食品質(zhì)構(gòu)(gou)或質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接關(guān)(guan)系到(dao)食品的口感(gan)，也顯著影響(xiang)食物在口腔中(zhong)的風(fēng)(feng)味釋(shi)放與體(ti)驗(yàn)。過去數(shù)十(shi)年中，食品(pin)工業(yè)(ye)和食(shi)品科(ke)學(xué)界一直致(zhi)力建立可行(xing)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評(píng)測(cè)的客觀方(fang)法，雖然(ran)取得了許多(duo)進(jìn)展，但是無(wu)論在食品(pin)質(zhì)構(gòu)理論還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測(cè)量(liang)技術(shù)方面，都(dou)還存在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)(zhun)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(neng)很好滿足(zu)食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的難點(diǎn)(dian)在于其多維度(du)和多尺(chi)度共存(cun)的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)質(zhì)上(shang)是與食品材料(liao)物性相(xiang)關(guān)的且能被(bei)消費(fèi)(fei)者感知的(de)一系(xi)列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且(qie)微妙變(bian)化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其相(xiang)對(duì)應(yīng)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)具有(you)多重與(yu)動(dòng)態(tài)的(de)特征(zheng)。因此很難(nan)期待用單(dan)一的方法來描(miao)述或測(cè)量食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)多維性原(yuan)理，浙江工商大(da)學(xué)食品口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)(yan)室陳建設(shè)(she)教授與英國諾(nuo)丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從食(shi)品材(cai)料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，并(bing)以此(ci)準(zhǔn)確量化不同(tong)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這個(gè)新(xin)模型的提出，使(shi)得建(jian)立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖成為可(ke)能，也為數(shù)字化(hua)時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的感(gan)官詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化(hua)描述提供了(le)理論(lun)依據(jù)(ju)。

食品的材料(liao)分類

食品的(de)分類(lei)有很多種方法(fa)，最常(chang)見的是依據(jù)(ju)食品的形態(tài)(tai)，將其分為(wei)三大類：固(gu)體食品，軟（半(ban)）固體食品(pin)，流體食品(pin)。固體食品泛(fan)指那些可以抗(kang)拒重力并具(ju)有特定形(xing)態(tài)且不(bu)易形變的食(shi)品，可(ke)分為(wei)干固體(ti)食品(pin)（如餅干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖等）和(he)濕固體(ti)食品(pin)（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力超(chao)出其屈(qu)服閾(yu)值時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直接(jie)斷裂或脆裂(lie)。流體食(shi)品是指那些無(wu)法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形(xing)態(tài)的(de)可自由(you)流動(dòng)的食(shi)品，這類食(shi)品以(yi)其裝載的容器(qi)的形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微(wei)小的應(yīng)力(li)就可引(yin)起顯著的(de)形變。軟固體則(ze)介于(yu)兩者之間(jian)，可抗(kang)拒重力并保(bao)持一定的形態(tài)(tai)，但在弱外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變，并(bing)最終(zhong)破裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

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

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食品(pin)形變特征的(de)口腔感受，與(yu)食品的材料性(xing)質(zhì)直接相關(guān)(guan)。而對(duì)于不(bu)同的(de)食品材料(liao)，形變的(de)內(nèi)在決定(ding)因素(su)有著很(hen)大的區(qū)(qu)別。對(duì)于固體食(shi)品，其形(xing)變程度與(yu)形變所需的能(neng)量是兩個(gè)最(zui)重要的物理(li)變量，也直(zhi)接為消費(fèi)(fei)者所感知。很(hen)幸運(yùn)的是，這兩(liang)個(gè)物理變量(liang)都有準(zhǔn)確(que)的物(wu)理定(ding)義并可以被(bei)客觀的量(liang)化測(cè)量(liang)。圖1所示既(ji)是固(gu)體食品(pin)的應(yīng)力(li)與形變之(zhi)間的(de)關(guān)系(xi)，而形變所需的(de)能量（或所作(zuo)的功(gong)）則為應(yīng)(ying)力與形變距離(li)的乘積，表現(xiàn)為(wei)應(yīng)力線下方的(de)面積。一般(ban)可以根據(jù)食品(pin)形變所需(xu)的應(yīng)力大(da)小將食(shi)品材料(liao)大致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變所需的(de)能量大小(xiao)則可將食(shi)品材料分(fen)為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四種(zhong)典型的食品材(cai)料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(qiang)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變程(cheng)度與形變能量(liang)外，還有一項(xiàng)(xiang)非常(chang)重要的體(ti)驗(yàn)是(shi)其破碎程度(du)?；谶@樣的思(si)考，我們將固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)維度(du)來量(liang)化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度(du)的六個(gè)終(zhong)端分(fen)別用六個(gè)(ge)熟悉的(de)感官用(yong)語予以錨定(ding)：強(qiáng)度維度(du)分別為強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維(wei)度分(fen)別為易碎性(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個(gè)維度(du)的量化數(shù)值把(ba)固體食品分(fen)為八個(gè)類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描(miao)述見表1。

