食品(pin)質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直(zhi)接關(guān)系(xi)到食品的口感(gan)，也顯著(zhu)影響食(shi)物在口腔中的(de)風(fēng)味釋放與體(ti)驗(yàn)。過(guò)去數(shù)十年(nian)中，食品工(gong)業(yè)和食品科學(xué)(xue)界一直(zhi)致力建立(li)可行的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(píng)測(cè)(ce)的客觀(guān)方(fang)法，雖然(ran)取得了許(xu)多進(jìn)(jin)展，但是無(wú)論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析測(cè)量(liang)技術(shù)方(fang)面，都(dou)還存在許(xu)多問(wèn)題，無(wú)法(fa)準(zhǔn)確(que)解釋消(xiao)費(fèi)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)雜物理學(xué)(xue)原理，也不能(neng)很好(hao)滿(mǎn)足食(shi)品工(gong)業(yè)質(zhì)量控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)在于其(qi)多維度(du)和多尺度共(gong)存的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實(shí)質(zhì)(zhi)上是與食品(pin)材料物性相關(guān)(guan)的且能被消費(fèi)(fei)者感知的一系(xi)列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱(chēng)，包(bao)含很多復(fù)雜(za)且微(wei)妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對(duì)應(yīng)(ying)的材料學(xué)性質(zhì)(zhi)具有多重與動(dòng)(dong)態(tài)的特(te)征。因(yin)此很難期待用(yong)單一的方法來(lái)(lai)描述或(huo)測(cè)量食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于(yu)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性(xing)原理(li)，浙江工商大(da)學(xué)食品口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)室陳(chen)建設(shè)教授與英(ying)國(guó)諾丁(ding)漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食品材料(liao)學(xué)和物性(xing)學(xué)原理出發(fā)，提(ti)出了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，并以(yi)此準(zhǔn)確量(liang)化不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這(zhe)個(gè)新(xin)模型的提(ti)出，使(shi)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)代將傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語(yǔ)(yu)描述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描(miao)述提供了(le)理論依(yi)據(jù)。

食品的材料分(fen)類(lèi)

食品的(de)分類(lèi)有(you)很多種方法(fa)，最常見(jiàn)(jian)的是依據(jù)(ju)食品(pin)的形態(tài)，將其(qi)分為三大類(lèi)(lei)：固體食品，軟（半(ban)）固體食品，流(liu)體食品。固體(ti)食品泛(fan)指那些可以(yi)抗拒(ju)重力并(bing)具有特(te)定形態(tài)(tai)且不(bu)易形(xing)變的(de)食品，可分為干(gan)固體食品(pin)（如餅干、堅(jiān)(jian)果、硬果(guo)糖等）和(he)濕固體食(shi)品（如蘋(píng)果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力超出(chu)其屈服閾值時(shí)(shi)，固體(ti)食品會(huì)(hui)直接斷裂或脆(cui)裂。流體食(shi)品是指(zhi)那些無(wú)法抗拒(ju)重力并不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由(you)流動(dòng)的食品，這(zhe)類(lèi)食品以其裝(zhuang)載的容器的(de)形態(tài)為形態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)(ying)力就可引(yin)起顯(xian)著的(de)形變。軟(ruan)固體則(ze)介于(yu)兩者之(zhi)間，可抗拒(ju)重力并保持一(yi)定的形(xing)態(tài)，但在弱(ruo)外應(yīng)力(li)作用下(xia)產(chǎn)生形變，并(bing)最終破裂。

固體(ti)食品的三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

圖1. 固體(ti)食品(pin)形變時(shí)應(yīng)力與(yu)應(yīng)變(bian)之間的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形(xing)變特征的口(kou)腔感受，與(yu)食品(pin)的材料性質(zhì)(zhi)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)于不同(tong)的食品材料，形(xing)變的內(nèi)在決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)別(bie)。對(duì)于(yu)固體(ti)食品，其(qi)形變程度與形(xing)變所(suo)需的能量(liang)是兩(liang)個(gè)最重要(yao)的物理(li)變量，也直接(jie)為消費(fèi)者所(suo)感知。很幸(xing)運(yùn)的(de)是，這兩個(gè)物理(li)變量都有(you)準(zhǔn)確的物(wu)理定義并可以(yi)被客觀(guān)的(de)量化測(cè)(ce)量。圖1所示(shi)既是固(gu)體食品的應(yīng)力(li)與形變之間的(de)關(guān)系，而形(xing)變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功）則為應(yīng)力(li)與形變距離(li)的乘積，表(biao)現(xiàn)為(wei)應(yīng)力線(xiàn)下(xia)方的面(mian)積。一般可以(yi)根據(jù)食品形變(bian)所需的(de)應(yīng)力大(da)小將食品(pin)材料大致(zhi)分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需的(de)能量大小則(ze)可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線(xiàn)表現(xiàn)(xian)為四(si)種典型的食(shi)品材(cai)料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且(qie)強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其(qi)形變程度與形(xing)變能量(liang)外，還(hai)有一項(xiàng)(xiang)非常重要(yao)的體驗(yàn)是其(qi)破碎程度。基(ji)于這樣的思(si)考，我(wo)們將固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)用三(san)個(gè)維度來(lái)量(liang)化描述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六(liu)個(gè)終端分別(bie)用六(liu)個(gè)熟悉的感官(guan)用語(yǔ)(yu)予以錨定：強(qiáng)度(du)維度(du)分別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別(bie)為易碎性(xing)(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個(gè)(ge)維度的(de)量化數(shù)值把(ba)固體食(shi)品分為八(ba)個(gè)類(lèi)(lei)別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)描述見(jiàn)表(biao)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. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征的三維分布(bu)

