食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系(xi)到食品的口(kou)感，也顯(xian)著影(ying)響食物在口腔(qiang)中的風(fēng)味(wei)釋放與(yu)體驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年中，食品(pin)工業(yè)和食品科(ke)學(xué)界(jie)一直致力(li)建立可行的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(píng)(ping)測(cè)的客觀(guan)方法，雖(sui)然取得(de)了許多進(jìn)展(zhan)，但是(shi)無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理論(lun)還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測(cè)量(liang)技術(shù)方面(mian)，都還(hai)存在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)構(gòu)(gou)感官背后(hou)的復(fù)雜(za)物理(li)學(xué)原理(li)，也不(bu)能很好(hao)滿足食(shi)品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的(de)需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難(nan)點(diǎn)在于其多維(wei)度和多尺度(du)共存(cun)的本質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上是與(yu)食品材料(liao)物性相關(guān)(guan)的且能被消(xiao)費(fèi)者感知(zhi)的一(yi)系列性質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含(han)很多復(fù)雜(za)且微(wei)妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相(xiang)對(duì)應(yīng)(ying)的材料學(xué)性質(zhì)(zhi)具有多重與動(dòng)(dong)態(tài)的(de)特征。因(yin)此很難期待用(yong)單一(yi)的方法來(lai)描述或測(cè)量(liang)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)食品(pin)口腔加(jia)工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳建(jian)設(shè)教授與英(ying)國(guó)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)，提(ti)出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并以此(ci)準(zhǔn)確量化不同(tong)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模(mo)型的提出，使(shi)得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可(ke)能，也為(wei)數(shù)字(zi)化時(shí)代將傳統(tǒng)(tong)的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)感官詞語(yǔ)(yu)描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化(hua)描述提供了(le)理論依據(jù)。

食品的材料(liao)分類

食品的分(fen)類有很多(duo)種方法，最常(chang)見的是依據(jù)食(shi)品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為三大類(lei)：固體(ti)食品，軟（半(ban)）固體食品(pin)，流體食(shi)品。固體食(shi)品泛指那些可(ke)以抗(kang)拒重力(li)并具有特(te)定形態(tài)且(qie)不易形變(bian)的食(shi)品，可分為(wei)干固體食(shi)品（如餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖等）和(he)濕固體(ti)食品(pin)（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出(chu)其屈服(fu)閾值(zhi)時(shí)，固體食品會(huì)(hui)直接斷裂(lie)或脆裂。流(liu)體食品是(shi)指那些無法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由流動(dòng)的食(shi)品，這類食品以(yi)其裝載的容器(qi)的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)(ying)力就可(ke)引起顯著的形(xing)變。軟固體(ti)則介于兩(liang)者之間，可抗(kang)拒重力(li)并保持(chi)一定的形態(tài)，但(dan)在弱外應(yīng)力作(zuo)用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變，并(bing)最終破裂。

固體(ti)食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品(pin)形變時(shí)(shi)應(yīng)力(li)與應(yīng)(ying)變之間的典型(xing)關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食品(pin)形變特(te)征的口(kou)腔感受，與食(shi)品的材(cai)料性質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對(duì)于不(bu)同的食(shi)品材料(liao)，形變的(de)內(nèi)在決(jue)定因素有著很(hen)大的區(qū)別(bie)。對(duì)于(yu)固體食品，其(qi)形變程度(du)與形(xing)變所(suo)需的能量是(shi)兩個(gè)(ge)最重要(yao)的物理變量，也(ye)直接(jie)為消(xiao)費(fèi)者所(suo)感知。很(hen)幸運(yùn)的(de)是，這兩個(gè)物理(li)變量都(dou)有準(zhǔn)確的物理(li)定義并可(ke)以被客(ke)觀的量化測(cè)量(liang)。圖1所示(shi)既是固體(ti)食品的應(yīng)力(li)與形變之(zhi)間的關(guān)系(xi)，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所作的(de)功）則為應(yīng)力(li)與形變距(ju)離的乘積(ji)，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)力線(xian)下方的面積(ji)。一般可以根據(jù)(ju)食品形變(bian)所需的應(yīng)力大(da)小將(jiang)食品材料大(da)致分為硬(ying)(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根(gen)據(jù)形(xing)變所需的能量(liang)大小則(ze)可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典型的(de)食品材(cai)料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(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)變程度與形變(bian)能量外，還有一(yi)項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是其破(po)碎程度?；?ji)于這(zhe)樣的思考，我們(men)將固體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)維度(du)來量化(hua)描述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度(du)的六個(gè)終端分(fen)別用六個(gè)熟(shu)悉的感官用語(yǔ)(yu)予以錨(mao)定：強(qiáng)度維度(du)分別為強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易碎性(xing)(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個(gè)維度(du)的量化數(shù)(shu)值把固(gu)體食品(pin)分為八個(gè)類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見表1。

