食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系(xi)到食品的口感(gan)，也顯著(zhu)影響食物(wu)在口腔中的(de)風(fēng)味(wei)釋放與體(ti)驗(yàn)。過(guò)去數(shù)十(shi)年中，食品(pin)工業(yè)和(he)食品科學(xué)界一(yi)直致力(li)建立(li)可行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(píng)(ping)測(cè)的客(ke)觀方(fang)法，雖(sui)然取得了許(xu)多進(jìn)展，但(dan)是無(wú)(wu)論在食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測(cè)(ce)量技術(shù)(shu)方面，都(dou)還存在(zai)許多(duo)問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確(que)解釋消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)(gou)感官背后的(de)復(fù)雜物理(li)學(xué)原理，也(ye)不能(neng)很好滿足(zu)食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的(de)難點(diǎn)在于(yu)其多維度(du)和多(duo)尺度共存的(de)本質(zhì)特點(diǎn)(dian)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上(shang)是與食(shi)品材(cai)料物性(xing)相關(guān)的且能(neng)被消費(fèi)者(zhe)感知的(de)一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含(han)很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙(miao)變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其相對(duì)(dui)應(yīng)的(de)材料學(xué)(xue)性質(zhì)具有(you)多重與動(dòng)態(tài)(tai)的特征。因(yin)此很難期待(dai)用單一(yi)的方法來(lái)描(miao)述或測(cè)量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于(yu)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原(yuan)理，浙江工商大(da)學(xué)食品口腔加(jia)工實(shí)驗(yàn)室陳建(jian)設(shè)教授與英(ying)國(guó)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學(xué)和(he)物性(xing)學(xué)原理出發(fā)(fa)，提出了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)，并以(yi)此準(zhǔn)確量化不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(gè)新(xin)模型的提出，使(shi)得建立(li)食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為可能(neng)，也為數(shù)字化時(shí)(shi)代將傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的感(gan)官詞語(yǔ)描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字(zi)化描述提(ti)供了理論依據(jù)(ju)。

食品(pin)的材料分類

食品的(de)分類有很多(duo)種方法，最常(chang)見(jiàn)的(de)是依(yi)據(jù)食品的形(xing)態(tài)，將其分為三(san)大類(lei)：固體食(shi)品，軟（半(ban)）固體食(shi)品，流體(ti)食品。固體(ti)食品泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力并具有(you)特定形態(tài)且(qie)不易形變的食(shi)品，可分(fen)為干固體食(shi)品（如餅干(gan)、堅(jiān)果、硬果(guo)糖等）和濕固體(ti)食品（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力(li)超出其屈服閾(yu)值時(shí)，固(gu)體食品會(huì)直接(jie)斷裂或(huo)脆裂。流(liu)體食(shi)品是指(zhi)那些無(wú)法(fa)抗拒重(zhong)力并不具自我(wo)形態(tài)的可自(zi)由流動(dòng)的(de)食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)(ying)力就可(ke)引起顯著的(de)形變。軟固體(ti)則介(jie)于兩者之(zhi)間，可(ke)抗拒重力(li)并保持一(yi)定的形態(tài)(tai)，但在弱(ruo)外應(yīng)力(li)作用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變，并最終破裂(lie)。

固體食(shi)品的三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)(ying)力與應(yīng)(ying)變之間的(de)典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食(shi)品形變(bian)特征的(de)口腔感受，與(yu)食品的材料(liao)性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)于不同(tong)的食品材料(liao)，形變的(de)內(nèi)在決定因素(su)有著很(hen)大的區(qū)別。對(duì)(dui)于固體食品，其(qi)形變(bian)程度與形變(bian)所需的能量(liang)是兩個(gè)最(zui)重要(yao)的物理變量，也(ye)直接(jie)為消費(fèi)(fei)者所感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(gè)(ge)物理(li)變量都有準(zhǔn)(zhun)確的物理(li)定義并(bing)可以被客(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)，而形變(bian)所需的(de)能量（或所(suo)作的功）則(ze)為應(yīng)(ying)力與形變距(ju)離的乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)力(li)線下方的面積(ji)。一般可以根據(jù)(ju)食品形變(bian)所需的(de)應(yīng)力(li)大小將(jiang)食品材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的能量(liang)大小(xiao)則可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典型的食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了(le)其形變程(cheng)度與形變能(neng)量外(wai)，還有(you)一項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是其破(po)碎程度(du)?；谶@樣的思(si)考，我們(men)將固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)(ge)維度來(lái)量化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分別用(yong)六個(gè)熟悉(xi)的感(gan)官用語(yǔ)予(yu)以錨(mao)定：強(qiáng)度維(wei)度分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維(wei)度分別為易碎(sui)性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)維度(du)的量化數(shù)(shu)值把(ba)固體食(shi)品分(fen)為八(ba)個(gè)類別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)描述見(jiàn)表1。