表1中三個(gè)(ge)維度變量(liang)中，強(qiáng)度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形變(bian)時(shí)的應(yīng)力(li)來(lái)表示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎(sui)前后的顆粒(li)大小(xiao)分布(bu)或破碎前后的(de)總表面積相比(bi)來(lái)量(liang)化，不具量綱(gang)。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體(ti)食品不同，流(liu)體食品形(xing)變時(shí)除了其形(xing)變程度和形(xing)變所需能量(liang)外，其(qi)形變所(suo)需的時(shí)間也是(shi)極其(qi)重要的(de)參考參數(shù)。單位(wei)時(shí)間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品在(zai)外應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的速度或速(su)率，直接影響材(cai)料形變過(guò)(guo)程中材(cai)料內(nèi)(nei)部的能量(liang)狀況，是儲(chǔ)存(cun)于材料(liao)內(nèi)部(bu)還是通過(guò)(guo)其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流(liu)動(dòng)時(shí)(shi)的剪切(qie)應(yīng)力與剪(jian)切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)系

圖3給出了流體(ti)材料的形(xing)變關(guān)系，對(duì)比圖(tu)1的固(gu)體材料形變(bian)，其橫坐標(biāo)的形(xing)變程(cheng)度已(yi)為形變速(su)率（定(ding)義為單(dan)位時(shí)(shi)間的形(xing)變量）所替代(dai)。不同的(de)流體材料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)(guan)系，如牛頓流(liu)體，剪切切(qie)稀流體，剪切切(qie)稠流體(ti)，觸變(bian)性流體等。

雖然上述的(de)流變行為(wei)能準(zhǔn)確描述流(liu)體食品形變的(de)基本行(xing)為或所需外應(yīng)(ying)力（能(neng)量）的(de)關(guān)系，但(dan)是卻不(bu)能顯示(shi)外應(yīng)力(li)形變后的能量(liang)儲(chǔ)存(cun)與耗散的情(qing)況。這一點(diǎn)對(duì)(dui)于流體食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流(liu)體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力消失后，是否(fou)能夠(gou)彈性(xing)恢復(fù)原來(lái)的(de)形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在(zai)流變(bian)學(xué)中稱(chēng)為(wei)黏彈(dan)性，并可(ke)以用(yong)大形變振(zhen)幅方法來(lái)準(zhǔn)確(que)測(cè)量(liang)。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的(de)兩個(gè)ji端情況(kuang)：前者意味著流(liu)體會(huì)(hui)像彈簧一樣儲(chǔ)(chu)存形(xing)變時(shí)的(de)所有外加能(neng)量，當(dāng)外力取消(xiao)后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到原來(lái)狀(zhuang)態(tài)（零度相角(jiao))，后者(zhe)則指(zhi)流體像水一(yi)樣，不具(ju)任何能量?jī)?chǔ)(chu)存能力(li)，所有外加(jia)的形變能量(liang)都會(huì)因(yin)分子或顆(ke)粒摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散(san)（相角(jiao)90度)。大部分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一(yi)定的黏性(xing)，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以45度相角為(wei)黏彈性(xing)的切分點(diǎn)(dian)，小于(yu)45度彈(dan)性為主，大(da)于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈性的(de)表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它與(yu)形變(bian)速率(lv)或頻率直接(jie)相關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)(dang)形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時(shí)，流體(ti)食品的彈(dan)性?xún)A向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時(shí)(shi)，流體食品的黏(nian)性性質(zhì)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型(xing)