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

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分布

表1中三(san)個(gè)維度(du)變量中(zhong)，強(qiáng)度具(ju)有能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形變(bian)時(shí)的應(yīng)(ying)力來表(biao)示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破(po)碎度可用破(po)碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總(zong)表面積相(xiang)比來(lai)量化，不具量綱(gang)。

流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體(ti)食品不(bu)同，流體(ti)食品形變(bian)時(shí)除了(le)其形變程(cheng)度和形(xing)變所需(xu)能量外(wai)，其形(xing)變所需(xu)的時(shí)(shi)間也是(shi)極其重要的參(can)考參(can)數(shù)。單位時(shí)(shi)間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品(pin)在外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)的速(su)度或速率，直(zhi)接影響(xiang)材料形(xing)變過程中(zhong)材料內(nèi)部的能(neng)量狀況，是儲(chǔ)(chu)存于材料(liao)內(nèi)部還(hai)是通過其他(ta)形式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)(dong)時(shí)的剪(jian)切應(yīng)力與(yu)剪切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體(ti)材料的(de)形變關(guān)系(xi)，對(duì)比圖(tu)1的固體材(cai)料形變，其橫坐(zuo)標(biāo)的形變(bian)程度已為形(xing)變速率（定義(yi)為單位時(shí)間(jian)的形變量）所(suo)替代(dai)。不同的流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不同的(de)應(yīng)力與形變速(su)率的(de)關(guān)系，如(ru)牛頓(dun)流體，剪切切(qie)稀流體，剪切切(qie)稠流體，觸變性(xing)流體等。

雖然(ran)上述的(de)流變行為能準(zhǔn)(zhun)確描述流體食(shi)品形變的基本(ben)行為(wei)或所需外(wai)應(yīng)力（能量）的(de)關(guān)系(xi)，但是卻(que)不能顯(xian)示外(wai)應(yīng)力形(xing)變后的能(neng)量?jī)?chǔ)存與(yu)耗散的(de)情況。這(zhe)一點(diǎn)對(duì)于(yu)流體食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流體食品(pin)在外(wai)應(yīng)力消失(shi)后，是(shi)否能夠彈(dan)性恢(hui)復(fù)原來(lai)的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可(ke)以用大(da)形變振(zhen)幅方法來準(zhǔn)確(que)測(cè)量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的兩(liang)個(gè)ji端情況：前者(zhe)意味(wei)著流體會(huì)像彈(dan)簧一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)(shi)的所有(you)外加能量，當(dāng)外(wai)力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)到原(yuan)來狀(zhuang)態(tài)（零度(du)相角)，后者則指流(liu)體像水(shui)一樣，不具任(ren)何能(neng)量?jī)?chǔ)存能(neng)力，所有(you)外加的形(xing)變能量都會(huì)因(yin)分子或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能并(bing)耗散（相(xiang)角90度)。大部分(fen)流體食品即有(you)一定的彈性也(ye)有一(yi)定的(de)黏性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為(wei)黏彈(dan)性的切分點(diǎn)，小(xiao)于45度彈性(xing)為主，大(da)于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品(pin)黏彈(dan)性的表(biao)征稍顯復(fù)(fu)雜，它與形(xing)變速率(lv)或頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情況下，當(dāng)(dang)形變振幅(fu)的頻率增加(jia)時(shí)，流體(ti)食品的彈性傾(qing)向加強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變振(zhen)幅的頻率降低(di)時(shí)，流體(ti)食品(pin)的黏性性(xing)質(zhì)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模(mo)型

