食品質構或(huo)質構性質不(bu)僅直接關(guan)系到(dao)食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食(shi)物在(zai)口腔中的風味(wei)釋放與體驗(yan)。過去數十(shi)年中，食品工(gong)業(yè)和食(shi)品科學界一(yi)直致力建立(li)可行(xing)的食(shi)品質構性(xing)質評測的(de)客觀方法(fa)，雖然取(qu)得了許(xu)多進展(zhan)，但是無論在食(shi)品質構理(li)論還是食品(pin)質構的分(fen)析測(ce)量技術方面，都(dou)還存在許多(duo)問題，無法(fa)準確解釋消費(fei)者質(zhi)構感官(guan)背后的(de)復雜物理學原(yuan)理，也不能很(hen)好滿足食(shi)品工業(yè)(ye)質量控制的需(xu)求。

食品質構分析(xi)的難點在于(yu)其多(duo)維度(du)和多尺度共(gong)存的本質特(te)點。食品質構(gou)性質實質(zhi)上是與(yu)食品(pin)材料物(wu)性相(xiang)關的且能被消(xiao)費者感知的一(yi)系列(lie)性質(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復雜且微妙(miao)變化的質構屬(shu)性，其相對應的(de)材料學性質具(ju)有多重與動(dong)態(tài)的特征。因(yin)此很難期待用(yong)單一的方法來(lai)描述或測量(liang)食品的(de)質構(gou)特性和(he)質構感官(guan)。

基于(yu)食品質構的(de)多維性原理，浙(zhe)江工商大學食(shi)品口腔加工(gong)實驗(yan)室陳(chen)建設教授(shou)與英(ying)國諾丁漢大(da)學Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食(shi)品材料學和(he)物性學原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出了食品質(zhi)構三維模型，并(bing)以此準確量(liang)化不同食品的(de)質構特(te)征。這個新模(mo)型的提出(chu)，使得建(jian)立食品質構譜(pu)圖成為(wei)可能(neng)，也為數字(zi)化時(shi)代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhi)構的感官詞(ci)語描(miao)述轉變?yōu)閿?shu)字化(hua)描述提供了理(li)論依(yi)據。

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)依據食品的形(xing)態(tài)，將其(qi)分為三大類(lei)：固體(ti)食品，軟(ruan)（半）固(gu)體食品，流體(ti)食品。固(gu)體食品泛指那(na)些可以抗拒(ju)重力并(bing)具有(you)特定形態(tài)(tai)且不易形變的(de)食品，可分為(wei)干固體食品(pin)（如餅干(gan)、堅果、硬果糖等(deng)）和濕固(gu)體食(shi)品（如蘋果(guo)、梨等）。當外應(ying)力超出其屈服(fu)閾值時(shi)，固體(ti)食品會直(zhi)接斷裂或脆(cui)裂。流體(ti)食品是指那些(xie)無法抗拒重力(li)并不具自(zi)我形態(tài)(tai)的可自(zi)由流動(dong)的食品，這類(lei)食品以(yi)其裝載(zai)的容器的形(xing)態(tài)為(wei)形態(tài)，極(ji)微小的應力就(jiu)可引(yin)起顯著的形變(bian)。軟固體則介(jie)于兩者之間(jian)，可抗拒(ju)重力并(bing)保持一(yi)定的形(xing)態(tài)，但在弱(ruo)外應力作(zuo)用下(xia)產生(sheng)形變，并最(zui)終破裂。

固體(ti)食品的三維質(zhi)構模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shi)應力(li)與應變之間(jian)的典型關(guan)系

食品的(de)質構(gou)性質(zhi)本質(zhi)上是食品形(xing)變特(te)征的口(kou)腔感(gan)受，與(yu)食品(pin)的材(cai)料性質(zhi)直接相關。而(er)對于不同的(de)食品材料(liao)，形變(bian)的內(nei)在決定因(yin)素有(you)著很(hen)大的區(qū)(qu)別。對于固體食(shi)品，其形變程度(du)與形變所需的(de)能量是兩(liang)個最重(zhong)要的物理變(bian)量，也直(zhi)接為消費者所(suo)感知。很幸運(yun)的是，這兩個(ge)物理變量都(dou)有準確(que)的物理定義(yi)并可以(yi)被客(ke)觀的量化(hua)測量。圖1所示既是固體(ti)食品的(de)應力與(yu)形變(bian)之間的關系(xi)，而形變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功(gong)）則為應力與形(xing)變距離的乘積(ji)，表現為應(ying)力線下(xia)方的面(mian)積。一般可以根(gen)據食品(pin)形變所需(xu)的應(ying)力大小(xiao)將食品材料(liao)大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可將(jiang)食品材(cai)料分為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四(si)條直線(xian)表現為四種(zhong)典型的食(shi)品材(cai)料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當然，固體食品(pin)的質(zhi)構性質(zhi)除了(le)其形變(bian)程度與形變能(neng)量外(wai)，還有一項非常(chang)重要的體(ti)驗是其破碎程(cheng)度?；?ji)于這(zhe)樣的思考(kao)，我們將固體(ti)食品的質(zhi)構性質(zhi)用三個維度(du)來量化描(miao)述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個終端分(fen)別用六個熟(shu)悉的感官用(yong)語予以(yi)錨定：強度維(wei)度分別為強(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖(tu)2）。據此，可以根據(ju)三個維度的量(liang)化數值把(ba)固體食品分(fen)為八個類別(bie)，其質構特征(zheng)描述見表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質構特(te)性的三維模(mo)型

