食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不僅直接關(guān)(guan)系到食(shi)品的口感，也顯(xian)著影響食物(wu)在口(kou)腔中(zhong)的風(fēng)味釋(shi)放與體驗。過(guo)去數(shù)十年(nian)中，食品(pin)工業(yè)和(he)食品科(ke)學(xué)界一直致(zhi)力建立(li)可行的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客觀(guan)方法，雖然取得(de)了許多(duo)進(jìn)展，但是無(wu)論在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是(shi)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析測(ce)量技術(shù)方(fang)面，都還存(cun)在許(xu)多問題(ti)，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后(hou)的復(fù)雜物理(li)學(xué)原理，也不能(neng)很好(hao)滿足食(shi)品工業(yè)質(zhì)量控(kong)制的需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難(nan)點在于(yu)其多(duo)維度和多(duo)尺度共存的(de)本質(zhì)特點。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是與(yu)食品材料物性(xing)相關(guān)(guan)的且能被消費(fei)者感知的一(yi)系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含(han)很多復(fù)雜且(qie)微妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其(qi)相對應(yīng)的材(cai)料學(xué)(xue)性質(zhì)(zhi)具有多重與(yu)動態(tài)的特征。因(yin)此很難期待用(yong)單一的(de)方法來描述或(huo)測量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙(zhe)江工商大學(xué)食(shi)品口腔(qiang)加工實(shi)驗室陳建(jian)設(shè)教授與英國(guo)諾丁漢(han)大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食(shi)品材(cai)料學(xué)和物性(xing)學(xué)原理出發(fā)(fa)，提出了食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，并以此(ci)準(zhǔn)確量(liang)化不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。這個(ge)新模型的提(ti)出，使得建(jian)立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能，也為數(shù)字(zi)化時代將傳統(tǒng)(tong)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語描述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)閿?shù)字(zi)化描述提供(gong)了理論依據(jù)。

食品的材料(liao)分類

食品的分(fen)類有很多種方(fang)法，最常見的是(shi)依據(jù)食品的(de)形態(tài)，將(jiang)其分為三(san)大類：固(gu)體食(shi)品，軟（半(ban)）固體(ti)食品(pin)，流體食(shi)品。固體食品泛(fan)指那些可(ke)以抗拒重力(li)并具有(you)特定形態(tài)且不(bu)易形變的食品(pin)，可分(fen)為干固(gu)體食品（如(ru)餅干(gan)、堅果(guo)、硬果糖(tang)等）和濕固體(ti)食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出(chu)其屈服(fu)閾值時(shi)，固體(ti)食品會(hui)直接斷裂或(huo)脆裂(lie)。流體(ti)食品是(shi)指那些無(wu)法抗(kang)拒重(zhong)力并(bing)不具自我形態(tài)(tai)的可自由流(liu)動的食品，這類(lei)食品以其裝載(zai)的容(rong)器的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引起(qi)顯著的形(xing)變。軟(ruan)固體則介于兩(liang)者之(zhi)間，可抗拒重力(li)并保持(chi)一定的(de)形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)(chan)生形變，并最終(zhong)破裂。

固體(ti)食品的三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

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

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形變(bian)特征的口腔(qiang)感受，與食(shi)品的材料性(xing)質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對于不(bu)同的食品材(cai)料，形(xing)變的內(nèi)在(zai)決定因素有(you)著很大的區(qū)別(bie)。對于固體食品(pin)，其形變程(cheng)度與(yu)形變所需的能(neng)量是兩個(ge)最重(zhong)要的物(wu)理變量，也直(zhi)接為消費(fei)者所感知。很幸(xing)運的是，這兩(liang)個物(wu)理變量都(dou)有準(zhǔn)確的物(wu)理定義并(bing)可以(yi)被客觀(guan)的量化測量。圖(tu)1所示(shi)既是固(gu)體食品(pin)的應(yīng)力與形變(bian)之間的關(guān)(guan)系，而形(xing)變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功）則為應(yīng)(ying)力與(yu)形變(bian)距離(li)的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線下(xia)方的面積(ji)。一般(ban)可以根據(jù)(ju)食品形變(bian)所需的應(yīng)(ying)力大小將食品(pin)材料大致分(fen)為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需(xu)的能量大(da)小則可將(jiang)食品材料分(fen)為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四(si)條直線表現(xiàn)為(wei)四種典型(xing)的食品材料(liao)：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且(qie)強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)除了(le)其形變程度與(yu)形變能量外，還(hai)有一項(xiang)非常重要的(de)體驗是(shi)其破碎(sui)程度?；?yu)這樣(yang)的思考(kao)，我們將固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個維(wei)度來(lai)量化描述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分別用(yong)六個熟悉的感(gan)官用語予以錨(mao)定：強度維(wei)度分(fen)別為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為(wei)硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個維度(du)的量化數(shù)值把(ba)固體食(shi)品分為(wei)八個類(lei)別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品(pin)材料(liao)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三(san)維模型

