食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)或質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接關(guān)系(xi)到食品的口感(gan)，也顯著影響(xiang)食物(wu)在口腔中的風(fēng)(feng)味釋放與體驗(yàn)(yan)。過去(qu)數(shù)十年中，食(shi)品工業(yè)和食(shi)品科學(xué)界一直(zhi)致力建立可行(xing)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(píng)(ping)測(cè)的(de)客觀方法，雖(sui)然取得了(le)許多進(jìn)展，但是(shi)無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還(hai)是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分(fen)析測(cè)量技術(shù)(shu)方面，都還(hai)存在許多問(wen)題，無(wu)法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背(bei)后的復(fù)雜(za)物理(li)學(xué)原理，也不(bu)能很好滿足食(shi)品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)(dian)在于(yu)其多維(wei)度和多尺(chi)度共存的(de)本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是(shi)與食(shi)品材料物(wu)性相關(guān)的(de)且能(neng)被消費(fèi)者感知(zhi)的一系(xi)列性質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對(duì)應(yīng)(ying)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)(zhi)具有多重與(yu)動(dòng)態(tài)的特(te)征。因(yin)此很難(nan)期待用單一(yi)的方法來(lai)描述或(huo)測(cè)量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于(yu)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原(yuan)理，浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)食(shi)品口腔加工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳建設(shè)(she)教授與英國(guó)(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食(shi)品材料學(xué)(xue)和物(wu)性學(xué)原(yuan)理出發(fā)，提出了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并以此(ci)準(zhǔn)確量(liang)化不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(gè)(ge)新模(mo)型的(de)提出，使得建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可(ke)能，也為(wei)數(shù)字化時(shí)代(dai)將傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字(zi)化描述(shu)提供了理論(lun)依據(jù)(ju)。

食品的(de)材料分類

食品的分類(lei)有很多種方法(fa)，最常見的是(shi)依據(jù)食品的形(xing)態(tài)，將其分(fen)為三大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品，流體(ti)食品。固體(ti)食品泛指那些(xie)可以抗拒(ju)重力并具(ju)有特(te)定形態(tài)且不易(yi)形變的食品(pin)，可分為(wei)干固體食(shi)品（如(ru)餅干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖等）和(he)濕固(gu)體食品（如蘋果(guo)、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出其屈服閾(yu)值時(shí)，固體食(shi)品會(huì)直接斷裂(lie)或脆裂。流體食(shi)品是指那些無(wu)法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形(xing)態(tài)的可自(zi)由流動(dòng)(dong)的食(shi)品，這(zhe)類食品(pin)以其裝(zhuang)載的容(rong)器的形(xing)態(tài)為形(xing)態(tài)，極微(wei)小的應(yīng)力(li)就可引(yin)起顯著的形變(bian)。軟固體則介(jie)于兩(liang)者之(zhi)間，可抗拒重力(li)并保持一定(ding)的形態(tài)，但在弱(ruo)外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終破(po)裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食品形變(bian)時(shí)應(yīng)力與應(yīng)(ying)變之間的典(dian)型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)本質(zhì)(zhi)上是食品(pin)形變特征的口(kou)腔感(gan)受，與食品的材(cai)料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而(er)對(duì)于不同(tong)的食品材(cai)料，形變的內(nèi)在(zai)決定因(yin)素有著很大(da)的區(qū)別(bie)。對(duì)于固體(ti)食品，其(qi)形變程度與形(xing)變所(suo)需的(de)能量是兩個(gè)最(zui)重要的物理變(bian)量，也(ye)直接為(wei)消費(fèi)者所感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩(liang)個(gè)物理變(bian)量都有(you)準(zhǔn)確的物理(li)定義并可以(yi)被客觀的量化(hua)測(cè)量。圖1所示既是固體(ti)食品的應(yīng)(ying)力與(yu)形變之間(jian)的關(guān)系，而形變(bian)所需的(de)能量（或(huo)所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力(li)與形變距(ju)離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下(xia)方的面(mian)積。一般可以根(gen)據(jù)食(shi)品形(xing)變所需的(de)應(yīng)力大小將(jiang)食品材料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需的(de)能量大小則(ze)可將(jiang)食品材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線表現(xiàn)為(wei)四種典型的食(shi)品材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(qiang)(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形變程(cheng)度與形變能量(liang)外，還(hai)有一(yi)項(xiàng)非常重(zhong)要的體驗(yàn)是(shi)其破碎(sui)程度?；谶@(zhe)樣的思考，我(wo)們將固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三(san)個(gè)維度來(lai)量化描述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)終端分(fen)別用(yong)六個(gè)熟(shu)悉的感官(guan)用語予(yu)以錨定(ding)：強(qiáng)度維(wei)度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易碎(sui)性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三(san)個(gè)維度(du)的量化數(shù)(shu)值把(ba)固體食品分(fen)為八個(gè)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特(te)性的(de)三維模型