把流體材料的(de)這些(xie)本質(zhì)特征組合(he)可以形(xing)成另(ling)一個(gè)三維度(du)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見(jiàn)圖(tu)4三個(gè)維(wei)度分別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性(xing)（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的六(liu)個(gè)末(mo)端也可以用感(gan)官詞語(yǔ)來(lái)表達(dá)(da)（見(jiàn)表(biao)2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維(wei)模型說(shuō)明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述(shu)的三維模型(xing)可以準(zhǔn)確描述(shu)大部(bu)分固體和(he)流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形(xing)成食品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別不(bu)同食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體(ti)或半固(gu)體食品(pin)，目前(qian)還沒(méi)有一個(gè)好(hao)的辦法。軟固體(ti)食品是(shi)非常廣泛(fan)的食品(pin)體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由(you)形變(bian)程度(du)起主導(dǎo)作用的(de)軟固(gu)體（如面包(bao)、饅頭(tou)、豆腐(fu)、果凍(dong)、凝膠類(lèi)食(shi)品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變(bian)速率起主導(dǎo)(dao)作用的(de)軟固體（如酸奶(nai)和其(qi)他糊狀類(lèi)(lei)食品(pin)）。如此廣(guang)泛差異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)難以(yi)用一個(gè)模型(xing)來(lái)形容(rong)，作為(wei)一個(gè)(ge)大致的(de)方法，可以(yi)根據(jù)軟固(gu)體食品的形變(bian)程度和形變速(su)率的作用程(cheng)度，決(jue)定采用近(jin)似固(gu)體處理(li)或近似流體(ti)處理。前者可(ke)以固(gu)體食品的(de)三維(wei)模型處(chu)理，而后者基本(ben)上可(ke)以參照流(liu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型來(lái)處(chu)理。

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三維模型的局(ju)限性

本文提出(chu)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)(tong)理論，但是模(mo)型的應(yīng)用(yong)仍有一定的(de)局限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型只能適用(yong)于均相的(de)食品體系，對(duì)于(yu)多相混雜(za)的食品(pin)（例如(ru)夾心餅(bing)干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征則(ze)應(yīng)該分相(xiang)描述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能描(miao)述一些(xie)與分散體系相(xiang)關(guān)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散(san)體系(xi)食品常常包(bao)含分散顆(ke)粒，雖為均(jun)相分布，但(dan)是這些(xie)分散顆(ke)粒除了影響整(zheng)體材料性(xing)質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶(dai)來(lái)一些與(yu)顆粒相關(guān)的特(te)殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感特(te)征，如顆粒感、粉(fen)感等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型也不(bu)包括因食物入(ru)口后與唾液相(xiang)互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成分或(huo)微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而(er)引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如澀(se)感、滑(hua)溜感(gan)等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析雖然(ran)已經(jīng)有如(ru)流變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)等一些(xie)成熟(shu)的測(cè)量技(ji)術(shù)，但是(shi)流變(bian)儀測(cè)量的(de)結(jié)果(guo)往往因(yin)其過(guò)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)性質(zhì)的直接(jie)對(duì)應(yīng)，而不被(bei)食品(pin)工業(yè)所接受(shou)。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀(yi)測(cè)量只能是(shi)相對(duì)的測(cè)(ce)量，很大程度(du)上只是定性(xing)測(cè)量，其測(cè)(ce)量的方式和(he)測(cè)量的結(jié)(jie)果缺(que)乏明確的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)驗(yàn)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析結(jié)(jie)果無(wú)法直(zhi)接比較。zui明(ming)顯的例子(zi)是文獻(xiàn)上廣泛(fan)報(bào)道的所(suo)謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的(de)缺陷(xian)和被嚴(yán)(yan)重誤用(yong)的情況。我們(men)試圖從食品(pin)材料的形變(bian)原理出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)和感官(guan)的食品材料(liao)學(xué)本質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各類(lèi)(lei)食品材料(liao)進(jìn)行(xing)可比較的(de)量化(hua)分析，從而建立(li)食品體(ti)系的(de)質(zhì)構(gòu)三維譜(pu)圖分布(bu)，區(qū)分各食品之(zhi)間的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系提(ti)供了可靠的(de)理論依(yi)據(jù)。

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原文由英(ying)國(guó)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊作(zuo)者）合作完成，發(fā)(fa)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根(gen)據(jù)原文重(zhong)新整理寫(xiě)(xie)作，有(you)些地方對(duì)(dui)原文稍有(you)修改。

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致謝：本文寫(xiě)(xie)作過(guò)(guo)程中，馬添(tian)先生提出許(xu)多建設(shè)性(xing)的建(jian)議。