表1. 一些典型固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三維(wei)分布

表1中三個維度(du)變量中，強(qiang)度具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形(xing)變時的應(yīng)(ying)力來表示(shi)，具有(you)應(yīng)力(li)單位(wei)（Pa）,而破(po)碎度(du)可用破碎(sui)前后的(de)顆粒(li)大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總表面積(ji)相比(bi)來量化，不具(ju)量綱。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體(ti)食品不同，流(liu)體食(shi)品形變時(shi)除了其(qi)形變程度和(he)形變所(suo)需能量外(wai)，其形變(bian)所需的時間(jian)也是極(ji)其重要的參(can)考參數(shù)。單位時(shi)間的形變程(cheng)度體現(xiàn)流體(ti)食品在外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)的速度或速率(lv)，直接(jie)影響材料形(xing)變過程(cheng)中材料內(nèi)(nei)部的(de)能量狀況(kuang)，是儲存于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式(shi)（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動時(shi)的剪切(qie)應(yīng)力與(yu)剪切速率之間(jian)的幾種典型(xing)關(guān)系

圖3給出了流(liu)體材料的形(xing)變關(guān)系，對(dui)比圖1的固體材料(liao)形變，其橫坐標(biāo)(biao)的形(xing)變程度已為(wei)形變速率(lv)（定義為單(dan)位時間的形變(bian)量）所替(ti)代。不同的流體(ti)材料(liao)表現(xiàn)為非常不(bu)同的應(yīng)(ying)力與形變速率(lv)的關(guān)系，如牛頓(dun)流體(ti)，剪切切稀流體(ti)，剪切切稠(chou)流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然上述(shu)的流變行為能(neng)準(zhǔn)確描(miao)述流體食品(pin)形變的基(ji)本行為或(huo)所需外應(yīng)(ying)力（能量）的(de)關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力(li)形變后的(de)能量(liang)儲存(cun)與耗散的情(qing)況。這一點對(dui)于流體食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)力消失后(hou)，是否(fou)能夠彈性恢(hui)復(fù)原來(lai)的形狀。這個(ge)性質(zhì)在(zai)流變學(xué)中稱(cheng)為黏彈(dan)性，并(bing)可以用(yong)大形變振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它(ta)的兩個(ge)ji端情(qing)況：前者意味(wei)著流體會(hui)像彈簧一樣儲(chu)存形(xing)變時的(de)所有外加能量(liang)，當(dāng)外(wai)力取消(xiao)后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指流(liu)體像水一樣，不(bu)具任何能(neng)量儲存能力(li)，所有外加的形(xing)變能量都會因(yin)分子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能(neng)并耗(hao)散（相角(jiao)90度)。大部分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一(yi)定的黏性，相角(jiao)介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角為(wei)黏彈性的切(qie)分點(dian)，小于45度彈性為主，大(da)于45度則(ze)黏性為(wei)主。

當(dāng)然(ran)，流體食品(pin)黏彈性(xing)的表(biao)征稍顯復(fù)雜，它(ta)與形(xing)變速率或頻率(lv)直接相關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率增(zeng)加時(shi)，流體食品的彈(dan)性傾向(xiang)加強(qiang)；而當(dāng)形(xing)變振幅的(de)頻率降低(di)時，流體食品(pin)的黏性性質(zhì)會(hui)更加突(tu)出。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模型

