食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)不僅直(zhi)接關(guān)系到食品(pin)的口感(gan)，也顯(xian)著影(ying)響食物在口腔(qiang)中的風(fēng)味釋(shi)放與(yu)體驗(yàn)。過(guo)去數(shù)十年中(zhong)，食品工(gong)業(yè)和(he)食品科學(xué)界(jie)一直(zhi)致力(li)建立可行(xing)的食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測(cè)的(de)客觀方法，雖(sui)然取得(de)了許(xu)多進(jìn)(jin)展，但是無論(lun)在食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析測(cè)(ce)量技術(shù)方(fang)面，都還存(cun)在許多問題，無(wu)法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)(fu)雜物理(li)學(xué)原(yuan)理，也不能很好(hao)滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)(dian)在于其多維度(du)和多尺度共存(cun)的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)質(zhì)上是與(yu)食品(pin)材料物性相關(guān)(guan)的且能(neng)被消費(fèi)者(zhe)感知的一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)(fu)雜且微妙變(bian)化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬(shu)性，其相(xiang)對(duì)應(yīng)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)具(ju)有多重與(yu)動(dòng)態(tài)的特征(zheng)。因此很難期(qi)待用單一(yi)的方法來描述(shu)或測(cè)量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)多維性原理(li)，浙江工商(shang)大學(xué)食品(pin)口腔(qiang)加工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳(chen)建設(shè)(she)教授與英國(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食品(pin)材料學(xué)和(he)物性(xing)學(xué)原理出發(fā)(fa)，提出了食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并以(yi)此準(zhǔn)確量化(hua)不同食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。這個(gè)(ge)新模型的提(ti)出，使得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為可能(neng)，也為數(shù)字化時(shí)(shi)代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描(miao)述提(ti)供了理論依(yi)據(jù)。

食品的材料(liao)分類(lei)

食品的分類(lei)有很多種方(fang)法，最常見的(de)是依據(jù)(ju)食品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為三(san)大類：固體食品(pin)，軟（半）固體食品(pin)，流體食品。固(gu)體食(shi)品泛指那(na)些可以(yi)抗拒重力并具(ju)有特定(ding)形態(tài)且不易(yi)形變的食品(pin)，可分(fen)為干固體食品(pin)（如餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖等）和濕(shi)固體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力(li)超出(chu)其屈服閾值(zhi)時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直(zhi)接斷裂或脆裂(lie)。流體食品是指(zhi)那些無法(fa)抗拒重力并不(bu)具自我形態(tài)的(de)可自由流(liu)動(dòng)的食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的容器的(de)形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微(wei)小的應(yīng)力就(jiu)可引起顯著(zhu)的形變(bian)。軟固(gu)體則(ze)介于兩者之(zhi)間，可抗拒重力(li)并保(bao)持一定的形(xing)態(tài)，但在弱外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變，并最(zui)終破裂(lie)。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)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)本質(zhì)(zhi)上是(shi)食品形變特(te)征的口(kou)腔感受，與食品(pin)的材料性(xing)質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而(er)對(duì)于(yu)不同的食品材(cai)料，形變的(de)內(nèi)在決定(ding)因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對(duì)于固(gu)體食品，其形變(bian)程度與形變所(suo)需的能(neng)量是兩(liang)個(gè)最重要的物(wu)理變(bian)量，也直接為(wei)消費(fèi)者所感(gan)知。很(hen)幸運(yùn)的是，這兩(liang)個(gè)物理變(bian)量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理定(ding)義并可以(yi)被客觀(guan)的量化測(cè)量(liang)。圖1所示(shi)既是(shi)固體食(shi)品的應(yīng)力與(yu)形變之(zhi)間的關(guān)系，而(er)形變(bian)所需的能量(liang)（或所作的功(gong)）則為(wei)應(yīng)力與形(xing)變距離的(de)乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的(de)面積(ji)。一般可以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的應(yīng)力(li)大小將食品材(cai)料大致(zhi)分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需(xu)的能量大小(xiao)則可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四(si)條直線(xian)表現(xiàn)(xian)為四種典(dian)型的食品材(cai)料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其(qi)形變程度與形(xing)變能量外，還有(you)一項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是(shi)其破碎程度?；?ji)于這樣的思(si)考，我們(men)將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)(ge)維度來量(liang)化描述(shu)：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六個(gè)(ge)終端分別用(yong)六個(gè)熟(shu)悉的感(gan)官用語(yu)予以錨定：強(qiáng)(qiang)度維度分別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維(wei)度分別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三個(gè)維(wei)度的量化數(shù)(shu)值把固體(ti)食品分(fen)為八個(gè)類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表1。