圖2. 固體食(shi)品材料質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維(wei)模型

表1. 一些典型固(gu)體食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分(fen)布

表1中三(san)個(gè)維度(du)變量中(zhong)，強(qiáng)度具(ju)有能量單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時(shí)的(de)應(yīng)力來(lai)表示，具有(you)應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破碎度(du)可用破碎(sui)前后(hou)的顆(ke)粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的(de)總表(biao)面積相比(bi)來量(liang)化，不具量綱。

流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體(ti)食品(pin)形變(bian)時(shí)除了其(qi)形變程度和(he)形變所需能量(liang)外，其形(xing)變所(suo)需的時(shí)間也是(shi)極其(qi)重要的參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變程(cheng)度體現(xiàn)流體食(shi)品在外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的(de)速度或(huo)速率，直接影(ying)響材料(liao)形變過程(cheng)中材(cai)料內(nèi)部的能量(liang)狀況，是儲(chǔ)存于(yu)材料(liao)內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形(xing)式（如熱(re)能）耗散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流(liu)動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)(ying)力與剪(jian)切速率之間(jian)的幾種(zhong)典型關(guān)系

圖3給出(chu)了流體材料(liao)的形變(bian)關(guān)系，對(duì)比(bi)圖1的固體材(cai)料形變(bian)，其橫坐標(biāo)的形(xing)變程度已為形(xing)變速率（定義(yi)為單位(wei)時(shí)間的形(xing)變量(liang)）所替代(dai)。不同(tong)的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為非常不同(tong)的應(yīng)力(li)與形(xing)變速率(lv)的關(guān)系，如牛(niu)頓流體(ti)，剪切切(qie)稀流體，剪(jian)切切稠流體，觸(chu)變性(xing)流體等。

雖然上述的流(liu)變行為能(neng)準(zhǔn)確(que)描述(shu)流體食品形變(bian)的基本行(xing)為或所(suo)需外應(yīng)力（能量(liang)）的關(guān)系，但是卻(que)不能顯示(shi)外應(yīng)力形變(bian)后的(de)能量?jī)?chǔ)(chu)存與耗散(san)的情(qing)況。這一點(diǎn)對(duì)于(yu)流體食(shi)品非常(chang)重要，關(guān)系(xi)到流體食品在(zai)外應(yīng)力(li)消失后，是(shi)否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的(de)形狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱為(wei)黏彈性，并(bing)可以(yi)用大形變(bian)振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測(cè)(ce)量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它(ta)的兩個(gè)ji端情(qing)況：前者意味著(zhe)流體(ti)會(huì)像(xiang)彈簧一(yi)樣儲(chǔ)存形(xing)變時(shí)的所(suo)有外加能量，當(dāng)(dang)外力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度(du)相角)，后者則指流(liu)體像(xiang)水一樣，不(bu)具任何能(neng)量?jī)?chǔ)存能力(li)，所有外加的(de)形變(bian)能量都會(huì)因分(fen)子或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能并耗散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流(liu)體食品(pin)即有(you)一定的彈性(xing)也有一定的(de)黏性(xing)，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以45度相角為黏(nian)彈性的切(qie)分點(diǎn)，小(xiao)于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏(nian)性為主。

