食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直(zhi)接關(guān)系到食品(pin)的口(kou)感，也顯著(zhu)影響食物在口(kou)腔中的(de)風(fēng)味釋放與(yu)體驗(yàn)。過(guo)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)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(píng)(ping)測(cè)的客觀方法(fa)，雖然取(qu)得了許多進(jìn)(jin)展，但是無(wu)論在食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)理論還(hai)是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析測(cè)(ce)量技(ji)術(shù)方面(mian)，都還存(cun)在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理，也不能很(hen)好滿(man)足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難點(diǎn)在(zai)于其多維度(du)和多尺(chi)度共存的本(ben)質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上是與食(shi)品材(cai)料物性相(xiang)關(guān)的(de)且能被消費(fèi)者(zhe)感知的一系(xi)列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且微(wei)妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相(xiang)對(duì)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性質(zhì)(zhi)具有多重與(yu)動(dòng)態(tài)的特征。因(yin)此很難期待(dai)用單一的方法(fa)來描述或(huo)測(cè)量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多維性原理(li)，浙江(jiang)工商大學(xué)食品(pin)口腔(qiang)加工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳(chen)建設(shè)(she)教授(shou)與英國(guó)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食品(pin)材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，并以此準(zhǔn)確量(liang)化不(bu)同食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模(mo)型的(de)提出，使得建(jian)立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜圖成(cheng)為可能，也為數(shù)(shu)字化時(shí)代(dai)將傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提(ti)供了(le)理論依據(jù)。

食品的材(cai)料分(fen)類

食品的分(fen)類有很(hen)多種方法，最常(chang)見的是依據(jù)(ju)食品的(de)形態(tài)，將(jiang)其分(fen)為三(san)大類：固(gu)體食(shi)品，軟（半）固體食(shi)品，流體(ti)食品。固(gu)體食品(pin)泛指那些(xie)可以抗拒重力(li)并具有(you)特定形(xing)態(tài)且不易形變(bian)的食品(pin)，可分(fen)為干固體食(shi)品（如餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖等）和濕(shi)固體食(shi)品（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出其屈服閾(yu)值時(shí)，固(gu)體食品會(huì)(hui)直接斷裂或脆(cui)裂。流體食品(pin)是指那些無(wu)法抗拒重(zhong)力并不具自我(wo)形態(tài)的可自(zi)由流動(dòng)(dong)的食品(pin)，這類食品以其(qi)裝載的(de)容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)(ying)力就可(ke)引起顯(xian)著的形變。軟(ruan)固體則介于兩(liang)者之間，可抗拒(ju)重力并(bing)保持一定的形(xing)態(tài)，但在弱外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變，并最終破(po)裂。

固體食(shi)品的三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)力與(yu)應(yīng)變之(zhi)間的典型關(guān)系(xi)

食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形變特征(zheng)的口腔感(gan)受，與食品(pin)的材料(liao)性質(zhì)直接相關(guān)(guan)。而對(duì)(dui)于不同的(de)食品(pin)材料，形變(bian)的內(nèi)在決定(ding)因素有著(zhe)很大的(de)區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品(pin)，其形變(bian)程度(du)與形(xing)變所需(xu)的能量(liang)是兩個(gè)最(zui)重要的物理(li)變量，也直(zhi)接為(wei)消費(fèi)者(zhe)所感知。很幸(xing)運(yùn)的是，這(zhe)兩個(gè)物(wu)理變量都有準(zhǔn)(zhun)確的物(wu)理定義并可(ke)以被客觀的(de)量化(hua)測(cè)量。圖1所示既(ji)是固體食品的(de)應(yīng)力與形(xing)變之間(jian)的關(guān)系(xi)，而形變所(suo)需的能(neng)量（或所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力(li)與形變(bian)距離的乘(cheng)積，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方(fang)的面積。一般(ban)可以(yi)根據(jù)食品(pin)形變所需的(de)應(yīng)力(li)大小將食品材(cai)料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量(liang)大小則可將(jiang)食品材料分(fen)為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線表現(xiàn)為四(si)種典(dian)型的(de)食品材(cai)料：(a)硬且弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形(xing)變程度與形變(bian)能量外，還(hai)有一項(xiàng)非常(chang)重要(yao)的體驗(yàn)是其破(po)碎程度?；谶@(zhe)樣的思考(kao)，我們將固體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維度(du)來量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)(ge)終端分(fen)別用(yong)六個(gè)(ge)熟悉的(de)感官用語予(yu)以錨定：強(qiáng)度(du)維度(du)分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維(wei)度分別(bie)為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)(ju)三個(gè)維度的(de)量化(hua)數(shù)值(zhi)把固體食品(pin)分為八個(gè)類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型