表1. 一些典型固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特(te)征的(de)三維分布

表1中三個(gè)維度(du)變量中，強(qiáng)度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者(zhe)J），硬度可(ke)用最大形變(bian)時(shí)的(de)應(yīng)力來表示(shi)，具有應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破(po)碎度可用(yong)破碎前(qian)后的(de)顆粒(li)大小分布或破(po)碎前后(hou)的總表面積(ji)相比來(lai)量化，不(bu)具量綱。

流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不同，流體(ti)食品形(xing)變時(shí)(shi)除了其(qi)形變程度和形(xing)變所需(xu)能量(liang)外，其形變(bian)所需的時(shí)間(jian)也是極其重(zhong)要的(de)參考參數(shù)(shu)。單位時(shí)間(jian)的形(xing)變程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在(zai)外應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生形變的(de)速度或速(su)率，直接(jie)影響材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部的能量(liang)狀況，是儲(chǔ)(chu)存于材料內(nèi)部(bu)還是(shi)通過其他形式(shi)（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動(dòng)時(shí)的剪切(qie)應(yīng)力(li)與剪切(qie)速率(lv)之間的幾(ji)種典型關(guān)系(xi)

圖3給出(chu)了流體材(cai)料的形變關(guān)系(xi)，對(duì)比圖1的固體材料(liao)形變，其橫(heng)坐標(biāo)的(de)形變程(cheng)度已為形變(bian)速率（定義為單(dan)位時(shí)間的形變(bian)量）所替(ti)代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)為(wei)非常不同的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)(guan)系，如(ru)牛頓流(liu)體，剪切切(qie)稀流(liu)體，剪切切(qie)稠流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然上述的流(liu)變行為能(neng)準(zhǔn)確描(miao)述流體(ti)食品(pin)形變的基本(ben)行為或所需(xu)外應(yīng)(ying)力（能(neng)量）的關(guān)系，但(dan)是卻不能顯示(shi)外應(yīng)力(li)形變后的能(neng)量?jī)?chǔ)存(cun)與耗(hao)散的(de)情況(kuang)。這一點(diǎn)對(duì)于(yu)流體食品(pin)非常重(zhong)要，關(guān)系(xi)到流體食品(pin)在外應(yīng)力消失(shi)后，是否能夠彈(dan)性恢復(fù)(fu)原來的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在(zai)流變(bian)學(xué)中(zhong)稱為黏彈性，并(bing)可以用大形變(bian)振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測(cè)量(liang)。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性(xing)是它的兩(liang)個(gè)ji端情(qing)況：前(qian)者意(yi)味著流體(ti)會(huì)像彈(dan)簧一樣儲(chǔ)(chu)存形(xing)變時(shí)(shi)的所有外加(jia)能量，當(dāng)外力(li)取消(xiao)后，流體能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度(du)相角)，后者則指流體(ti)像水一樣(yang)，不具(ju)任何(he)能量?jī)?chǔ)存能力(li)，所有(you)外加的形變(bian)能量都會(huì)(hui)因分(fen)子或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散(san)（相角90度)。大部分流體食(shi)品即有(you)一定的彈性(xing)也有一(yi)定的黏性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以(yi)45度相(xiang)角為黏(nian)彈性的切分(fen)點(diǎn)，小(xiao)于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流(liu)體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它與(yu)形變速率或(huo)頻率直接相(xiang)關(guān)。一般情況下(xia)，當(dāng)形變振幅(fu)的頻率(lv)增加時(shí)(shi)，流體食品的彈(dan)性傾(qing)向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻(pin)率降低時(shí)，流(liu)體食(shi)品的黏性性質(zhì)(zhi)會(huì)更加突出。