圖2. 固體(ti)食品材料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特(te)征的三維分布(bu)

表1中三個(gè)(ge)維度變量(liang)中，強(qiáng)度具(ju)有能量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力(li)來(lái)表示，具(ju)有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度(du)可用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總(zong)表面積相比(bi)來(lái)量(liang)化，不具量綱。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固(gu)體食品不同，流(liu)體食品形變時(shí)(shi)除了其形變程(cheng)度和形(xing)變所需能量外(wai)，其形變所需(xu)的時(shí)間也是(shi)極其重(zhong)要的(de)參考參數(shù)。單(dan)位時(shí)間的形變(bian)程度(du)體現(xiàn)流(liu)體食(shi)品在(zai)外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的(de)速度或速率，直(zhi)接影響(xiang)材料(liao)形變過(guò)程中(zhong)材料(liao)內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲(chǔ)存于材料(liao)內(nèi)部還是(shi)通過(guò)其他形式(shi)（如熱能）耗散(san)。

圖3. 流體(ti)食品剪切(qie)流動(dòng)時(shí)(shi)的剪切應(yīng)力與(yu)剪切速率(lv)之間的幾種(zhong)典型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體材料(liao)的形變(bian)關(guān)系(xi)，對(duì)比(bi)圖1的固(gu)體材料(liao)形變，其橫(heng)坐標(biāo)的(de)形變程度(du)已為形變速(su)率（定(ding)義為單位時(shí)間(jian)的形變量）所替(ti)代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)為非(fei)常不同的(de)應(yīng)力與形(xing)變速率的關(guān)系(xi)，如牛(niu)頓流體，剪(jian)切切稀流體，剪(jian)切切稠(chou)流體，觸(chu)變性(xing)流體等。

雖然上述(shu)的流變(bian)行為能準(zhǔn)確(que)描述流(liu)體食(shi)品形變的基(ji)本行為或(huo)所需(xu)外應(yīng)(ying)力（能量）的(de)關(guān)系(xi)，但是卻(que)不能(neng)顯示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量?jī)?chǔ)存與(yu)耗散的情況。這(zhe)一點(diǎn)對(duì)于流(liu)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(shi)后，是否能夠彈(dan)性恢復(fù)原(yuan)來(lái)的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流變(bian)學(xué)中(zhong)稱為黏彈性，并(bing)可以用(yong)大形變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量(liang)。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的兩(liang)個(gè)ji端情況：前(qian)者意味著流體(ti)會(huì)像(xiang)彈簧一樣(yang)儲(chǔ)存(cun)形變時(shí)的所有(you)外加能量(liang)，當(dāng)外(wai)力取(qu)消后，流體能wanquan恢復(fù)到原(yuan)來(lái)狀態(tài)(tai)（零度(du)相角)，后者則指流體(ti)像水(shui)一樣，不(bu)具任何能(neng)量?jī)?chǔ)存能力，所(suo)有外加的形變(bian)能量都會(huì)因(yin)分子或顆粒(li)摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相(xiang)角90度)。大部分流體(ti)食品即有一定(ding)的彈性也有(you)一定的黏性(xing)，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的切分(fen)點(diǎn)，小于(yu)45度彈(dan)性為主(zhu)，大于(yu)45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食(shi)品黏彈性的(de)表征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形變(bian)速率或頻率直(zhi)接相(xiang)關(guān)。一般情(qing)況下(xia)，當(dāng)形(xing)變振幅(fu)的頻率(lv)增加時(shí)(shi)，流體食品(pin)的彈性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻(pin)率降低時(shí)(shi)，流體(ti)食品的(de)黏性(xing)性質(zhì)會(huì)(hui)更加突出。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維(wei)模型(xing)

