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Technical articles食品質構(gou)或質構(gou)性質不僅(jin)直接關系到(dao)食品的口感,也(ye)顯著影響(xiang)食物(wu)在口腔(qiang)中的(de)風味(wei)釋放與體驗(yan)。過去數(shù)十年中(zhong),食品(pin)工業(yè)和食(shi)品科學界一直(zhi)致力建(jian)立可行的食品(pin)質構性質評測(ce)的客(ke)觀方法,雖然取(qu)得了許多進(jin)展,但是無(wu)論在食(shi)品質構理論(lun)還是食品質構(gou)的分析測(ce)量技術方面,都(dou)還存在許多(duo)問題(ti),無法準確解(jie)釋消費(fei)者質構感官(guan)背后的(de)復雜物(wu)理學原(yuan)理,也不能(neng)很好滿足食品(pin)工業(yè)(ye)質量控制的需(xu)求。
食品質構(gou)分析的難(nan)點在于其多(duo)維度和多尺度(du)共存的本(ben)質特點。食品質(zhi)構性質實(shi)質上是與食品(pin)材料物性相(xiang)關的且能被(bei)消費(fei)者感知的(de)一系列性(xing)質的統(tǒng)稱(cheng),包含很多復(fu)雜且微妙(miao)變化的質構(gou)屬性,其相對應(ying)的材(cai)料學性質(zhi)具有多重與(yu)動態(tài)的(de)特征。因此(ci)很難期待用單(dan)一的方(fang)法來描述或測(ce)量食品的質(zhi)構特(te)性和質(zhi)構感官(guan)。
基于食品(pin)質構(gou)的多維性(xing)原理,浙江工(gong)商大學食品(pin)口腔(qiang)加工實(shi)驗室陳(chen)建設教授與(yu)英國諾(nuo)丁漢大學Andrew Rosenthal 博士合(he)作,從食(shi)品材(cai)料學和物性學(xue)原理出發(fā)(fa),提出(chu)了食品質構(gou)三維模型,并(bing)以此準確量化(hua)不同食品的質(zhi)構特征。這(zhe)個新模(mo)型的提(ti)出,使得建(jian)立食品(pin)質構譜圖(tu)成為可能,也(ye)為數(shù)(shu)字化時(shi)代將傳統(tǒng)(tong)的食品質(zhi)構的感官詞(ci)語描述(shu)轉變?yōu)閿?shù)(shu)字化(hua)描述提(ti)供了理論依據(jù)(ju)。
食品(pin)的材料(liao)分類
食品的分(fen)類有很(hen)多種方(fang)法,最常見(jian)的是依(yi)據(jù)食品的形(xing)態(tài),將其分(fen)為三大(da)類:固體食品(pin),軟(半(ban))固體食(shi)品,流體食品(pin)。固體(ti)食品泛指那些(xie)可以抗拒重(zhong)力并具(ju)有特(te)定形(xing)態(tài)且不易(yi)形變的(de)食品(pin),可分為(wei)干固體食品(如(ru)餅干、堅果、硬(ying)果糖(tang)等)和濕固(gu)體食品(pin)(如蘋(ping)果、梨等)。當外應(ying)力超(chao)出其屈服(fu)閾值時,固(gu)體食品會直接(jie)斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體食品是指(zhi)那些無法抗拒(ju)重力并(bing)不具(ju)自我(wo)形態(tài)的(de)可自(zi)由流動的食(shi)品,這類食品以(yi)其裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)為(wei)形態(tài),極微小的(de)應力就可(ke)引起顯著的形(xing)變。軟固(gu)體則(ze)介于兩者(zhe)之間,可抗拒重(zhong)力并保持一(yi)定的形態(tài)(tai),但在弱外(wai)應力作用下產(chan)生形變(bian),并最(zui)終破(po)裂。
固體食品的(de)三維質(zhi)構模型
圖1. 固體食品形(xing)變時應力與應(ying)變之間的(de)典型(xing)關系(xi)