圖2. 固體食(shi)品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型

表1. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)構(gòu)特(te)征的三維分(fen)布

表1中三個(gè)(ge)維度變(bian)量中，強(qiáng)度具有(you)能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用最大(da)形變時(shí)的應(yīng)力(li)來表示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或(huo)破碎(sui)前后的總表(biao)面積相(xiang)比來量化(hua)，不具量綱。

流體(ti)食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固體食(shi)品不同，流體食(shi)品形(xing)變時(shí)除了其形(xing)變程度和形(xing)變所(suo)需能量外，其形(xing)變所需(xu)的時(shí)間也(ye)是極其重要的(de)參考參(can)數(shù)。單位時(shí)(shi)間的(de)形變程度體(ti)現(xiàn)流體食品在(zai)外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形變的(de)速度(du)或速率，直接影(ying)響材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部的能(neng)量狀況(kuang)，是儲(chǔ)存于材(cai)料內(nèi)部還是(shi)通過其他形式(shi)（如熱能）耗散(san)。

圖3. 流體食(shi)品剪切流動(dòng)(dong)時(shí)的剪切(qie)應(yīng)力與(yu)剪切速率(lv)之間(jian)的幾種(zhong)典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流體(ti)材料的形變關(guān)(guan)系，對(duì)比圖(tu)1的固(gu)體材料形(xing)變，其橫坐標(biāo)(biao)的形(xing)變程度已為形(xing)變速(su)率（定義為(wei)單位(wei)時(shí)間的形變(bian)量）所替(ti)代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)為非(fei)常不同的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體(ti)，剪切切稀(xi)流體(ti)，剪切切(qie)稠流(liu)體，觸變性流體(ti)等。

雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準(zhǔn)確描(miao)述流體食品(pin)形變的基本行(xing)為或(huo)所需外應(yīng)(ying)力（能量）的(de)關(guān)系，但是卻不(bu)能顯示(shi)外應(yīng)力形變后(hou)的能量?jī)?chǔ)存與(yu)耗散(san)的情(qing)況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)于流體(ti)食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流體食品(pin)在外應(yīng)(ying)力消失后(hou)，是否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的形(xing)狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱(cheng)為黏(nian)彈性，并(bing)可以用大形(xing)變振幅方(fang)法來準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它(ta)的兩個(gè)ji端(duan)情況：前者(zhe)意味著流(liu)體會(huì)像彈簧一(yi)樣儲(chǔ)存形變時(shí)(shi)的所(suo)有外加能(neng)量，當(dāng)外力(li)取消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)(fu)到原來狀態(tài)（零(ling)度相角(jiao))，后者則(ze)指流體像水(shui)一樣，不具任(ren)何能量?jī)?chǔ)存能(neng)力，所有外(wai)加的形變(bian)能量都會(huì)(hui)因分子或(huo)顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗(hao)散（相角90度)。大部(bu)分流體食品(pin)即有一定的彈(dan)性也有一定(ding)的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以45度相角為黏彈(dan)性的切分點(diǎn)，小(xiao)于45度彈性為主(zhu)，大于45度則(ze)黏性(xing)為主。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜(za)，它與形變速率(lv)或頻率直接相(xiang)關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)形(xing)變振幅的(de)頻率增加(jia)時(shí)，流體食品的(de)彈性傾向加強(qiáng)(qiang)；而當(dāng)形變振幅(fu)的頻(pin)率降低時(shí)，流體(ti)食品的黏(nian)性性質(zhì)會(huì)(hui)更加突出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

