食品(pin)質(zhì)構或質(zhì)構性(xing)質(zhì)不僅直接關(guan)系到食(shi)品的口(kou)感，也(ye)顯著(zhu)影響食物在(zai)口腔(qiang)中的(de)風味釋放(fang)與體驗(yan)。過去數(shù)十年(nian)中，食品工業(yè)(ye)和食品(pin)科學界一直(zhi)致力建立可(ke)行的食(shi)品質(zhì)構性質(zhì)評(ping)測的客觀方(fang)法，雖然取得(de)了許多進展(zhan)，但是無論在(zai)食品質(zhì)構(gou)理論還(hai)是食(shi)品質(zhì)(zhi)構的分析測量(liang)技術方面，都還(hai)存在許多問題(ti)，無法準確解(jie)釋消費(fei)者質(zhì)構感官(guan)背后的(de)復雜(za)物理學原(yuan)理，也(ye)不能(neng)很好滿足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量控(kong)制的(de)需求。

食品質(zhì)構分(fen)析的難(nan)點在于(yu)其多維度和多(duo)尺度共存(cun)的本質(zhì)特點(dian)。食品質(zhì)構(gou)性質(zhì)實(shi)質(zhì)上(shang)是與(yu)食品材(cai)料物性相關的(de)且能被消(xiao)費者(zhe)感知的一系(xi)列性質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包(bao)含很多復雜(za)且微妙變(bian)化的質(zhì)(zhi)構屬性，其相(xiang)對應的(de)材料學(xue)性質(zhì)具有多重(zhong)與動態(tài)(tai)的特(te)征。因此(ci)很難期待(dai)用單一(yi)的方法來描述(shu)或測量食品的(de)質(zhì)構特(te)性和質(zhì)(zhi)構感官。

基于(yu)食品質(zhì)構(gou)的多維(wei)性原(yuan)理，浙江工(gong)商大學(xue)食品口腔加工(gong)實驗室陳(chen)建設教授與英(ying)國諾丁漢(han)大學Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食(shi)品材料(liao)學和物性學(xue)原理出發(fā)，提(ti)出了食(shi)品質(zhì)構三(san)維模型，并以此(ci)準確量化不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構特征(zheng)。這個新(xin)模型的(de)提出，使得建立(li)食品質(zhì)構譜(pu)圖成(cheng)為可(ke)能，也為數(shù)字(zi)化時代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構的(de)感官詞語描述(shu)轉變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提供(gong)了理論(lun)依據(jù)。

食品的材料(liao)分類

食品的分類有(you)很多種方法(fa)，最常見的是(shi)依據(jù)食品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分(fen)為三大類：固(gu)體食(shi)品，軟(ruan)（半）固體(ti)食品，流體(ti)食品(pin)。固體食(shi)品泛指(zhi)那些(xie)可以抗(kang)拒重力(li)并具有特(te)定形態(tài)且不(bu)易形變的(de)食品，可分(fen)為干(gan)固體食品(pin)（如餅干、堅果、硬(ying)果糖等）和(he)濕固體(ti)食品（如蘋(ping)果、梨(li)等）。當外應(ying)力超出其(qi)屈服閾值時(shi)，固體食(shi)品會直(zhi)接斷(duan)裂或(huo)脆裂(lie)。流體食品是(shi)指那些無(wu)法抗拒(ju)重力(li)并不(bu)具自我形態(tài)(tai)的可(ke)自由流(liu)動的(de)食品，這類食品(pin)以其(qi)裝載的容(rong)器的形(xing)態(tài)為(wei)形態(tài)(tai)，極微小(xiao)的應力就可引(yin)起顯著的(de)形變(bian)。軟固體(ti)則介于兩者之(zhi)間，可(ke)抗拒重力并(bing)保持一定的形(xing)態(tài)，但在弱(ruo)外應力作用下(xia)產(chǎn)生形變，并(bing)最終破裂(lie)。

固體(ti)食品的三維(wei)質(zhì)構模型

圖1. 固體食品形(xing)變時應力與(yu)應變之間的(de)典型關(guan)系

食品的(de)質(zhì)構性(xing)質(zhì)本(ben)質(zhì)上是(shi)食品形變(bian)特征的(de)口腔感受(shou)，與食品(pin)的材料性(xing)質(zhì)直接(jie)相關。而(er)對于不同的(de)食品(pin)材料，形變的內(nèi)(nei)在決定因素有(you)著很大(da)的區(qū)(qu)別。對于固(gu)體食品(pin)，其形變程(cheng)度與形變所需(xu)的能量是兩個(ge)最重要的(de)物理變量，也(ye)直接為消費(fei)者所感知(zhi)。很幸運(yun)的是，這兩個物(wu)理變量都(dou)有準確的物(wu)理定義并可以(yi)被客觀的量化(hua)測量。圖1所示既是固體(ti)食品的應力(li)與形變(bian)之間(jian)的關系(xi)，而形變(bian)所需的能量（或(huo)所作(zuo)的功）則為應(ying)力與形(xing)變距離的(de)乘積(ji)，表現(xiàn)為應力(li)線下方的面積(ji)。一般可以根據(jù)(ju)食品形變所需(xu)的應力大小(xiao)將食品材(cai)料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的(de)能量大(da)小則可將食(shi)品材料分為(wei)強(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四(si)條直線表(biao)現(xiàn)為(wei)四種典型的(de)食品材料：(a)硬且弱(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)。

