食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)不(bu)僅直(zhi)接關(guān)系到(dao)食品的口感，也(ye)顯著影響食(shi)物在口腔中的(de)風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)。過(guò)去數(shù)(shu)十年中(zhong)，食品工業(yè)(ye)和食品(pin)科學(xué)界一直致(zhi)力建(jian)立可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(píng)(ping)測(cè)的客觀方法(fa)，雖然取得了許(xu)多進(jìn)展(zhan)，但是無(wú)論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)的分(fen)析測(cè)(ce)量技術(shù)方面，都(dou)還存在(zai)許多問(wèn)題，無(wú)(wu)法準(zhǔn)確解釋(shi)消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理，也不(bu)能很好滿(man)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(diǎn)(dian)在于(yu)其多(duo)維度和多(duo)尺度共存的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上(shang)是與食(shi)品材料物性相(xiang)關(guān)的且能(neng)被消費(fèi)(fei)者感知(zhi)的一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復(fù)雜且微(wei)妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其相對(duì)應(yīng)的(de)材料學(xué)性質(zhì)具(ju)有多重(zhong)與動(dòng)態(tài)的特(te)征。因(yin)此很(hen)難期待(dai)用單一的方(fang)法來(lái)描述(shu)或測(cè)量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性(xing)原理，浙江工(gong)商大學(xué)食品(pin)口腔加工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳建設(shè)教(jiao)授與英國(guó)諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料(liao)學(xué)和物性學(xué)(xue)原理出發(fā)(fa)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)，并以此準(zhǔn)確(que)量化不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(gè)(ge)新模型的(de)提出，使(shi)得建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖(tu)成為可(ke)能，也為數(shù)(shu)字化時(shí)代將傳(chuan)統(tǒng)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語(yǔ)描(miao)述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描(miao)述提(ti)供了理論(lun)依據(jù)。

食品的(de)材料分類(lei)

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)，將其分為(wei)三大類(lei)：固體食品，軟（半(ban)）固體食品，流體(ti)食品。固體食(shi)品泛指那些(xie)可以抗拒(ju)重力并具有特(te)定形態(tài)且不易(yi)形變(bian)的食(shi)品，可(ke)分為干(gan)固體食品（如餅(bing)干、堅(jiān)果、硬果(guo)糖等）和(he)濕固體食品(pin)（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出其(qi)屈服閾(yu)值時(shí)，固體食品(pin)會(huì)直接斷(duan)裂或脆裂(lie)。流體食(shi)品是指(zhi)那些無(wú)法抗(kang)拒重(zhong)力并不(bu)具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流動(dòng)的食品(pin)，這類食品以(yi)其裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)為(wei)形態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)(ying)力就可引(yin)起顯(xian)著的形變。軟固(gu)體則介(jie)于兩(liang)者之間，可抗(kang)拒重力(li)并保持一定的(de)形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形(xing)變，并最(zui)終破(po)裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)力(li)與應(yīng)變(bian)之間的典型關(guān)(guan)系

食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食(shi)品形變(bian)特征的口(kou)腔感受，與食(shi)品的材(cai)料性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)(dui)于不同(tong)的食品(pin)材料，形變的內(nèi)(nei)在決定(ding)因素有著很大(da)的區(qū)(qu)別。對(duì)(dui)于固體食(shi)品，其(qi)形變程度與(yu)形變所需的(de)能量是兩(liang)個(gè)最重要的(de)物理變量，也(ye)直接(jie)為消費(fèi)(fei)者所感知。很(hen)幸運(yùn)的是，這(zhe)兩個(gè)(ge)物理變(bian)量都(dou)有準(zhǔn)(zhun)確的物(wu)理定義(yi)并可以被客觀(guan)的量化(hua)測(cè)量。圖(tu)1所示既是(shi)固體食(shi)品的應(yīng)(ying)力與形(xing)變之間的關(guān)(guan)系，而(er)形變所(suo)需的能量（或所(suo)作的功(gong)）則為應(yīng)力與(yu)形變(bian)距離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線下(xia)方的面積(ji)。一般可以(yi)根據(jù)食品形(xing)變所需的應(yīng)力(li)大小將食(shi)品材料(liao)大致分為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四(si)條直線表現(xiàn)(xian)為四種典型的(de)食品材料(liao)：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除(chu)了其(qi)形變(bian)程度與形變能(neng)量外，還有一(yi)項(xiàng)非常重(zhong)要的體驗(yàn)(yan)是其破碎(sui)程度。基(ji)于這(zhe)樣的思考(kao)，我們將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用三(san)個(gè)維度(du)來(lái)量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六(liu)個(gè)終(zhong)端分(fen)別用(yong)六個(gè)熟悉(xi)的感官用語(yǔ)(yu)予以錨定(ding)：強(qiáng)度(du)維度分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度(du)維度分別為(wei)硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)維度(du)的量化數(shù)值把(ba)固體食品分為(wei)八個(gè)類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型

