食品質(zhì)構(gòu)(gou)或質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直(zhi)接關(guān)(guan)系到食(shi)品的口感，也(ye)顯著(zhu)影響食物在(zai)口腔中的風(fēng)味(wei)釋放與(yu)體驗。過去數(shù)十(shi)年中，食(shi)品工業(yè)和食品(pin)科學(xué)界一直(zhi)致力建立(li)可行的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客(ke)觀方法，雖然(ran)取得了許(xu)多進(jìn)展，但是(shi)無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析測(ce)量技術(shù)方面(mian)，都還存在許多(duo)問題，無(wu)法準(zhǔn)確解(jie)釋消(xiao)費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背(bei)后的(de)復(fù)雜物理(li)學(xué)原理，也不(bu)能很好滿(man)足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難點(diǎn)(dian)在于其多維度(du)和多尺度(du)共存的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實質(zhì)上(shang)是與(yu)食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)(guan)的且能(neng)被消費(fèi)者感知(zhi)的一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復(fù)雜(za)且微(wei)妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其相對應(yīng)的(de)材料學(xué)(xue)性質(zhì)具有多(duo)重與動態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待(dai)用單一(yi)的方法來描述(shu)或測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性和(he)質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維(wei)性原理，浙江(jiang)工商大學(xué)食(shi)品口腔加工(gong)實驗室陳(chen)建設(shè)(she)教授與英國(guo)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(yuan)理出(chu)發(fā)，提(ti)出了食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，并(bing)以此準(zhǔn)確(que)量化不同(tong)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)。這個新模(mo)型的提(ti)出，使得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可(ke)能，也為數(shù)字(zi)化時(shi)代將傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)的感(gan)官詞(ci)語描(miao)述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)數(shù)字(zi)化描述提(ti)供了理(li)論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分類(lei)有很多種(zhong)方法，最常見的(de)是依(yi)據(jù)食(shi)品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分(fen)為三大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品(pin)，流體(ti)食品(pin)。固體(ti)食品泛(fan)指那(na)些可以抗(kang)拒重力并具有(you)特定形(xing)態(tài)且不(bu)易形變(bian)的食品(pin)，可分(fen)為干固體(ti)食品（如餅(bing)干、堅果、硬果糖(tang)等）和濕固體食(shi)品（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈服(fu)閾值時，固體食(shi)品會直接斷裂(lie)或脆裂。流(liu)體食品是指那(na)些無法抗(kang)拒重力并(bing)不具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流動的食(shi)品，這類食品以(yi)其裝載的容(rong)器的形(xing)態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引起(qi)顯著的形變。軟(ruan)固體(ti)則介于(yu)兩者之間，可抗(kang)拒重力(li)并保持(chi)一定的(de)形態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形(xing)變，并最終(zhong)破裂。

固體食品的(de)三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食(shi)品形變時應(yīng)(ying)力與應(yīng)(ying)變之間的典型(xing)關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食(shi)品形變(bian)特征的口腔(qiang)感受(shou)，與食品的材(cai)料性質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對于不(bu)同的(de)食品(pin)材料，形變的(de)內(nèi)在決定(ding)因素有著(zhe)很大的區(qū)別(bie)。對于固體食(shi)品，其形變程度(du)與形變所需的(de)能量是兩個(ge)最重要的物(wu)理變量(liang)，也直接為消(xiao)費(fèi)者所感(gan)知。很幸運(yùn)的(de)是，這兩個(ge)物理變(bian)量都有準(zhǔn)確(que)的物理(li)定義并可以(yi)被客觀的(de)量化測量(liang)。圖1所示既是固(gu)體食品的應(yīng)(ying)力與形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力與(yu)形變距離(li)的乘(cheng)積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的(de)面積。一般(ban)可以(yi)根據(jù)食(shi)品形變(bian)所需(xu)的應(yīng)(ying)力大小將(jiang)食品材料(liao)大致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的(de)能量(liang)大小則可將(jiang)食品材料分(fen)為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)(xian)為四種典型的(de)食品材(cai)料：(a)硬且弱(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)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)除了其(qi)形變程度(du)與形(xing)變能量(liang)外，還有一項(xiang)非常重要(yao)的體驗是其破(po)碎程度(du)。基于這樣(yang)的思考，我們將(jiang)固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個維(wei)度來量(liang)化描述(shu)：強(qiáng)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別(bie)用六個(ge)熟悉的感官(guan)用語(yu)予以錨定：強(qiáng)度(du)維度分別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為(wei)硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維度(du)分別為(wei)易碎性(xing)(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個維(wei)度的量(liang)化數(shù)值(zhi)把固(gu)體食品(pin)分為八個類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表1。