當然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gou)性質(zhì)除(chu)了其(qi)形變程度與(yu)形變能量外，還(hai)有一項(xiang)非常重(zhong)要的體驗是(shi)其破碎程(cheng)度。基于(yu)這樣(yang)的思考，我們將(jiang)固體(ti)食品的質(zhì)構(gou)性質(zhì)(zhi)用三個維度來(lai)量化描(miao)述：強(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個終端分(fen)別用(yong)六個熟(shu)悉的感官用語(yu)予以錨(mao)定：強度維(wei)度分別為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個維(wei)度的(de)量化數(shù)值把(ba)固體食品(pin)分為(wei)八個類別(bie)，其質(zhì)構(gou)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品(pin)材料(liao)質(zhì)構(gou)特性(xing)的三維模(mo)型

表1. 一些(xie)典型固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gou)特征的(de)三維分布

表1中三(san)個維度(du)變量中(zhong)，強度具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大(da)形變時的應力(li)來表(biao)示，具(ju)有應力單(dan)位（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后的(de)顆粒(li)大小分布或(huo)破碎(sui)前后(hou)的總表面(mian)積相比來量(liang)化，不具(ju)量綱。

流體(ti)食品(pin)的質(zhì)構模(mo)型

與固體食品不(bu)同，流體食品形(xing)變時除了(le)其形變程度(du)和形變所需(xu)能量外(wai)，其形(xing)變所需的(de)時間(jian)也是(shi)極其重要的參(can)考參數(shù)(shu)。單位時間的形(xing)變程(cheng)度體現(xiàn)流體(ti)食品在外應(ying)力作用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變的速度或速(su)率，直(zhi)接影響材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部的能(neng)量狀況，是儲存(cun)于材(cai)料內(nèi)(nei)部還是(shi)通過其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品(pin)剪切流動時的(de)剪切應(ying)力與剪切速(su)率之間的幾種(zhong)典型(xing)關系(xi)

圖3給出了流體材(cai)料的形變關(guan)系，對比圖(tu)1的固體材料形(xing)變，其橫(heng)坐標的(de)形變程(cheng)度已為形(xing)變速率(lv)（定義為單位(wei)時間(jian)的形變量）所(suo)替代。不同的流(liu)體材料(liao)表現(xiàn)為(wei)非常不(bu)同的應力與形(xing)變速率的關系(xi)，如牛頓流體，剪(jian)切切稀流體，剪(jian)切切稠(chou)流體，觸變(bian)性流體等。

雖然上(shang)述的流(liu)變行為能準(zhun)確描述流體(ti)食品形變的基(ji)本行為或所需(xu)外應力（能量）的(de)關系，但是卻(que)不能顯示外(wai)應力(li)形變后的能量(liang)儲存與耗(hao)散的情(qing)況。這一點(dian)對于流體(ti)食品(pin)非常重要(yao)，關系到流體(ti)食品(pin)在外應力消失(shi)后，是否能(neng)夠彈性恢(hui)復原來的形(xing)狀。這個性(xing)質(zhì)在(zai)流變學(xue)中稱為黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形變振幅(fu)方法(fa)來準確測量。wanquan彈(dan)性或(huo)wanquan黏性(xing)是它的(de)兩個ji端情況：前(qian)者意味著(zhe)流體會像彈(dan)簧一(yi)樣儲存形變時(shi)的所(suo)有外加(jia)能量(liang)，當外力取消后(hou)，流體能wanquan恢復到原(yuan)來狀態(tài)(tai)（零度相角(jiao))，后者則(ze)指流體像水(shui)一樣，不具(ju)任何能量(liang)儲存能(neng)力，所有外加的(de)形變(bian)能量(liang)都會因分子(zi)或顆粒摩擦被(bei)轉變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相角90度)。大部(bu)分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也(ye)有一定的黏性(xing)，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般(ban)以45度相角為黏(nian)彈性的切分點(dian)，小于45度彈性為主，大(da)于45度則黏(nian)性為主。

當然，流體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復(fu)雜，它與(yu)形變速率或(huo)頻率直接(jie)相關。一般(ban)情況下(xia)，當形變振幅的(de)頻率增加時，流(liu)體食品的(de)彈性傾向(xiang)加強；而(er)當形變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時(shi)，流體食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)會更加(jia)突出。

圖4. 流體(ti)食品質(zhì)構特性(xing)的三維模(mo)型

把流體材料的(de)這些(xie)本質(zhì)特(te)征組合可以(yi)形成另一(yi)個三(san)維度的(de)質(zhì)構模型，見圖(tu)4三個(ge)維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的六個末端(duan)也可以用感(gan)官詞語來表(biao)達（見(jian)表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)構特(te)性的三(san)維模(mo)型說明