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(de)這些(xie)本質(zhì)(zhi)特征組合可以(yi)形成另一個(gè)(ge)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個(gè)維度分別(bie)為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的六(liu)個(gè)末(mo)端也可以(yi)用感官(guan)詞語(yu)來表(biao)達(dá)（見表(biao)2）。

表2. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維模型說(shuo)明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的三(san)維模型可以(yi)準(zhǔn)確描述(shu)大部分(fen)固體和流(liu)體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布圖(tu)，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處(chu)理軟固體(ti)或半固體(ti)食品，目(mu)前還沒有一(yi)個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是非(fei)常廣(guang)泛的食品體(ti)系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由(you)形變(bian)程度起主(zhu)導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如面(mian)包、饅頭、豆(dou)腐、果凍(dong)、凝膠類(lei)食品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形變(bian)速率起主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他(ta)糊狀類食品(pin)）。如此廣泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用一(yi)個(gè)模(mo)型來形容，作為(wei)一個(gè)大致的(de)方法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品的形(xing)變程度和形(xing)變速率的(de)作用程(cheng)度，決定采用(yong)近似(shi)固體處(chu)理或近(jin)似流體處理。前(qian)者可以(yi)固體食品(pin)的三維模(mo)型處理，而后(hou)者基本上可(ke)以參照(zhao)流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型來(lai)處理(li)。

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三維(wei)模型的局限性(xing)

本文提出的(de)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模(mo)型的應(yīng)(ying)用仍有一(yi)定的局限(xian)性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只(zhi)能適(shi)用于均(jun)相的食品體(ti)系，對(duì)于多相(xiang)混雜的食品(pin)（例如夾心餅(bing)干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不(bu)能描述一(yi)些與分散體系(xi)相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體(ti)系食品常常(chang)包含分散顆粒(li)，雖為均相(xiang)分布，但是這(zhe)些分散顆粒(li)除了(le)影響整(zheng)體材料(liao)性質(zhì)外(wai)，還會(huì)帶來一些(xie)與顆粒相關(guān)(guan)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口感特(te)征，如顆粒感(gan)、粉感等。另(ling)外，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維模(mo)型也不(bu)包括(kuo)因食物入口(kou)后與(yu)唾液相互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成分或(huo)微結(jié)構(gòu)變化因(yin)而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑(hua)溜感(gan)等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然已(yi)經(jīng)有如流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成(cheng)熟的測(cè)量技術(shù)(shu)，但是流(liu)變儀測(cè)(ce)量的結(jié)果(guo)往往因(yin)其過于基礎(chǔ)(chu)性，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的(de)直接對(duì)應(yīng)，而(er)不被食品工業(yè)(ye)所接受。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(da)程度(du)上只是定(ding)性測(cè)量，其測(cè)量(liang)的方式和測(cè)量(liang)的結(jié)果缺乏(fa)明確的標(biāo)準(zhǔn)，各(ge)實(shí)驗(yàn)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)(jie)果無(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的例子(zi)是文獻(xiàn)(xian)上廣泛報(bào)道的(de)所謂的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)(yan)重誤用(yong)的情(qing)況。我(wo)們?cè)?shi)圖從食品(pin)材料(liao)的形變?cè)?li)出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感官(guan)的食品材(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)食品材料進(jìn)(jin)行可比較的量(liang)化分析，從(cong)而建立食(shi)品體(ti)系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖(tu)分布，區(qū)分各食(shi)品之間(jian)的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系(xi)提供了可靠(kao)的理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guó)諾(nuo)丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者(zhe)）與浙江工(gong)商大學(xué)(xue)陳建設(shè)教授（通(tong)訊作者）合作完(wan)成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文重(zhong)新整理寫作(zuo)，有些地(di)方對(duì)原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中，馬添(tian)先生提出(chu)許多(duo)建設(shè)性的建(jian)議。