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

表1. 一些典(dian)型固體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的三維(wei)分布

表1中三個維度變(bian)量中，強(qiáng)(qiang)度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形(xing)變時的應(yīng)力(li)來表示(shi)，具有應(yīng)力(li)單位（Pa）,而破碎度可(ke)用破(po)碎前后的(de)顆粒大(da)小分布(bu)或破(po)碎前后的總(zong)表面(mian)積相(xiang)比來(lai)量化，不具(ju)量綱。

流體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固體食(shi)品不同，流體食(shi)品形變時除(chu)了其形變程度(du)和形變所需能(neng)量外，其形(xing)變所需的時間(jian)也是極其重要(yao)的參考參數(shù)。單(dan)位時(shi)間的(de)形變程度體(ti)現(xiàn)流(liu)體食品在(zai)外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的速度(du)或速率(lv)，直接(jie)影響材料形(xing)變過程中(zhong)材料(liao)內(nèi)部(bu)的能量狀(zhuang)況，是儲(chu)存于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通過(guo)其他形式（如熱(re)能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動時(shi)的剪切(qie)應(yīng)力與剪切(qie)速率(lv)之間的幾(ji)種典型關(guān)系

圖3給出了流體(ti)材料的(de)形變關(guān)(guan)系，對(dui)比圖1的固(gu)體材(cai)料形變，其(qi)橫坐標(biāo)的形變(bian)程度(du)已為形(xing)變速率（定(ding)義為單位(wei)時間的形(xing)變量(liang)）所替代(dai)。不同(tong)的流體材料表(biao)現(xiàn)為非常(chang)不同的應(yīng)(ying)力與(yu)形變速(su)率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪(jian)切切(qie)稀流體，剪(jian)切切(qie)稠流體(ti)，觸變性(xing)流體等。

雖然上述的(de)流變(bian)行為能準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)流體食(shi)品形變的基(ji)本行(xing)為或所需外(wai)應(yīng)力（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻不能(neng)顯示外(wai)應(yīng)力(li)形變后的(de)能量儲存與(yu)耗散的情況(kuang)。這一點(diǎn)對(dui)于流體(ti)食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流體(ti)食品在外(wai)應(yīng)力消失后，是(shi)否能夠彈性恢(hui)復(fù)原來的(de)形狀。這個性質(zhì)(zhi)在流(liu)變學(xué)中稱(cheng)為黏彈性，并可(ke)以用大形變(bian)振幅方法(fa)來準(zhǔn)確測量。wanquan彈(dan)性或(huo)wanquan黏性是它(ta)的兩個ji端情況(kuang)：前者意味(wei)著流體會像(xiang)彈簧一樣儲(chu)存形(xing)變時的(de)所有外加(jia)能量，當(dāng)(dang)外力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零(ling)度相角(jiao))，后者則指流(liu)體像水一樣，不(bu)具任何能量(liang)儲存能(neng)力，所(suo)有外加的形變(bian)能量都會(hui)因分子或顆(ke)粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗散(san)（相角90度)。大部分流(liu)體食品即有一(yi)定的彈性也(ye)有一定的(de)黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相(xiang)角為黏彈(dan)性的(de)切分點(diǎn)，小于45度彈(dan)性為(wei)主，大(da)于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性(xing)的表征(zheng)稍顯復(fù)雜(za)，它與(yu)形變(bian)速率或頻(pin)率直接相關(guān)。一(yi)般情(qing)況下，當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率增加(jia)時，流體食品(pin)的彈性傾向加(jia)強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變振幅的(de)頻率降低時，流(liu)體食品的黏性(xing)性質(zhì)會更加突(tu)出。