食品的質構性(xing)質本質上是(shi)食品形變特(te)征的(de)口腔感受,與(yu)食品的(de)材料性質直接(jie)相關。而對于不(bu)同的食(shi)品材(cai)料,形變的內(nei)在決定(ding)因素(su)有著很大(da)的區(qū)(qu)別。對于固(gu)體食品,其(qi)形變程度與(yu)形變所需的(de)能量是兩個(ge)最重要的物理(li)變量,也直接為(wei)消費者所感(gan)知。很(hen)幸運的是,這兩(liang)個物理(li)變量都有(you)準確的(de)物理定(ding)義并(bing)可以被客觀的(de)量化測(ce)量。圖1所示既是固體(ti)食品的應力(li)與形變之間(jian)的關(guan)系,而形變所(suo)需的能量(或所(suo)作的功)則為(wei)應力與形變(bian)距離的乘積,表(biao)現(xiàn)為應力(li)線下方(fang)的面積。一般(ban)可以(yi)根據(jù)(ju)食品形(xing)變所需的(de)應力大小將食(shi)品材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft),而根(gen)據(jù)形變(bian)所需(xu)的能量大(da)小則可將(jiang)食品材料(liao)分為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四種(zhong)典型的食品(pin)材料:(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiang)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。
當然(ran),固體(ti)食品的質構性(xing)質除了(le)其形(xing)變程(cheng)度與形(xing)變能量外,還(hai)有一項非常(chang)重要的體驗是(shi)其破碎程度?;?ji)于這樣的(de)思考,我們將(jiang)固體食品的質(zhi)構性質(zhi)用三個(ge)維度(du)來量化描(miao)述:強度(Strength),硬度(Hardness),破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別用(yong)六個熟悉(xi)的感官用語予(yu)以錨定:強度維(wei)度分別為強(Strong)和弱(Weak),硬度(du)維度(du)分別為硬(Hard)和軟(ruan)(Soft),破碎(sui)維度分別為(wei)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)個維度的量化(hua)數(shù)值把(ba)固體(ti)食品分(fen)為八(ba)個類別,其(qi)質構特征(zheng)描述見(jian)表1。
圖2. 固體食品(pin)材料質構(gou)特性的三(san)維模型
表1. 一些(xie)典型固體食(shi)品質構特(te)征的三維分(fen)布
表1中三個維度(du)變量中,強度具(ju)有能量單位(wei)(Pa.m或者J),硬度可用最(zui)大形變時的應(ying)力來表示,具(ju)有應力單位(Pa),而破碎度(du)可用破碎前(qian)后的顆粒(li)大小分(fen)布或(huo)破碎前后的總(zong)表面積相(xiang)比來量化,不具(ju)量綱。
流體(ti)食品(pin)的質(zhi)構模型(xing)
與固體食品(pin)不同(tong),流體食品形變(bian)時除了其(qi)形變程度和(he)形變所(suo)需能量外,其(qi)形變所需(xu)的時(shi)間也(ye)是極(ji)其重要的參(can)考參數(shù)。單(dan)位時間(jian)的形(xing)變程度體(ti)現(xiàn)流體食品(pin)在外應力作用(yong)下產生(sheng)形變(bian)的速度或(huo)速率,直接影響(xiang)材料形變過(guo)程中材(cai)料內部的能(neng)量狀況,是儲存(cun)于材料(liao)內部(bu)還是(shi)通過其他形式(shi)(如熱能)耗散。
圖3. 流體食品剪(jian)切流動時的(de)剪切應力(li)與剪切速率(lv)之間的幾(ji)種典型關系(xi)
圖3給出(chu)了流(liu)體材料(liao)的形(xing)變關系,對比圖(tu)1的固體材料形(xing)變,其橫(heng)坐標的(de)形變(bian)程度已(yi)為形變速率(定(ding)義為單(dan)位時間的(de)形變量)所替代(dai)。不同的(de)流體(ti)材料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應力(li)與形變速率的(de)關系(xi),如牛(niu)頓流體,剪切切(qie)稀流(liu)體,剪切切(qie)稠流體,觸(chu)變性(xing)流體等。
雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準確(que)描述流(liu)體食品形變(bian)的基本行為(wei)或所需外應力(li)(能量)的關系(xi),但是(shi)卻不(bu)能顯示(shi)外應力形變(bian)后的能(neng)量儲存(cun)與耗散的(de)情況。這一點(dian)對于流(liu)體食品非(fei)常重要,關系(xi)到流體食品(pin)在外應力(li)消失后(hou),是否能(neng)夠彈性恢(hui)復原來的形(xing)狀。這個(ge)性質在流(liu)變學中稱(cheng)為黏彈性,并可(ke)以用大形(xing)變振幅方法(fa)來準確測量(liang)。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它的(de)兩個(ge)ji端情(qing)況:前者意味著(zhe)流體會像(xiang)彈簧(huang)一樣儲存形(xing)變時的(de)所有外加能量(liang),當外力(li)取消后,流(liu)體能(neng)wanquan恢復到原來狀(zhuang)態(tài)(零度(du)相角),后者則(ze)指流體像(xiang)水一(yi)樣,不具任何能(neng)量儲(chu)存能力,所有外(wai)加的形變(bian)能量都會因(yin)分子或顆粒(li)摩擦被轉變?yōu)?wei)熱能并耗散(相(xiang)角90度)。大部分流體(ti)食品(pin)即有一定的彈(dan)性也(ye)有一定(ding)的黏性,相(xiang)角介于00 – 900之間。一般以45度相角為黏彈(dan)性的切(qie)分點,小(xiao)于45度彈性為(wei)主,大于45度則黏(nian)性為主(zhu)。
當然,流(liu)體食品黏彈性(xing)的表征稍顯復(fu)雜,它與形(xing)變速率(lv)或頻率直接相(xiang)關。一般(ban)情況下,當形變(bian)振幅的頻率(lv)增加(jia)時,流體(ti)食品的彈(dan)性傾(qing)向加(jia)強;而當形變(bian)振幅的頻率(lv)降低時,流(liu)體食品的黏性(xing)性質會更(geng)加突出。
圖4. 流體(ti)食品質(zhi)構特性的三維(wei)模型
把流(liu)體材料的這些(xie)本質特征(zheng)組合可以形成(cheng)另一個三維度(du)的質(zhi)構模型,見(jian)圖4三個維度分(fen)別為稠度(du)(Thickness, Consistency),黏彈性(xing)(Viscoelasticity),切稀切(qie)稠性(xing)(或流(liu)動行(xing)為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(ge)維度的六個末(mo)端也(ye)可以用(yong)感官詞語來(lai)表達(見表(biao)2)。
表2. 流體食(shi)品質構(gou)特性的三維模(mo)型說明
軟固(gu)體的質構模(mo)型
上述的三(san)維模型可以準(zhun)確描述大(da)部分固體和(he)流體食品的(de)質構特征(zheng),形成食品(pin)質構的(de)空間分布圖,以(yi)準確區(qū)別不(bu)同食品的(de)質構特征(zheng)。但是如(ru)何處理軟固(gu)體或半固體食(shi)品,目前還沒(mei)有一個(ge)好的辦法(fa)。軟固體食品(pin)是非常廣(guang)泛的食(shi)品體(ti)系,包含質構性(xing)質由形變(bian)程度起主導(dao)作用的軟固體(ti)(如面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品(pin)),和質構性(xing)質由(you)形變速率起(qi)主導作用(yong)的軟(ruan)固體(如酸奶(nai)和其他糊(hu)狀類(lei)食品)。如此廣泛(fan)差異(yi)的質構性質難(nan)以用一個(ge)模型來(lai)形容,作為(wei)一個大(da)致的(de)方法(fa),可以根(gen)據(jù)軟(ruan)固體食品(pin)的形變程度和(he)形變速率的作(zuo)用程度(du),決定采用(yong)近似固體(ti)處理或近(jin)似流體處理(li)。前者可以固(gu)體食(shi)品的三維模型(xing)處理(li),而后者基本上(shang)可以參照(zhao)流體食品(pin)的質構(gou)模型來處理。
