食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直(zhi)接關(guān)系(xi)到食(shi)品的口感(gan)，也顯(xian)著影(ying)響食物(wu)在口腔中(zhong)的風(fēng)味(wei)釋放與體驗(yàn)(yan)。過(guò)去數(shù)十(shi)年中，食品工業(yè)(ye)和食品科學(xué)界(jie)一直致力(li)建立可行(xing)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(píng)測(cè)的(de)客觀(guan)方法，雖(sui)然取(qu)得了許多進(jìn)(jin)展，但是無(wú)論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分(fen)析測(cè)量技(ji)術(shù)方面，都還存(cun)在許多(duo)問(wèn)題，無(wú)法(fa)準(zhǔn)確解釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)構(gòu)感官背(bei)后的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原(yuan)理，也不能很好(hao)滿足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量(liang)控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難點(diǎn)在(zai)于其多維度(du)和多尺度(du)共存(cun)的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是與食(shi)品材(cai)料物性(xing)相關(guān)的且(qie)能被消費(fèi)(fei)者感知的一(yi)系列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含(han)很多復(fù)雜(za)且微妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬性，其(qi)相對(duì)應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)具(ju)有多重與動(dòng)(dong)態(tài)的特征。因此(ci)很難期(qi)待用(yong)單一的方(fang)法來(lái)描述或(huo)測(cè)量(liang)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和(he)質(zhì)構(gòu)感官。

基于(yu)食品質(zhì)構(gòu)的(de)多維性(xing)原理，浙江(jiang)工商大(da)學(xué)食品口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)室陳(chen)建設(shè)教(jiao)授與英國(guó)諾(nuo)丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作(zuo)，從食品材(cai)料學(xué)(xue)和物性學(xué)原(yuan)理出(chu)發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型(xing)，并以此(ci)準(zhǔn)確量(liang)化不同食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模型(xing)的提出，使(shi)得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜圖成為(wei)可能，也為(wei)數(shù)字(zi)化時(shí)代(dai)將傳統(tǒng)的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的感(gan)官詞(ci)語(yǔ)描述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描述(shu)提供了理論(lun)依據(jù)(ju)。

食品(pin)的材料(liao)分類

食品的分類有(you)很多(duo)種方法，最常(chang)見(jiàn)的是依據(jù)食(shi)品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為(wei)三大(da)類：固(gu)體食(shi)品，軟(ruan)（半）固體(ti)食品，流體食品(pin)。固體食品泛指(zhi)那些可以(yi)抗拒重力并具(ju)有特定形態(tài)且(qie)不易形變的(de)食品(pin)，可分為干(gan)固體食品(pin)（如餅干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖等）和(he)濕固(gu)體食品(pin)（如蘋果、梨(li)等）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出其(qi)屈服閾(yu)值時(shí)，固體食(shi)品會(huì)直接(jie)斷裂或脆(cui)裂。流(liu)體食品是(shi)指那些無(wú)法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我(wo)形態(tài)的可自(zi)由流(liu)動(dòng)的食品(pin)，這類(lei)食品以其裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的(de)應(yīng)力就可引起(qi)顯著的(de)形變(bian)。軟固體則介(jie)于兩者之間(jian)，可抗拒重力(li)并保持(chi)一定的形態(tài)，但(dan)在弱外應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變，并最(zui)終破裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)

圖1. 固體食品形變(bian)時(shí)應(yīng)力(li)與應(yīng)(ying)變之間的(de)典型關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)(zhi)上是(shi)食品(pin)形變特征(zheng)的口腔感受，與(yu)食品(pin)的材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而(er)對(duì)于不(bu)同的食品材(cai)料，形變的(de)內(nèi)在(zai)決定(ding)因素有(you)著很大的區(qū)(qu)別。對(duì)于固(gu)體食品，其形(xing)變程(cheng)度與形(xing)變所需的能(neng)量是兩個(gè)(ge)最重要(yao)的物理(li)變量，也直接(jie)為消費(fèi)者(zhe)所感知(zhi)。很幸(xing)運(yùn)的是，這兩個(gè)(ge)物理變(bian)量都有準(zhǔn)確(que)的物理定義(yi)并可以被(bei)客觀的(de)量化測(cè)量(liang)。圖1所示既是固體(ti)食品的(de)應(yīng)力(li)與形變(bian)之間的關(guān)(guan)系，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所作的(de)功）則(ze)為應(yīng)力與形變(bian)距離的乘積(ji)，表現(xiàn)為(wei)應(yīng)力線下方(fang)的面積。一般(ban)可以根(gen)據(jù)食品(pin)形變所需(xu)的應(yīng)(ying)力大小將(jiang)食品(pin)材料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的(de)能量大小則(ze)可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四(si)條直(zhi)線表現(xiàn)(xian)為四(si)種典型(xing)的食品材料(liao)：(a)硬且弱(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，固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)除了其形(xing)變程度與形變(bian)能量外(wai)，還有(you)一項(xiàng)非常(chang)重要的體驗(yàn)(yan)是其(qi)破碎程度(du)。基于這樣的(de)思考，我們(men)將固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維(wei)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)(ge)終端分別用(yong)六個(gè)熟悉的感(gan)官用語(yǔ)予以(yi)錨定：強(qiáng)度(du)維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎性(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個(gè)(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把(ba)固體食品分(fen)為八個(gè)類(lei)別，其(qi)質(zhì)構(gòu)特征描(miao)述見(jiàn)表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維模(mo)型