把流體材料的(de)這些本質(zhì)特(te)征組(zu)合可以形成(cheng)另一個(gè)(ge)三維度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見圖4三個(gè)維(wei)度分別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度(du)的六個(gè)末端也(ye)可以用(yong)感官詞語(yu)來表(biao)達(dá)（見表2）。

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

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述的三(san)維模型可(ke)以準(zhǔn)確(que)描述大(da)部分固體和流(liu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布(bu)圖，以準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不同食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何處理(li)軟固體或半固(gu)體食(shi)品，目前還(hai)沒有一(yi)個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是(shi)非常廣泛的(de)食品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形(xing)變程度(du)起主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如面包(bao)、饅頭、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率(lv)起主導(dǎo)作用的(de)軟固體（如(ru)酸奶和其他糊(hu)狀類食(shi)品）。如此廣泛(fan)差異的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用(yong)一個(gè)模(mo)型來形容(rong)，作為一個(gè)(ge)大致的方(fang)法，可以根(gen)據(jù)軟固(gu)體食(shi)品的形變(bian)程度和形(xing)變速(su)率的作(zuo)用程度，決定采(cai)用近似固體處(chu)理或(huo)近似流體處(chu)理。前者可以固(gu)體食品的三維(wei)模型處理，而(er)后者基(ji)本上可以參(can)照流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理。

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三維模型的局(ju)限性

本文提出的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)(tong)理論，但是模型(xing)的應(yīng)用仍有一(yi)定的局(ju)限性。首(shou)先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能適(shi)用于均相的(de)食品體系，對(duì)于(yu)多相(xiang)混雜的(de)食品（例如夾心(xin)餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相描(miao)述。第(di)二，三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型亦(yi)不能描(miao)述一些與分(fen)散體系(xi)相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常常(chang)包含分散(san)顆粒，雖為(wei)均相分(fen)布，但是這(zhe)些分(fen)散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性質(zhì)外(wai)，還會(huì)帶來(lai)一些與顆粒(li)相關(guān)(guan)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆(ke)粒感(gan)、粉感(gan)等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也不包(bao)括因食(shi)物入口(kou)后與唾液相(xiang)互作用而(er)產(chǎn)生成分(fen)或微結(jié)構(gòu)(gou)變化因(yin)而引起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀感(gan)、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然(ran)已經(jīng)有(you)如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一(yi)些成(cheng)熟的(de)測(cè)量技術(shù)，但是(shi)流變儀測(cè)量的(de)結(jié)果往往(wang)因其過于基礎(chǔ)(chu)性，缺乏(fa)與質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的(de)直接對(duì)應(yīng)，而不(bu)被食品工業(yè)所(suo)接受(shou)。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(cè)(ce)量只能是相(xiang)對(duì)的(de)測(cè)量，很大(da)程度(du)上只是定性測(cè)(ce)量，其測(cè)量(liang)的方式和測(cè)(ce)量的結(jié)果缺(que)乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析結(jié)果無(wu)法直接(jie)比較。zui明顯的例(li)子是(shi)文獻(xiàn)上廣泛報(bào)(bao)道的(de)所謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖(pou)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(shi)品材料(liao)的形(xing)變?cè)沓霭l(fā)(fa)，揭示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和感官的(de)食品(pin)材料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)是可以(yi)將各類食品材(cai)料進(jìn)(jin)行可比較的量(liang)化分析，從(cong)而建立食(shi)品體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維譜(pu)圖分布，區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系提(ti)供了(le)可靠的理論(lun)依據(jù)。

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原文由(you)英國(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與(yu)浙江工商(shang)大學(xué)(xue)陳建設(shè)教授（通(tong)訊作者）合作完(wan)成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原文(wen)重新整理寫作(zuo)，有些地方(fang)對(duì)原文稍(shao)有修(xiu)改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程(cheng)中，馬(ma)添先生提(ti)出許多建(jian)設(shè)性的建(jian)議。