表1. 一些典(dian)型固(gu)體食品質(zhi)構特征的三(san)維分布

表1中三個(ge)維度變量中，強(qiang)度具(ju)有能(neng)量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最(zui)大形(xing)變時的應力來(lai)表示，具(ju)有應力單(dan)位（Pa）,而破(po)碎度可用破碎(sui)前后的(de)顆粒大(da)小分布或破碎(sui)前后的總表(biao)面積相比來(lai)量化(hua)，不具量綱。

流體食品的質(zhi)構模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體食品形(xing)變時除了(le)其形變程度和(he)形變所需能量(liang)外，其(qi)形變所(suo)需的時間(jian)也是極(ji)其重要的(de)參考參數。單(dan)位時間的形(xing)變程度體現(xian)流體食(shi)品在外應(ying)力作用下產生(sheng)形變的速度或(huo)速率(lv)，直接(jie)影響材料(liao)形變過程(cheng)中材料內部的(de)能量狀況，是儲(chu)存于材料內部(bu)還是通(tong)過其他形式（如(ru)熱能）耗散(san)。

圖3. 流體食品(pin)剪切(qie)流動時(shi)的剪切應力與(yu)剪切速(su)率之間的(de)幾種典型關(guan)系

圖3給出了流體(ti)材料的形變關(guan)系，對比圖(tu)1的固體材料形(xing)變，其(qi)橫坐標的形(xing)變程度已(yi)為形變速率(lv)（定義為單(dan)位時間(jian)的形變量）所替(ti)代。不(bu)同的流體(ti)材料表現為(wei)非常不同的(de)應力與形變(bian)速率的關系(xi)，如牛頓流體，剪(jian)切切(qie)稀流體(ti)，剪切切稠流(liu)體，觸變性(xing)流體等。

雖然(ran)上述的(de)流變行為能準(zhun)確描述流體(ti)食品形(xing)變的基本(ben)行為或所需(xu)外應力（能量(liang)）的關系，但是(shi)卻不能顯(xian)示外應力形變(bian)后的能量儲存(cun)與耗散的(de)情況。這(zhe)一點(dian)對于流體(ti)食品非常重要(yao)，關系(xi)到流(liu)體食品在(zai)外應(ying)力消失后，是(shi)否能夠彈性恢(hui)復原來的(de)形狀。這(zhe)個性質在流變(bian)學中稱為黏彈(dan)性，并可以用大(da)形變振幅方(fang)法來準確測(ce)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是(shi)它的兩個(ge)ji端情(qing)況：前(qian)者意味著流(liu)體會像彈(dan)簧一樣儲存形(xing)變時(shi)的所有外加(jia)能量(liang)，當外力(li)取消后，流體能(neng)wanquan恢復到原來(lai)狀態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指流(liu)體像水一(yi)樣，不具(ju)任何(he)能量儲存能(neng)力，所有(you)外加(jia)的形變(bian)能量都會(hui)因分子或(huo)顆粒(li)摩擦(ca)被轉變?yōu)闊崮?neng)并耗(hao)散（相角90度)。大部分流體(ti)食品即(ji)有一定的彈(dan)性也有一(yi)定的黏性(xing)，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相(xiang)角為黏彈性(xing)的切分點，小(xiao)于45度彈性為(wei)主，大于45度則黏性為主(zhu)。

當然(ran)，流體食(shi)品黏彈(dan)性的表(biao)征稍(shao)顯復雜(za)，它與形(xing)變速率或頻(pin)率直接(jie)相關。一般情況(kuang)下，當形(xing)變振(zhen)幅的頻率增(zeng)加時(shi)，流體食品的彈(dan)性傾向(xiang)加強；而(er)當形(xing)變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時，流(liu)體食品(pin)的黏性性質(zhi)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhi)構特(te)性的三維(wei)模型

把流體材料(liao)的這些本(ben)質特征組(zu)合可(ke)以形成另一(yi)個三維度的(de)質構模型，見(jian)圖4三個維(wei)度分(fen)別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動行為指數(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維度的(de)六個(ge)末端也(ye)可以(yi)用感官詞語來(lai)表達（見表2）。