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

表1中三(san)個(gè)維度變(bian)量中，強(qiáng)(qiang)度具有能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度可用最大(da)形變時(shí)(shi)的應(yīng)力來(lái)表(biao)示，具有(you)應(yīng)力單位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前后的(de)顆粒(li)大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總(zong)表面積相比(bi)來(lái)量化，不具(ju)量綱(gang)。

流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食品不(bu)同，流體食品形(xing)變時(shí)除了其(qi)形變程(cheng)度和形(xing)變所(suo)需能量(liang)外，其形變所需(xu)的時(shí)間也(ye)是極(ji)其重要的參考(kao)參數(shù)。單位時(shí)間(jian)的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品在外應(yīng)(ying)力作用下(xia)產(chǎn)生形變的(de)速度(du)或速率，直接影(ying)響材料形變過(guò)(guo)程中(zhong)材料內(nèi)部的能(neng)量狀況(kuang)，是儲(chǔ)存(cun)于材料內(nèi)部(bu)還是通過(guò)其(qi)他形式（如熱(re)能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dòng)(dong)時(shí)的剪切應(yīng)力(li)與剪切(qie)速率之(zhi)間的幾(ji)種典(dian)型關(guān)系(xi)

圖3給出了流體材(cai)料的(de)形變(bian)關(guān)系，對(duì)比(bi)圖1的固體材料形(xing)變，其(qi)橫坐標(biāo)的(de)形變程度已(yi)為形變速率（定(ding)義為單(dan)位時(shí)(shi)間的(de)形變(bian)量）所(suo)替代。不同(tong)的流體材(cai)料表現(xiàn)為非常(chang)不同的應(yīng)力與(yu)形變速率的(de)關(guān)系，如牛頓流(liu)體，剪切切稀流(liu)體，剪切(qie)切稠(chou)流體，觸變性流(liu)體等(deng)。

雖然上述的流(liu)變行為能準(zhǔn)確(que)描述流體食(shi)品形變(bian)的基(ji)本行(xing)為或所需外(wai)應(yīng)力（能量(liang)）的關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量(liang)儲(chǔ)存與(yu)耗散的情況。這(zhe)一點(diǎn)對(duì)于流體(ti)食品非常重(zhong)要，關(guān)系到流體(ti)食品在(zai)外應(yīng)力消失(shi)后，是否能夠(gou)彈性恢復(fù)原來(lái)(lai)的形狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形(xing)變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)確測(cè)(ce)量。wanquan彈性或wanquan黏性是(shi)它的兩個(gè)ji端(duan)情況(kuang)：前者意味著(zhe)流體會(huì)像(xiang)彈簧一樣(yang)儲(chǔ)存形變時(shí)的(de)所有(you)外加能量，當(dāng)外(wai)力取消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lái)狀態(tài)（零(ling)度相角)，后者則指流(liu)體像水一(yi)樣，不具任何(he)能量?jī)?chǔ)存能(neng)力，所有外加(jia)的形變能(neng)量都會(huì)因分子(zi)或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗散(san)（相角90度)。大部分流(liu)體食品(pin)即有一定的彈(dan)性也有一(yi)定的(de)黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以45度相角(jiao)為黏彈(dan)性的(de)切分點(diǎn)，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然，流(liu)體食品黏(nian)彈性的(de)表征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形(xing)變速率或頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情(qing)況下，當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率增加時(shí)，流(liu)體食品的(de)彈性傾(qing)向加強(qiáng)(qiang)；而當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率(lv)降低(di)時(shí)，流體食品(pin)的黏性性(xing)質(zhì)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維模型