表1. 一些(xie)典型固體食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征的三維分布(bu)

表1中三(san)個(gè)維度(du)變量中，強(qiáng)度具(ju)有能量單位（Pa.m或者(zhe)J），硬度可(ke)用最(zui)大形變時(shí)(shi)的應(yīng)力(li)來(lái)表示(shi)，具有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可(ke)用破(po)碎前后的(de)顆粒大小(xiao)分布或(huo)破碎前(qian)后的總表(biao)面積相比來(lái)(lai)量化，不具量綱(gang)。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食品不(bu)同，流體(ti)食品形變時(shí)除(chu)了其形變(bian)程度和形變(bian)所需能量外，其(qi)形變(bian)所需的(de)時(shí)間也是極其(qi)重要的(de)參考(kao)參數(shù)。單位(wei)時(shí)間的形變(bian)程度(du)體現(xiàn)流體(ti)食品在外應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)(chan)生形變的(de)速度(du)或速率，直(zhi)接影響材料形(xing)變過(guò)程(cheng)中材料內(nèi)部的(de)能量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存于材(cai)料內(nèi)部(bu)還是通過(guò)其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散(san)。

圖3. 流體食品(pin)剪切流(liu)動(dòng)時(shí)(shi)的剪切應(yīng)力(li)與剪切速(su)率之間的幾(ji)種典型關(guān)系

圖3給出了(le)流體材(cai)料的形變關(guān)系(xi)，對(duì)比圖1的固體(ti)材料形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形變(bian)程度已(yi)為形變速率（定(ding)義為(wei)單位時(shí)間(jian)的形變量）所(suo)替代(dai)。不同的流體材(cai)料表現(xiàn)(xian)為非常不同(tong)的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)系，如牛(niu)頓流體，剪切切(qie)稀流體(ti)，剪切切稠流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然上述的(de)流變行(xing)為能準(zhǔn)(zhun)確描述流(liu)體食品(pin)形變的(de)基本行為或所(suo)需外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示外應(yīng)力形(xing)變后的能量?jī)?chǔ)(chu)存與(yu)耗散的(de)情況。這一點(diǎn)對(duì)(dui)于流體食品非(fei)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(gou)彈性恢(hui)復(fù)原來(lái)的(de)形狀。這(zhe)個(gè)性(xing)質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為(wei)黏彈性(xing)，并可以用大形(xing)變振幅方(fang)法來(lái)(lai)準(zhǔn)確(que)測(cè)量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它(ta)的兩個(gè)ji端情況(kuang)：前者(zhe)意味著(zhe)流體(ti)會(huì)像彈簧(huang)一樣儲(chǔ)存(cun)形變時(shí)的所有(you)外加能(neng)量，當(dāng)(dang)外力取(qu)消后，流體能wanquan恢復(fù)到(dao)原來(lái)狀態(tài)（零度(du)相角)，后者則指流(liu)體像水一樣，不(bu)具任何(he)能量?jī)?chǔ)存能(neng)力，所有外加的(de)形變(bian)能量(liang)都會(huì)因分(fen)子或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗散(san)（相角90度)。大部(bu)分流體食品即(ji)有一定(ding)的彈(dan)性也有一定的(de)黏性(xing)，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相(xiang)角為(wei)黏彈性(xing)的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性為(wei)主，大于(yu)45度則(ze)黏性為(wei)主。