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

把流體材料(liao)的這些本質(zhì)特(te)征組合可以(yi)形成另一個三(san)維度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見(jian)圖4三個維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切稠性(xing)（或流動(dong)行為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末(mo)端也(ye)可以用(yong)感官詞(ci)語來表(biao)達(dá)（見(jian)表2）。

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

軟固(gu)體的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述的三維模(mo)型可以(yi)準(zhǔn)確描(miao)述大部(bu)分固(gu)體和(he)流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)的空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。但是如(ru)何處理軟固體(ti)或半固體(ti)食品，目(mu)前還沒(mei)有一個好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是非常廣(guang)泛的食品體(ti)系，包(bao)含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變程度起(qi)主導(dǎo)作(zuo)用的軟固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝(ning)膠類(lei)食品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)速率起主導(dǎo)作(zuo)用的(de)軟固體（如酸奶(nai)和其他糊狀(zhuang)類食(shi)品）。如此廣(guang)泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個模型來(lai)形容，作(zuo)為一個大致(zhi)的方(fang)法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品的形變程(cheng)度和形(xing)變速率的(de)作用程(cheng)度，決定采用(yong)近似固(gu)體處理(li)或近似流體處(chu)理。前者可以固(gu)體食品的(de)三維模型處理(li)，而后者基本上(shang)可以參(can)照流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處理(li)。

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三維模(mo)型的局限(xian)性

本文提出的(de)食品(pin)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(lun)，但是模型的應(yīng)(ying)用仍有一定(ding)的局限性。首(shou)先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型只(zhi)能適(shi)用于均相的(de)食品體(ti)系，對于(yu)多相混(hun)雜的食品（例(li)如夾(jia)心餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征則(ze)應(yīng)該分相描(miao)述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦不(bu)能描述一(yi)些與分散體系(xi)相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體(ti)系食品常(chang)常包含分(fen)散顆粒，雖(sui)為均相分布，但(dan)是這些分散顆(ke)粒除了影響整(zheng)體材料性質(zhì)(zhi)外，還會帶來(lai)一些與顆粒相(xiang)關(guān)的特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感特征(zheng)，如顆粒感、粉感(gan)等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型(xing)也不包(bao)括因食物(wu)入口后(hou)與唾液相互作(zuo)用而產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)(gou)變化因而引起(qi)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜感(gan)等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已(yi)經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成(cheng)熟的測量技術(shù)(shu)，但是流變(bian)儀測量的結(jié)(jie)果往往因其過(guo)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直接(jie)對應(yīng)，而(er)不被食品工業(yè)(ye)所接受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只能是相對(dui)的測量，很大程(cheng)度上只是定(ding)性測量，其測量(liang)的方式和(he)測量的結(jié)果(guo)缺乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各(ge)實驗(yan)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析結(jié)(jie)果無法直接比(bi)較。zui明(ming)顯的例(li)子是(shi)文獻(xiàn)上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷和(he)被嚴(yán)重誤用的(de)情況。我們(men)試圖從(cong)食品材料的形(xing)變原(yuan)理出發(fā)，揭示(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官的(de)食品材料(liao)學(xué)本質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)(you)點(diǎn)是可以(yi)將各類食(shi)品材料進(jìn)行(xing)可比(bi)較的(de)量化分析(xi)，從而建(jian)立食品(pin)體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維譜圖分(fen)布，區(qū)分各(ge)食品之(zhi)間的微妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異(yi)，為建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系提(ti)供了可靠的理(li)論依據(jù)。

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原文由英(ying)國諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江(jiang)工商大(da)學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通(tong)訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)原文(wen)重新(xin)整理寫作，有(you)些地方對原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中(zhong)，馬添先(xian)生提出(chu)許多建設(shè)性的(de)建議(yi)。