當(dāng)然，流(liu)體食品黏彈(dan)性的表(biao)征稍(shao)顯復(fù)雜，它與形(xing)變速率或(huo)頻率直接相(xiang)關(guān)。一(yi)般情況下，當(dāng)(dang)形變振幅(fu)的頻(pin)率增加時(shí)(shi)，流體食(shi)品的彈性傾向(xiang)加強(qiáng)(qiang)；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻率(lv)降低時(shí)，流體食(shi)品的黏性(xing)性質(zhì)會(huì)更加突(tu)出。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

把流體材(cai)料的這(zhe)些本質(zhì)特征組(zu)合可以(yi)形成(cheng)另一(yi)個(gè)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個(gè)維度(du)分別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六個(gè)末端(duan)也可以用(yong)感官(guan)詞語(yǔ)來表達(dá)（見(jian)表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模(mo)型說(shuo)明

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三(san)維模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大部分(fen)固體(ti)和流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但(dan)是如(ru)何處理軟(ruan)固體或(huo)半固體(ti)食品，目前還沒(mei)有一個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)程度起主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝(ning)膠類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率(lv)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(ci)廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以(yi)用一(yi)個(gè)模型來(lai)形容(rong)，作為一個(gè)大(da)致的方法(fa)，可以根據(jù)軟(ruan)固體食品的(de)形變(bian)程度和形變速(su)率的作(zuo)用程(cheng)度，決定采(cai)用近似固體處(chu)理或近(jin)似流體處理。前(qian)者可以固(gu)體食品的(de)三維(wei)模型處(chu)理，而后者基(ji)本上可(ke)以參照流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處理。

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三維(wei)模型的局限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突(tu)破了食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是(shi)模型(xing)的應(yīng)用仍(reng)有一定的(de)局限性。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型只(zhi)能適用于均相(xiang)的食品(pin)體系，對(duì)于(yu)多相混雜的食(shi)品（例(li)如夾心餅干(gan)等），其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)該(gai)分相描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能(neng)描述(shu)一些與分(fen)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(jun)相分布，但是這(zhe)些分散顆粒(li)除了(le)影響整體材(cai)料性質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶來一(yi)些與顆粒(li)相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)構(gòu)(gou)口感特征，如(ru)顆粒(li)感、粉(fen)感等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也不包括(kuo)因食物入口(kou)后與唾液相互(hu)作用而產(chǎn)生成(cheng)分或微(wei)結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引(yin)起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，如澀感(gan)、滑溜感(gan)等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然(ran)已經(jīng)有如(ru)流變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一(yi)些成(cheng)熟的測(cè)(ce)量技術(shù)(shu)，但是流變儀(yi)測(cè)量的(de)結(jié)果往往因(yin)其過于基(ji)礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)，而不被(bei)食品工(gong)業(yè)所(suo)接受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)量只(zhi)能是相(xiang)對(duì)的測(cè)量，很大(da)程度上只(zhi)是定性測(cè)量，其(qi)測(cè)量的方式(shi)和測(cè)量的結(jié)果(guo)缺乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)(yan)室之間的質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果無(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的(de)例子(zi)是文獻(xiàn)(xian)上廣泛報(bào)道的(de)所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分(fen)析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺陷(xian)和被嚴(yán)重誤(wu)用的情況(kuang)。我們?cè)?shi)圖從食品(pin)材料(liao)的形變?cè)?li)出發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感官的(de)食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各類(lei)食品材(cai)料進(jìn)行可(ke)比較的量化分(fen)析，從而建立食(shi)品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布，區(qū)(qu)分各食(shi)品之間的(de)微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建(jian)立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字(zi)化體(ti)系提供(gong)了可靠的理論(lun)依據(jù)(ju)。

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原文由英(ying)國(guó)諾丁漢(han)大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者）與浙(zhe)江工商大學(xué)陳(chen)建設(shè)教(jiao)授（通訊作者）合(he)作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新(xin)整理寫作，有些(xie)地方對(duì)原文(wen)稍有修改。

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致謝：本(ben)文寫作過程(cheng)中，馬添先(xian)生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的建議(yi)。