當(dāng)然，流體食(shi)品黏(nian)彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它與(yu)形變(bian)速率或頻(pin)率直(zhi)接相關(guān)。一(yi)般情況下，當(dāng)形(xing)變振幅的頻率(lv)增加(jia)時(shí)，流(liu)體食(shi)品的(de)彈性傾向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率降(jiang)低時(shí)，流體(ti)食品的(de)黏性性質(zhì)會(huì)(hui)更加(jia)突出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

把流體材料(liao)的這些本質(zhì)特(te)征組合可(ke)以形成另一(yi)個(gè)三(san)維度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見(jiàn)(jian)圖4三個(gè)維度分(fen)別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流(liu)動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六個(gè)末端(duan)也可以用感官(guan)詞語(yǔ)來(lái)表達(dá)（見(jiàn)(jian)表2）。

表2. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維(wei)模型(xing)說(shuō)明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描(miao)述大(da)部分固體和(he)流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)(qu)別不同(tong)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體或半固體(ti)食品，目前還沒(méi)(mei)有一個(gè)(ge)好的(de)辦法。軟固體食(shi)品是非常(chang)廣泛(fan)的食(shi)品體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)程度起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟固體(ti)（如面包、饅頭(tou)、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品），和質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由(you)形變速(su)率起主導(dǎo)(dao)作用(yong)的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如(ru)此廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以用(yong)一個(gè)模型(xing)來(lái)形(xing)容，作為一個(gè)(ge)大致的方(fang)法，可以根據(jù)(ju)軟固(gu)體食品的(de)形變(bian)程度和形(xing)變速(su)率的(de)作用程(cheng)度，決(jue)定采用近似(shi)固體處理或(huo)近似流體(ti)處理。前者(zhe)可以固(gu)體食品(pin)的三維模(mo)型處理，而(er)后者(zhe)基本上可(ke)以參(can)照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來(lái)(lai)處理。

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三維(wei)模型的局限性(xing)

本文提(ti)出的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，突破(po)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模型的應(yīng)(ying)用仍有(you)一定的局限(xian)性。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型只(zhi)能適用(yong)于均(jun)相的食品體系(xi)，對(duì)于(yu)多相混(hun)雜的食(shi)品（例(li)如夾心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)(ying)該分(fen)相描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)亦不(bu)能描述一些(xie)與分散(san)體系(xi)相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系(xi)食品常(chang)常包含分散(san)顆粒，雖(sui)為均相分布(bu)，但是(shi)這些(xie)分散顆(ke)粒除了影響(xiang)整體(ti)材料性質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶(dai)來(lái)一些與(yu)顆粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆(ke)粒感、粉感等。另(ling)外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也不包(bao)括因食(shi)物入(ru)口后與唾液相(xiang)互作(zuo)用而產(chǎn)生成分(fen)或微結(jié)(jie)構(gòu)變(bian)化因(yin)而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已(yi)經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等(deng)一些成(cheng)熟的(de)測(cè)量技術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀測(cè)量的結(jié)(jie)果往往因其(qi)過(guò)于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食(shi)品工業(yè)(ye)所接受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)量只能是(shi)相對(duì)(dui)的測(cè)量，很大程(cheng)度上只是(shi)定性測(cè)(ce)量，其測(cè)量的(de)方式和測(cè)量的(de)結(jié)果缺(que)乏明確(que)的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)(yan)室之間的質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果無(wú)法(fa)直接(jie)比較。zui明(ming)顯的(de)例子(zi)是文獻(xiàn)上廣泛(fan)報(bào)道(dao)的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)(yan)重誤用的情(qing)況。我們?cè)噲D從(cong)食品材料的(de)形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)感官(guan)的食品(pin)材料(liao)學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型的(de)zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以將(jiang)各類食品材料(liao)進(jìn)行可(ke)比較的量化(hua)分析，從(cong)而建立(li)食品(pin)體系的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜(pu)圖分布(bu)，區(qū)分各食(shi)品之間(jian)的微(wei)妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)體系(xi)提供了可靠(kao)的理論(lun)依據(jù)(ju)。

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原文由英國(guó)(guo)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者）與浙(zhe)江工(gong)商大(da)學(xué)陳建設(shè)教(jiao)授（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有些(xie)地方對(duì)原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝：本文(wen)寫作過(guò)程中，馬(ma)添先(xian)生提出許多(duo)建設(shè)性的建(jian)議。