把流體材料的(de)這些本質(zhì)(zhi)特征(zheng)組合可以(yi)形成另一(yi)個(gè)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)，見(jiàn)圖(tu)4三個(gè)維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠(chou)性（或流(liu)動(dòng)行(xing)為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的(de)六個(gè)末端(duan)也可以用(yong)感官詞語(yǔ)(yu)來(lái)表達(dá)（見(jiàn)表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維(wei)模型說(shuō)明(ming)

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述(shu)的三維模(mo)型可(ke)以準(zhǔn)確描述大(da)部分固體(ti)和流(liu)體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分布(bu)圖，以準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體(ti)或半固體食品(pin)，目前還沒(méi)有(you)一個(gè)好(hao)的辦(ban)法。軟固(gu)體食(shi)品是非常(chang)廣泛(fan)的食品體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)程度起主(zhu)導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體（如面包(bao)、饅頭(tou)、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變(bian)速率起主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體（如酸(suan)奶和其他糊(hu)狀類食品(pin)）。如此廣泛(fan)差異的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)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)(ju)軟固體(ti)食品(pin)的形變(bian)程度和形(xing)變速率的作(zuo)用程度，決定(ding)采用(yong)近似固體處理(li)或近似(shi)流體處理。前者(zhe)可以固(gu)體食(shi)品的三維(wei)模型處(chu)理，而后者基(ji)本上可以參(can)照流(liu)體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來(lái)處理(li)。

?

三維模型(xing)的局限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，突(tu)破了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模型(xing)的應(yīng)用(yong)仍有(you)一定的局限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型只能適用(yong)于均相的(de)食品體系，對(duì)(dui)于多相混雜的(de)食品(pin)（例如(ru)夾心餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)該分(fen)相描述。第(di)二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦(yi)不能(neng)描述一些與(yu)分散體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常(chang)常包含(han)分散顆粒，雖(sui)為均(jun)相分布，但是這(zhe)些分散顆(ke)粒除了(le)影響整體材(cai)料性質(zhì)外(wai)，還會(huì)帶(dai)來(lái)一些(xie)與顆粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆粒(li)感、粉感等(deng)。另外，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三(san)維模型也(ye)不包括因(yin)食物入(ru)口后(hou)與唾液相互(hu)作用(yong)而產(chǎn)生成分或(huo)微結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑溜(liu)感等。

?

食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖(sui)然已經(jīng)(jing)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一(yi)些成熟(shu)的測(cè)量(liang)技術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀測(cè)量(liang)的結(jié)果往往因(yin)其過(guò)于基礎(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(bu)被食(shi)品工業(yè)所(suo)接受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)量只能是(shi)相對(duì)的測(cè)量，很(hen)大程度上只(zhi)是定性測(cè)(ce)量，其測(cè)量的(de)方式和測(cè)量(liang)的結(jié)果缺(que)乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各(ge)實(shí)驗(yàn)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無(wú)法直接(jie)比較。zui明(ming)顯的例子是文(wen)獻(xiàn)上廣泛(fan)報(bào)道的所謂的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和(he)被嚴(yán)重誤用的(de)情況。我們?cè)噲D(tu)從食品(pin)材料的形(xing)變?cè)沓霭l(fā)(fa)，揭示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)感官的食(shi)品材料(liao)學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各類食品(pin)材料(liao)進(jìn)行可比(bi)較的量化分析(xi)，從而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜圖分(fen)布，區(qū)分各食品(pin)之間的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)差異(yi)，為建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系提供(gong)了可靠(kao)的理論依據(jù)。

?

原文由英(ying)國(guó)諾(nuo)丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙(zhe)江工商大學(xué)(xue)陳建設(shè)教(jiao)授（通訊(xun)作者）合(he)作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根(gen)據(jù)原(yuan)文重新整理(li)寫(xiě)作(zuo)，有些地(di)方對(duì)原文(wen)稍有修改。

?

致謝：本文寫(xiě)作(zuo)過(guò)程中(zhong)，馬添先(xian)生提出許多建(jian)設(shè)性的(de)建議。