食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系(xi)到食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食物(wu)在口腔中(zhong)的風味(wei)釋放與體驗(yan)。過去數(shù)十(shi)年中(zhong)，食品(pin)工業(yè)和食(shi)品科學(xue)界一直致力建(jian)立可行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客觀方(fang)法，雖(sui)然取(qu)得了許多進(jin)展，但是(shi)無論在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測量技術(shù)(shu)方面(mian)，都還(hai)存在(zai)許多問題，無法(fa)準確解釋(shi)消費(fei)者質(zhì)構(gòu)(gou)感官背后的復(fu)雜物(wu)理學(xue)原理，也不能(neng)很好滿足食(shi)品工業(yè)質(zhì)量控(kong)制的(de)需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難(nan)點在(zai)于其多(duo)維度和多(duo)尺度(du)共存的本(ben)質(zhì)特點。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實質(zhì)上是(shi)與食品材料物(wu)性相關(guān)的且能(neng)被消(xiao)費者感(gan)知的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包(bao)含很多復(fu)雜且微妙(miao)變化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其(qi)相對應(ying)的材料學(xue)性質(zhì)具有(you)多重與(yu)動態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待用單(dan)一的方法來描(miao)述或測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性原(yuan)理，浙(zhe)江工商大(da)學食品口(kou)腔加(jia)工實驗室陳建(jian)設(shè)教(jiao)授與(yu)英國(guo)諾丁(ding)漢大學Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材(cai)料學和(he)物性學原理出(chu)發(fā)，提出了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準確量化(hua)不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這(zhe)個新模型的(de)提出，使得建(jian)立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜圖成(cheng)為可能，也為(wei)數(shù)字化時代將(jiang)傳統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描述提(ti)供了理論依(yi)據(jù)。

食品的(de)材料(liao)分類

食品的分類(lei)有很多(duo)種方(fang)法，最常(chang)見的是依據(jù)(ju)食品(pin)的形態(tài)(tai)，將其分為三(san)大類：固體食品(pin)，軟（半）固體食(shi)品，流體食(shi)品。固體食品(pin)泛指那些可(ke)以抗拒重(zhong)力并具有特(te)定形態(tài)(tai)且不易(yi)形變的食(shi)品，可(ke)分為(wei)干固體(ti)食品（如餅干(gan)、堅果、硬果糖(tang)等）和(he)濕固(gu)體食品(pin)（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當外(wai)應力(li)超出其屈(qu)服閾(yu)值時(shi)，固體食品會直(zhi)接斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體(ti)食品(pin)是指(zhi)那些(xie)無法抗(kang)拒重力并(bing)不具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流動的食(shi)品，這類食(shi)品以其裝載(zai)的容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極(ji)微小的應力(li)就可引起(qi)顯著的(de)形變。軟固體則(ze)介于兩(liang)者之間，可(ke)抗拒重(zhong)力并保持一定(ding)的形(xing)態(tài)，但(dan)在弱外應(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形變，并(bing)最終破裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品形變(bian)時應(ying)力與應(ying)變之間的典型(xing)關(guān)系(xi)

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形(xing)變特征(zheng)的口(kou)腔感(gan)受，與食品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而對(dui)于不同的(de)食品材料(liao)，形變(bian)的內(nèi)在決(jue)定因素有著(zhe)很大的(de)區(qū)別。對(dui)于固體食(shi)品，其(qi)形變程度與形(xing)變所需的(de)能量是兩個最(zui)重要的(de)物理變量，也(ye)直接(jie)為消(xiao)費者所感知(zhi)。很幸運的是，這(zhe)兩個物理(li)變量都有(you)準確的物(wu)理定義(yi)并可以被客(ke)觀的(de)量化測量(liang)。圖1所示(shi)既是固體食(shi)品的(de)應力與形(xing)變之間的關(guān)(guan)系，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所(suo)作的功）則為(wei)應力與形(xing)變距(ju)離的乘積，表現(xiàn)(xian)為應力線(xian)下方的面積(ji)。一般可以根(gen)據(jù)食品形變(bian)所需的應力(li)大小將食品材(cai)料大致分(fen)為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能量(liang)大小則可將食(shi)品材(cai)料分(fen)為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四種典(dian)型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變程度(du)與形變能量(liang)外，還有(you)一項非常重要(yao)的體驗是(shi)其破碎程度?；?ji)于這樣的思考(kao)，我們將固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個維(wei)度來量化(hua)描述(shu)：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分(fen)別用六(liu)個熟悉的感官(guan)用語予(yu)以錨定：強度(du)維度分別為強(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三個維(wei)度的(de)量化數(shù)(shu)值把(ba)固體食(shi)品分為八個(ge)類別(bie)，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)特(te)性的三(san)維模型