把流(liu)體材料的這(zhe)些本質(zhì)特(te)征組合可以形(xing)成另一個(gè)三維(wei)度的(de)質(zhì)構(gòu)模型，見圖(tu)4三個(gè)維度分(fen)別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行(xing)為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的(de)六個(gè)末端也(ye)可以(yi)用感(gan)官詞語(yǔ)來(lái)(lai)表達(dá)（見表2）。

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

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述(shu)的三維(wei)模型可(ke)以準(zhǔn)確描述大(da)部分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不(bu)同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是如何(he)處理(li)軟固體或半固(gu)體食品(pin)，目前還沒有一(yi)個(gè)好(hao)的辦法。軟(ruan)固體食品是(shi)非常廣(guang)泛的(de)食品體系，包(bao)含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形變(bian)程度起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體（如面包、饅(man)頭、豆(dou)腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變(bian)速率(lv)起主導(dǎo)作(zuo)用的軟固體（如(ru)酸奶和其他(ta)糊狀類(lei)食品）。如(ru)此廣泛差(cha)異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)難以(yi)用一(yi)個(gè)模型(xing)來(lái)形容(rong)，作為一個(gè)大(da)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(yong)程度，決(jue)定采用近似(shi)固體處理(li)或近似(shi)流體處(chu)理。前者可以(yi)固體食品的三(san)維模型處(chu)理，而(er)后者基本上(shang)可以參照流(liu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型來(lái)(lai)處理(li)。

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三維(wei)模型的(de)局限(xian)性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突(tu)破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理(li)論，但是模型(xing)的應(yīng)用仍有一(yi)定的(de)局限性。首(shou)先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能(neng)適用(yong)于均相的食(shi)品體系，對(duì)于(yu)多相混雜的食(shi)品（例如夾心餅(bing)干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該分(fen)相描述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能描述一些(xie)與分散體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)。分散體系(xi)食品常(chang)常包含分(fen)散顆(ke)粒，雖為(wei)均相分布，但是(shi)這些分散(san)顆粒除了(le)影響整體材料(liao)性質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶來(lái)一(yi)些與顆(ke)粒相關(guān)(guan)的特(te)殊的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如(ru)顆粒感、粉(fen)感等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三(san)維模型也(ye)不包括因食物(wu)入口后與(yu)唾液相互作用(yong)而產(chǎn)(chan)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(hua)溜感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析雖然(ran)已經(jīng)有如流變(bian)儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等一些成(cheng)熟的測(cè)量技(ji)術(shù)，但是(shi)流變儀測(cè)量(liang)的結(jié)果往往(wang)因其過(guò)于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)性質(zhì)的直接對(duì)(dui)應(yīng)，而(er)不被食品工(gong)業(yè)所接(jie)受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)儀測(cè)(ce)量只能是相對(duì)(dui)的測(cè)量，很大程(cheng)度上只是(shi)定性測(cè)量(liang)，其測(cè)量的方式(shi)和測(cè)量的結(jié)(jie)果缺乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)，各(ge)實(shí)驗(yàn)(yan)室之間的質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果無(wú)法(fa)直接(jie)比較(jiao)。zui明顯的(de)例子是(shi)文獻(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)道的(de)所謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情況(kuang)。我們?cè)噲D(tu)從食品(pin)材料的(de)形變?cè)?li)出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感官的(de)食品材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)是可以(yi)將各類食品(pin)材料(liao)進(jìn)行可(ke)比較的量(liang)化分析，從而建(jian)立食品(pin)體系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖(tu)分布，區(qū)(qu)分各食品之(zhi)間的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建(jian)立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化體(ti)系提供了可靠(kao)的理論依據(jù)。

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原文(wen)由英國(guó)(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者(zhe)）與浙江工商大(da)學(xué)陳建設(shè)教授(shou)（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)原文(wen)重新(xin)整理(li)寫作，有些(xie)地方對(duì)(dui)原文稍有(you)修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過(guò)程(cheng)中，馬添(tian)先生(sheng)提出許多建設(shè)(she)性的建(jian)議。