給出了(le)流體材料(liao)的形變(bian)關(guān)系(xi)，對比圖1的固體(ti)材料形變(bian)，其橫(heng)坐標(biāo)(biao)的形變程度已(yi)為形變速(su)率（定(ding)義為單位(wei)時間的形(xing)變量）所替(ti)代。不同(tong)的流(liu)體材(cai)料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應(yīng)力與(yu)形變速率的(de)關(guān)系，如牛(niu)頓流體，剪(jian)切切稀流體，剪(jian)切切稠(chou)流體(ti)，觸變性流(liu)體等。

雖然上述(shu)的流變行(xing)為能準(zhǔn)確(que)描述流體(ti)食品形變(bian)的基本行(xing)為或所需外(wai)應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)(guan)系，但是卻(que)不能顯示外應(yīng)(ying)力形變后的(de)能量儲存(cun)與耗散的情況(kuang)。這一(yi)點對(dui)于流體食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流體食品(pin)在外應(yīng)力消(xiao)失后，是否能夠(gou)彈性恢復(fù)(fu)原來的形狀。這(zhe)個性(xing)質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱為(wei)黏彈性(xing)，并可以(yi)用大形(xing)變振幅方法來(lai)準(zhǔn)確測量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它(ta)的兩個ji端情(qing)況：前者意味著(zhe)流體會像彈(dan)簧一樣(yang)儲存形(xing)變時的所有(you)外加能量(liang)，當(dāng)外力取消(xiao)后，流體能wanquan恢復(fù)(fu)到原來狀(zhuang)態(tài)（零(ling)度相(xiang)角)，后者則指流(liu)體像水一樣(yang)，不具任何能(neng)量儲存(cun)能力，所有外加(jia)的形(xing)變能量(liang)都會因分子或(huo)顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿?bing)耗散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流(liu)體食品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一定(ding)的黏性(xing)，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為(wei)黏彈性的切分(fen)點，小(xiao)于45度彈(dan)性為(wei)主，大于(yu)45度則黏性(xing)為主。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性的(de)表征稍顯復(fù)(fu)雜，它與形(xing)變速率或(huo)頻率直(zhi)接相關(guān)。一般(ban)情況(kuang)下，當(dāng)形變振(zhen)幅的(de)頻率增加(jia)時，流體(ti)食品的(de)彈性傾向(xiang)加強；而當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率降低時，流(liu)體食品的黏性(xing)性質(zhì)會更(geng)加突出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型

把流體材料(liao)的這些本質(zhì)特(te)征組合可以(yi)形成(cheng)另一個(ge)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見圖(tu)4三個維(wei)度分別(bie)為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流(liu)動行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的六個末端(duan)也可以(yi)用感官詞語來(lai)表達（見表2）。

表2. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)的三維(wei)模型說明

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述的三維(wei)模型(xing)可以準(zhǔn)確描(miao)述大(da)部分固體(ti)和流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何(he)處理(li)軟固體(ti)或半固體食(shi)品，目前(qian)還沒有一(yi)個好的辦法(fa)。軟固體食(shi)品是(shi)非常廣泛的食(shi)品體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形(xing)變程度起主(zhu)導(dǎo)作用(yong)的軟固體(ti)（如面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝膠(jiao)類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變速率起主(zhu)導(dǎo)作用的(de)軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他(ta)糊狀(zhuang)類食(shi)品）。如此廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)難以(yi)用一個模型(xing)來形容，作(zuo)為一個大致的(de)方法，可以根(gen)據(jù)軟固(gu)體食品的形變(bian)程度和(he)形變速率的作(zuo)用程度，決定(ding)采用近(jin)似固(gu)體處理(li)或近(jin)似流體處(chu)理。前者(zhe)可以固(gu)體食品的三(san)維模型(xing)處理，而后者(zhe)基本上可以(yi)參照流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處理(li)。

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三維模型的(de)局限性

本文提(ti)出的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理論，但是(shi)模型的(de)應(yīng)用(yong)仍有(you)一定的局(ju)限性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型只能(neng)適用于均相(xiang)的食品體系，對(dui)于多相混(hun)雜的食品(pin)（例如夾心餅干(gan)等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)該分相描(miao)述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不(bu)能描述(shu)一些與分散(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(chang)包含分散(san)顆粒(li)，雖為均相分(fen)布，但是(shi)這些分(fen)散顆粒除了影(ying)響整體材料(liao)性質(zhì)(zhi)外，還(hai)會帶來一些(xie)與顆粒相(xiang)關(guān)的(de)特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特(te)征，如顆粒感、粉(fen)感等。另外(wai)，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也不包括(kuo)因食物入口后(hou)與唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)(chan)生成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因而(er)引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已經(jīng)有如(ru)流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟(shu)的測量技術(shù)(shu)，但是流(liu)變儀測量的(de)結(jié)果往往因其(qi)過于(yu)基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)性質(zhì)(zhi)的直(zhi)接對應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)所(suo)接受。而(er)食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只能是相(xiang)對的測量，很大(da)程度上(shang)只是定(ding)性測量，其(qi)測量的方式(shi)和測量(liang)的結(jié)(jie)果缺(que)乏明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實驗室(shi)之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法(fa)直接比較。zui明(ming)顯的例(li)子是文獻(xian)上廣泛報(bao)道的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和(he)被嚴(yán)重誤(wu)用的情況。我們(men)試圖從(cong)食品材料的形(xing)變原(yuan)理出發(fā)(fa)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官(guan)的食品材(cai)料學(xué)本(ben)質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點(dian)是可以將各(ge)類食品材料進(jin)行可(ke)比較(jiao)的量化分(fen)析，從(cong)而建(jian)立食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布，區(qū)分(fen)各食(shi)品之間的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為(wei)建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系提供了可(ke)靠的理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳(chen)建設(shè)教(jiao)授（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原文重新(xin)整理寫作，有些(xie)地方對(dui)原文(wen)稍有(you)修改(gai)。

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致謝：本文寫(xie)作過程中(zhong)，馬添(tian)先生提出(chu)許多建設(shè)性的(de)建議。