表1. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)的三(san)維分布

表1中三個維度變(bian)量中，強(qiang)度具有(you)能量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形變時(shi)的應力來(lai)表示，具有應力(li)單位（Pa）,而破碎度(du)可用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總表(biao)面積(ji)相比來量化(hua)，不具量綱。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食(shi)品不同，流體食(shi)品形變時除(chu)了其形(xing)變程度(du)和形變所需(xu)能量外，其形變(bian)所需的時(shi)間也是極其(qi)重要的參考參(can)數(shù)。單(dan)位時間的形(xing)變程度體(ti)現(xiàn)流體食品在(zai)外應(ying)力作用下產(chǎn)(chan)生形變(bian)的速度(du)或速率(lv)，直接影響材(cai)料形(xing)變過程(cheng)中材料(liao)內(nèi)部的能(neng)量狀況，是儲存(cun)于材料內(nèi)部(bu)還是通過其(qi)他形(xing)式（如熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動時的(de)剪切應力與剪(jian)切速率之間(jian)的幾種(zhong)典型關(guān)系

圖3給出了流體材(cai)料的形變(bian)關(guān)系(xi)，對比圖(tu)1的固(gu)體材(cai)料形變，其橫坐(zuo)標的(de)形變程(cheng)度已(yi)為形變速率（定(ding)義為單位(wei)時間的形(xing)變量）所替(ti)代。不同的(de)流體材料表現(xiàn)(xian)為非常(chang)不同的應力(li)與形變速(su)率的關(guān)系，如(ru)牛頓流(liu)體，剪(jian)切切稀流體(ti)，剪切切(qie)稠流體，觸(chu)變性流體等(deng)。

雖然(ran)上述的流變行(xing)為能準確(que)描述流(liu)體食品形(xing)變的(de)基本行為(wei)或所需外應力(li)（能量(liang)）的關(guān)系，但(dan)是卻不能顯示(shi)外應力形變(bian)后的能量儲存(cun)與耗散的情(qing)況。這(zhe)一點對于流(liu)體食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應力消失(shi)后，是否能(neng)夠彈性(xing)恢復原(yuan)來的形狀(zhuang)。這個(ge)性質(zhì)在(zai)流變學中(zhong)稱為(wei)黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形(xing)變振幅(fu)方法來準(zhun)確測(ce)量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的(de)兩個(ge)ji端情況：前者(zhe)意味著(zhe)流體會(hui)像彈簧一樣儲(chu)存形變時(shi)的所有(you)外加能量(liang)，當外(wai)力取(qu)消后，流體(ti)能wanquan恢復到原(yuan)來狀態(tài)（零(ling)度相(xiang)角)，后者則指(zhi)流體像水(shui)一樣，不具任(ren)何能量儲(chu)存能力，所有(you)外加(jia)的形(xing)變能量(liang)都會因分子或(huo)顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿?bing)耗散（相角90度)。大部分流體食(shi)品即有(you)一定的彈性(xing)也有一定的黏(nian)性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏(nian)彈性(xing)的切分(fen)點，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性為主(zhu)。

當然，流體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復雜(za)，它與(yu)形變速率或(huo)頻率直(zhi)接相關(guān)。一般(ban)情況下(xia)，當形(xing)變振幅的頻率(lv)增加時，流體(ti)食品的彈(dan)性傾(qing)向加強；而當(dang)形變振幅(fu)的頻率降低(di)時，流(liu)體食(shi)品的黏性性質(zhì)(zhi)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型