把流體材(cai)料的這些本(ben)質(zhì)特征組合(he)可以形成另一(yi)個(gè)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個(gè)維度分別(bie)為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的(de)六個(gè)末端(duan)也可(ke)以用感官(guan)詞語來表(biao)達(dá)（見表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模(mo)型說明

軟固(gu)體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描(miao)述大(da)部分固體(ti)和流體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布(bu)圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是如何(he)處理軟固(gu)體或半固體食(shi)品，目(mu)前還沒有一(yi)個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是(shi)非常廣泛(fan)的食品體系(xi)，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變程度起主(zhu)導(dǎo)作用的軟固(gu)體（如面包(bao)、饅頭、豆(dou)腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速率(lv)起主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如酸奶和其(qi)他糊(hu)狀類食品(pin)）。如此(ci)廣泛(fan)差異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)難以用(yong)一個(gè)模(mo)型來(lai)形容，作為一個(gè)(ge)大致(zhi)的方法，可以(yi)根據(jù)軟固體食(shi)品的(de)形變程度和形(xing)變速率的(de)作用程度，決定(ding)采用(yong)近似固體處(chu)理或(huo)近似流體處(chu)理。前者可以(yi)固體(ti)食品的三維(wei)模型處(chu)理，而后(hou)者基(ji)本上可以(yi)參照流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理(li)。

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三維模型的局(ju)限性(xing)

本文提出(chu)的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，突破了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模(mo)型的(de)應(yīng)用仍(reng)有一定的局(ju)限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型只(zhi)能適用(yong)于均相的食(shi)品體系，對(duì)于多(duo)相混雜的食(shi)品（例(li)如夾(jia)心餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分(fen)相描述。第(di)二，三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型亦不能(neng)描述一(yi)些與(yu)分散體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體系食(shi)品常(chang)常包含(han)分散顆粒(li)，雖為(wei)均相分布，但是(shi)這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整(zheng)體材(cai)料性質(zhì)外(wai)，還會(huì)帶來一些(xie)與顆粒(li)相關(guān)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆(ke)粒感(gan)、粉感等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)的三(san)維模型(xing)也不包括因食(shi)物入口(kou)后與(yu)唾液(ye)相互(hu)作用而產(chǎn)生(sheng)成分(fen)或微(wei)結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引起(qi)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如澀感(gan)、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析雖然已經(jīng)有(you)如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一(yi)些成熟的測(cè)量(liang)技術(shù)，但是流(liu)變儀測(cè)量的(de)結(jié)果(guo)往往因其(qi)過于(yu)基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)口感(gan)性質(zhì)的(de)直接對(duì)應(yīng)，而(er)不被食品(pin)工業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)量只(zhi)能是相對(duì)(dui)的測(cè)(ce)量，很(hen)大程度上(shang)只是定性測(cè)量(liang)，其測(cè)量的方(fang)式和測(cè)量(liang)的結(jié)果(guo)缺乏明確(que)的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)(yan)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)結(jié)果無(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的例(li)子是(shi)文獻(xiàn)上廣泛報(bào)(bao)道的所謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情(qing)況。我們?cè)?shi)圖從食品(pin)材料的形變(bian)原理出發(fā)(fa)，揭示食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)和感官(guan)的食品材料(liao)學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型(xing)的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)是(shi)可以將各(ge)類食品材(cai)料進(jìn)行可比較(jiao)的量化分(fen)析，從(cong)而建(jian)立食品(pin)體系(xi)的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖分(fen)布，區(qū)分(fen)各食(shi)品之間的微(wei)妙的(de)質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為(wei)建立(li)食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系(xi)提供了可(ke)靠的理論依據(jù)(ju)。

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原文(wen)由英(ying)國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一(yi)作者）與浙(zhe)江工商(shang)大學(xué)(xue)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文重新整理(li)寫作，有些地(di)方對(duì)原文稍有(you)修改(gai)。

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致謝：本文(wen)寫作(zuo)過程中，馬(ma)添先生提出許(xu)多建設(shè)(she)性的建議(yi)。