把流(liu)體材料的這些(xie)本質(zhì)特(te)征組合(he)可以形成另一(yi)個三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個維度分(fen)別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性（或流動(dong)行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個(ge)末端(duan)也可以用感官(guan)詞語來表達(dá)(da)（見表(biao)2）。

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

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述(shu)的三(san)維模型可以(yi)準(zhǔn)確描述大部(bu)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)的(de)空間分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。但是如(ru)何處理軟固(gu)體或半固體食(shi)品，目前還(hai)沒有(you)一個好的辦(ban)法。軟固體食品(pin)是非常廣泛(fan)的食品(pin)體系(xi)，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變程(cheng)度起主(zhu)導(dǎo)作用的(de)軟固(gu)體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果凍(dong)、凝膠類食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率(lv)起主(zhu)導(dǎo)作用的軟固(gu)體（如(ru)酸奶和(he)其他糊狀類食(shi)品）。如(ru)此廣(guang)泛差異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用(yong)一個模(mo)型來(lai)形容，作為一(yi)個大致(zhi)的方法，可以根(gen)據(jù)軟固體食品(pin)的形變(bian)程度和形變(bian)速率的作用程(cheng)度，決定采(cai)用近似固體(ti)處理或近似(shi)流體處(chu)理。前者可以(yi)固體食品的三(san)維模(mo)型處理，而后(hou)者基本上可(ke)以參(can)照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來(lai)處理。

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三維(wei)模型的局限性(xing)

本文(wen)提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突破(po)了食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理論，但(dan)是模型(xing)的應(yīng)用仍有一(yi)定的(de)局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型只(zhi)能適用于均相(xiang)的食品體(ti)系，對于多相(xiang)混雜的食品(pin)（例如(ru)夾心餅(bing)干等），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)該(gai)分相描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能(neng)描述一些(xie)與分散體(ti)系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常常(chang)包含分散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布，但是這些(xie)分散顆(ke)粒除了影響整(zheng)體材料性質(zhì)(zhi)外，還會(hui)帶來一些與顆(ke)粒相關(guān)的特(te)殊的質(zhì)構(gòu)(gou)口感特征，如顆(ke)粒感、粉感(gan)等。另(ling)外，食品質(zhì)構(gòu)的(de)三維模(mo)型也不包括(kuo)因食物入(ru)口后與(yu)唾液相(xiang)互作用(yong)而產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已(yi)經(jīng)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一些(xie)成熟的(de)測量技術(shù)(shu)，但是流變(bian)儀測(ce)量的結(jié)果往往(wang)因其(qi)過于基(ji)礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)口感(gan)性質(zhì)的直接對(dui)應(yīng)，而不被食品(pin)工業(yè)所接(jie)受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(ce)量只能(neng)是相對的(de)測量，很(hen)大程度(du)上只是定性(xing)測量，其測量的(de)方式和測量(liang)的結(jié)果缺乏明(ming)確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各(ge)實驗室(shi)之間的質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)結(jié)果無法直(zhi)接比較。zui明顯的(de)例子(zi)是文獻(xiàn)上廣(guang)泛報道的(de)所謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)(yan)重誤(wu)用的情況(kuang)。我們試圖從(cong)食品材料的形(xing)變原(yuan)理出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食品(pin)材料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模(mo)型的zui大(da)優(yōu)點是可以(yi)將各類食品材(cai)料進(jìn)行(xing)可比(bi)較的量化分析(xi)，從而(er)建立食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖(tu)分布，區(qū)分各食(shi)品之間的微(wei)妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異(yi)，為建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系提(ti)供了可靠的理(li)論依據(jù)。

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原文(wen)由英國(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳建(jian)設(shè)教(jiao)授（通訊作(zuo)者）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原文重新(xin)整理(li)寫作，有(you)些地方對原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝(xie)：本文(wen)寫作過程中，馬(ma)添先生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的建議。