把流(liu)體材料的這些(xie)本質(zhì)特(te)征組合(he)可以形(xing)成另一個三(san)維度的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流(liu)動行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個末(mo)端也(ye)可以用感官(guan)詞語來表(biao)達（見(jian)表2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型說明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的三(san)維模型可(ke)以準確描述大(da)部分(fen)固體和流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成(cheng)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以準確區(qū)(qu)別不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是(shi)如何(he)處理軟(ruan)固體(ti)或半固體食(shi)品，目(mu)前還沒(mei)有一個好的辦(ban)法。軟(ruan)固體食品是(shi)非常(chang)廣泛的食(shi)品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變程(cheng)度起(qi)主導(dao)作用的軟固體(ti)（如面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝膠(jiao)類食品(pin)），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形變(bian)速率起主(zhu)導作用的軟固(gu)體（如(ru)酸奶和(he)其他糊狀類食(shi)品）。如此廣(guang)泛差異的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)難以用一(yi)個模型(xing)來形容(rong)，作為一(yi)個大致的方法(fa)，可以根據(jù)軟固(gu)體食品的(de)形變程度和形(xing)變速(su)率的作用(yong)程度(du)，決定采用(yong)近似固體處(chu)理或近似(shi)流體(ti)處理。前者(zhe)可以固體食(shi)品的三(san)維模型(xing)處理(li)，而后(hou)者基(ji)本上可以(yi)參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處理(li)。

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三維模(mo)型的局限(xian)性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論(lun)，但是模型(xing)的應用仍有一(yi)定的局限(xian)性。首(shou)先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型只能(neng)適用(yong)于均相(xiang)的食(shi)品體系，對于多(duo)相混(hun)雜的食品（例(li)如夾心餅(bing)干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)則應該(gai)分相(xiang)描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不能描(miao)述一些(xie)與分散(san)體系(xi)相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系(xi)食品常常包含(han)分散顆(ke)粒，雖為均相分(fen)布，但是這些(xie)分散顆粒(li)除了影(ying)響整體材(cai)料性質(zhì)(zhi)外，還會帶來(lai)一些(xie)與顆(ke)粒相關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆粒(li)感、粉(fen)感等。另(ling)外，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模型也(ye)不包括因食物(wu)入口后與(yu)唾液相(xiang)互作用而(er)產(chǎn)生成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如(ru)澀感、滑溜感等(deng)。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析雖(sui)然已經(jīng)有如(ru)流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一些(xie)成熟的測量技(ji)術(shù)，但是流變儀(yi)測量(liang)的結(jié)果往(wang)往因(yin)其過于基(ji)礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)(gou)口感性(xing)質(zhì)的直接對應(ying)，而不被食品(pin)工業(yè)所(suo)接受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只(zhi)能是相對的測(ce)量，很(hen)大程度上(shang)只是定性測(ce)量，其測量的(de)方式和(he)測量的結(jié)果(guo)缺乏明(ming)確的標準，各實(shi)驗室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直(zhi)接比較(jiao)。zui明顯的例子是(shi)文獻上廣(guang)泛報道(dao)的所謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴重誤(wu)用的情況(kuang)。我們試圖從食(shi)品材料(liao)的形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官的食品(pin)材料學(xue)本質(zhì)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模(mo)型的zui大(da)優(yōu)點(dian)是可(ke)以將各類食(shi)品材料(liao)進行可比較的(de)量化(hua)分析(xi)，從而建(jian)立食品體(ti)系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜(pu)圖分布(bu)，區(qū)分各食品之(zhi)間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系提供了(le)可靠的(de)理論依據(jù)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢大學Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江(jiang)工商(shang)大學陳建設(shè)(she)教授（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新(xin)整理(li)寫作，有些地方(fang)對原(yuan)文稍有修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中，馬(ma)添先生提出許(xu)多建(jian)設(shè)性的建(jian)議。