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三維模型的(de)局限性(xing)
本文(wen)提出的食品質(zhi)構三維模(mo)型,突(tu)破了食品(pin)質構的傳統(tǒng)理(li)論,但是模(mo)型的應(ying)用仍有一定(ding)的局(ju)限性。首先,食品(pin)質構三維模型(xing)只能適用于均(jun)相的食品體系(xi),對于(yu)多相(xiang)混雜的(de)食品(例如夾心(xin)餅干等),其質(zhi)構特征則應該(gai)分相(xiang)描述。第二,三維(wei)質構模型亦(yi)不能描(miao)述一些與分(fen)散體(ti)系相關的質構(gou)性質。分散體系(xi)食品(pin)常常包含(han)分散顆粒,雖(sui)為均相分布(bu),但是(shi)這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整體材(cai)料性質(zhi)外,還(hai)會帶來一些與(yu)顆粒相關的特(te)殊的質構口感(gan)特征,如顆粒(li)感、粉感(gan)等。另外,食(shi)品質構的三(san)維模型也(ye)不包括(kuo)因食物入口(kou)后與唾液相(xiang)互作用(yong)而產(chan)生成分或微(wei)結構變化因而(er)引起的(de)質構特征(zheng),如澀感、滑(hua)溜感(gan)等。
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食品質(zhi)構數(shù)字化(hua)
食品質構分析(xi)雖然已(yi)經有如(ru)流變儀(yi)、質構儀等一(yi)些成熟的測(ce)量技術,但是流(liu)變儀測(ce)量的(de)結果往(wang)往因其過于(yu)基礎(chu)性,缺(que)乏與質構口感(gan)性質的(de)直接對(dui)應,而不(bu)被食品工業(yè)所(suo)接受。而食品(pin)質構(gou)儀測量只能是(shi)相對的測(ce)量,很(hen)大程度上只是(shi)定性測量,其測(ce)量的方式和(he)測量的結果(guo)缺乏明確(que)的標準,各實驗(yan)室之(zhi)間的質構分(fen)析結(jie)果無法直接(jie)比較。zui明顯(xian)的例子是(shi)文獻上廣泛報(bao)道的(de)所謂(wei)的質構剖(pou)析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA),存在(zai)明顯的缺(que)陷和被(bei)嚴重誤用(yong)的情況。我們試(shi)圖從食品(pin)材料(liao)的形變(bian)原理出(chu)發(fā),揭示(shi)食品質構(gou)性質和感官(guan)的食品材料(liao)學本(ben)質。食品(pin)質構三維模型(xing)的zui大優(yōu)點是可(ke)以將各類食品(pin)材料進(jin)行可比較的量(liang)化分析,從而(er)建立(li)食品體系的質(zhi)構三(san)維譜(pu)圖分布,區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微妙的(de)質構差異,為(wei)建立食品(pin)質構數(shù)(shu)字化體系提(ti)供了可靠的理(li)論依(yi)據(jù)。
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原文由英(ying)國諾丁(ding)漢大學Andrew Rosenthal博士(第一作者(zhe))與浙江(jiang)工商大(da)學陳建設教授(shou)(通訊作者)合作(zuo)完成(cheng),發(fā)表在Journal of Texture Studies,54卷,第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整理(li)寫作(zuo),有些地方對(dui)原文稍有修改(gai)。
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致謝:本文寫作(zuo)過程中,馬(ma)添先(xian)生提(ti)出許多建設(she)性的建(jian)議。