表2. 流體食品質(zhi)構特(te)性的三維(wei)模型說明(ming)

軟固體的質(zhi)構模(mo)型

上述的三維模(mo)型可(ke)以準確(que)描述(shu)大部分固體(ti)和流體食(shi)品的質構特征(zheng)，形成食品質(zhi)構的空間分布(bu)圖，以準確區(qū)(qu)別不同食(shi)品的質構特征(zheng)。但是如何(he)處理軟固體(ti)或半固體食(shi)品，目前還沒有(you)一個好的辦法(fa)。軟固(gu)體食品(pin)是非常廣泛的(de)食品體系，包(bao)含質(zhi)構性質(zhi)由形變程(cheng)度起主導作用(yong)的軟(ruan)固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍(dong)、凝膠類食(shi)品），和質構性(xing)質由形變速率(lv)起主導作用的(de)軟固體(ti)（如酸奶和其(qi)他糊狀類食品(pin)）。如此廣泛(fan)差異的(de)質構性質(zhi)難以用一個模(mo)型來形容，作(zuo)為一個(ge)大致的方法(fa)，可以根據軟固(gu)體食品(pin)的形(xing)變程度和形(xing)變速(su)率的作(zuo)用程度，決定(ding)采用近似(shi)固體處理(li)或近似流體處(chu)理。前者可以(yi)固體(ti)食品(pin)的三維模(mo)型處理(li)，而后者基(ji)本上可(ke)以參(can)照流體食品的(de)質構模型(xing)來處理。

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三維模型的局(ju)限性

本文提出的(de)食品質構三(san)維模型，突破(po)了食品(pin)質構的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模(mo)型的應用仍有(you)一定(ding)的局限性(xing)。首先，食品(pin)質構三維(wei)模型只能(neng)適用于均相(xiang)的食品體(ti)系，對于多(duo)相混雜的(de)食品（例如夾(jia)心餅(bing)干等(deng)），其質構(gou)特征則(ze)應該(gai)分相(xiang)描述。第(di)二，三維質構模(mo)型亦不能(neng)描述一(yi)些與分散(san)體系(xi)相關的質(zhi)構性質(zhi)。分散(san)體系食(shi)品常常包含(han)分散顆(ke)粒，雖為(wei)均相分布(bu)，但是這(zhe)些分散顆粒除(chu)了影響整體材(cai)料性(xing)質外，還會帶來(lai)一些與(yu)顆粒相(xiang)關的特(te)殊的質構口(kou)感特征，如顆(ke)粒感、粉感等(deng)。另外(wai)，食品質構的三(san)維模型也不包(bao)括因(yin)食物入口后(hou)與唾液(ye)相互作用(yong)而產生成分或(huo)微結構變化(hua)因而引起(qi)的質構特征(zheng)，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品質構數字(zi)化

食品(pin)質構(gou)分析(xi)雖然已經有如(ru)流變儀、質(zhi)構儀等(deng)一些成熟的測(ce)量技(ji)術，但是流變(bian)儀測量的結果(guo)往往因(yin)其過于基礎性(xing)，缺乏與(yu)質構口感(gan)性質的(de)直接對應，而(er)不被食品(pin)工業(yè)所接受(shou)。而食品(pin)質構儀測量(liang)只能(neng)是相對的測(ce)量，很大(da)程度(du)上只是(shi)定性測(ce)量，其測(ce)量的方(fang)式和測量的(de)結果缺(que)乏明確的標(biao)準，各(ge)實驗室之(zhi)間的質構(gou)分析結(jie)果無法直(zhi)接比(bi)較。zui明顯的例(li)子是文獻(xian)上廣泛報道的(de)所謂的質(zhi)構剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺陷和(he)被嚴重誤(wu)用的情況。我(wo)們試(shi)圖從食品(pin)材料的形(xing)變原理出發(fā)(fa)，揭示食品質(zhi)構性質(zhi)和感官的(de)食品(pin)材料學(xue)本質。食(shi)品質(zhi)構三維模(mo)型的(de)zui大優(yōu)(you)點是可以將(jiang)各類(lei)食品材料(liao)進行可比較的(de)量化分析，從而(er)建立食品體(ti)系的質(zhi)構三維譜圖分(fen)布，區(qū)分(fen)各食品之間(jian)的微妙的質(zhi)構差異，為建(jian)立食(shi)品質構數(shu)字化體系提供(gong)了可靠(kao)的理(li)論依據(ju)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢大(da)學Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與浙(zhe)江工(gong)商大學(xue)陳建設教授(shou)（通訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(ju)原文重新整理(li)寫作(zuo)，有些地方對(dui)原文稍有(you)修改。

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致謝：本文(wen)寫作過程中，馬(ma)添先生提出許(xu)多建(jian)設性(xing)的建議。