軟固體的(de)質(zhì)構模型

上述的三維模(mo)型可以準確(que)描述大部(bu)分固體和(he)流體(ti)食品的質(zhì)構特(te)征，形成食品質(zhì)(zhi)構的空間分布(bu)圖，以準(zhun)確區(qū)別(bie)不同食品的(de)質(zhì)構特征。但(dan)是如(ru)何處理軟固體(ti)或半固體食(shi)品，目前還(hai)沒有一個好(hao)的辦法。軟固體(ti)食品是非常廣(guang)泛的食品體系(xi)，包含質(zhì)(zhi)構性質(zhì)由形(xing)變程度(du)起主(zhu)導作(zuo)用的(de)軟固體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品(pin)），和質(zhì)(zhi)構性質(zhì)由形(xing)變速率起(qi)主導作用(yong)的軟固體（如(ru)酸奶和其他(ta)糊狀類食品(pin)）。如此廣泛差(cha)異的質(zhì)構性質(zhì)(zhi)難以用一(yi)個模型來(lai)形容(rong)，作為一個(ge)大致的方法，可(ke)以根據(jù)軟固(gu)體食品的形變(bian)程度和形(xing)變速率的(de)作用程度，決(jue)定采(cai)用近(jin)似固(gu)體處理(li)或近似(shi)流體處理。前者(zhe)可以固體食(shi)品的三(san)維模型處(chu)理，而后者基(ji)本上可以參(can)照流(liu)體食(shi)品的質(zhì)構(gou)模型來處(chu)理。

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三維模型(xing)的局(ju)限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gou)三維模型(xing)，突破了食品質(zhì)(zhi)構的傳統(tǒng)理(li)論，但是模(mo)型的(de)應用仍有一定(ding)的局限(xian)性。首先，食品(pin)質(zhì)構(gou)三維模型只(zhi)能適用(yong)于均相的食品(pin)體系，對(dui)于多相混雜(za)的食(shi)品（例如夾心(xin)餅干等），其質(zhì)(zhi)構特征則(ze)應該分相描述(shu)。第二，三維質(zhì)(zhi)構模型(xing)亦不(bu)能描(miao)述一些(xie)與分散體系相(xiang)關的質(zhì)構性質(zhì)(zhi)。分散體系(xi)食品常常包(bao)含分(fen)散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布(bu)，但是這些分散(san)顆粒除了影(ying)響整體材料(liao)性質(zhì)(zhi)外，還會帶來(lai)一些與(yu)顆粒相(xiang)關的特殊的(de)質(zhì)構口(kou)感特征，如(ru)顆粒感(gan)、粉感等。另外(wai)，食品質(zhì)構的三(san)維模型也不包(bao)括因食物入(ru)口后與唾(tuo)液相互作用(yong)而產(chǎn)生成分(fen)或微結構變(bian)化因而引(yin)起的質(zhì)構特(te)征，如澀(se)感、滑溜感等(deng)。

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食品質(zhì)構數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構分(fen)析雖然(ran)已經(jīng)(jing)有如(ru)流變(bian)儀、質(zhì)(zhi)構儀等(deng)一些成熟的(de)測量技術，但(dan)是流變(bian)儀測量(liang)的結果往(wang)往因其(qi)過于(yu)基礎性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gou)口感性(xing)質(zhì)的直接(jie)對應，而(er)不被食(shi)品工(gong)業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)構(gou)儀測量只(zhi)能是(shi)相對(dui)的測(ce)量，很大(da)程度上(shang)只是定(ding)性測量(liang)，其測量(liang)的方式和測(ce)量的結果(guo)缺乏明確的(de)標準，各實(shi)驗室之間的質(zhì)(zhi)構分(fen)析結(jie)果無(wu)法直接(jie)比較。zui明顯的(de)例子是文獻上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的(de)質(zhì)構(gou)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和(he)被嚴重誤(wu)用的情(qing)況。我們(men)試圖從食品(pin)材料的形(xing)變原理(li)出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構性(xing)質(zhì)和感官(guan)的食品材料(liao)學本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)構三(san)維模型(xing)的zui大優(yōu)(you)點是可以(yi)將各類食品材(cai)料進(jin)行可比較的量(liang)化分(fen)析，從而(er)建立食品體(ti)系的質(zhì)構三維(wei)譜圖(tu)分布(bu)，區(qū)分(fen)各食品之間(jian)的微妙的質(zhì)構(gou)差異，為建立食(shi)品質(zhì)構數(shù)字(zi)化體系(xi)提供了可靠的(de)理論依據(jù)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢大學Andrew Rosenthal博士（第(di)一作者）與浙(zhe)江工商大學陳(chen)建設教(jiao)授（通訊作者(zhe)）合作完(wan)成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根(gen)據(jù)原文重(zhong)新整理寫作(zuo)，有些地方(fang)對原文稍(shao)有修(xiu)改。

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致謝：本(ben)文寫作(zuo)過程中，馬添先(xian)生提出許多建(jian)設性(xing)的建議(yi)。