表1. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的(de)三維(wei)分布

表1中三(san)個(gè)維(wei)度變量(liang)中，強(qiáng)度具有(you)能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形變(bian)時(shí)的應(yīng)力(li)來表(biao)示，具(ju)有應(yīng)(ying)力單位（Pa）,而破(po)碎度可用破(po)碎前后的(de)顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總(zong)表面積相比(bi)來量化(hua)，不具量綱。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食品(pin)不同，流體食品(pin)形變時(shí)除了其(qi)形變程度(du)和形變所(suo)需能量外(wai)，其形(xing)變所需的(de)時(shí)間也(ye)是極其重要的(de)參考(kao)參數(shù)。單位(wei)時(shí)間的(de)形變程度體(ti)現(xiàn)流體食(shi)品在外應(yīng)力(li)作用下(xia)產(chǎn)生形變(bian)的速度或速率(lv)，直接影(ying)響材料形變過(guo)程中材料內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲(chǔ)(chu)存于(yu)材料內(nèi)部(bu)還是通(tong)過其他形(xing)式（如熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dòng)時(shí)(shi)的剪切應(yīng)(ying)力與(yu)剪切速率(lv)之間(jian)的幾種典型關(guān)(guan)系

圖3給出了(le)流體材料的形(xing)變關(guān)(guan)系，對(duì)比圖1的固體材(cai)料形變，其橫(heng)坐標(biāo)(biao)的形變程(cheng)度已為形變速(su)率（定義(yi)為單位時(shí)間的(de)形變量）所(suo)替代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)為非常不(bu)同的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的(de)關(guān)系，如牛(niu)頓流體，剪切切(qie)稀流體，剪切切(qie)稠流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然上(shang)述的流變行(xing)為能準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)流體食品(pin)形變(bian)的基本行為(wei)或所需外應(yīng)力(li)（能量）的(de)關(guān)系(xi)，但是卻(que)不能(neng)顯示外(wai)應(yīng)力形變(bian)后的能量?jī)?chǔ)(chu)存與耗散的情(qing)況。這一點(diǎn)對(duì)(dui)于流體(ti)食品非常(chang)重要，關(guān)(guan)系到流體(ti)食品在(zai)外應(yīng)力消(xiao)失后，是否(fou)能夠彈性恢復(fù)(fu)原來的(de)形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振幅(fu)方法來準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是(shi)它的兩個(gè)(ge)ji端情況：前(qian)者意(yi)味著流體(ti)會(huì)像彈(dan)簧一樣儲(chǔ)存(cun)形變時(shí)的所有(you)外加(jia)能量，當(dāng)外(wai)力取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指流體(ti)像水一樣，不具(ju)任何能量?jī)?chǔ)存(cun)能力(li)，所有外加(jia)的形變(bian)能量都會(huì)(hui)因分子或顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊?re)能并耗散(san)（相角90度)。大部分流體(ti)食品(pin)即有一(yi)定的彈(dan)性也(ye)有一定(ding)的黏性(xing)，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為(wei)黏彈性的(de)切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性為主(zhu)，大于(yu)45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流(liu)體食品(pin)黏彈性(xing)的表征稍顯(xian)復(fù)雜(za)，它與形變速率(lv)或頻率直(zhi)接相(xiang)關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變振幅(fu)的頻率增(zeng)加時(shí)，流體食(shi)品的(de)彈性傾向加強(qiáng)(qiang)；而當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率降低時(shí)，流(liu)體食品的(de)黏性性質(zhì)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型(xing)

把流體(ti)材料的這些本(ben)質(zhì)特(te)征組合可以(yi)形成另一個(gè)(ge)三維度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見(jian)圖4三個(gè)維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度(du)的六個(gè)末端(duan)也可以(yi)用感官詞(ci)語來表達(dá)(da)（見表2）。

表2. 流體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模(mo)型說(shuo)明

軟固(gu)體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的(de)三維模型可以(yi)準(zhǔn)確描述大部(bu)分固體和流體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的空間分布圖(tu)，以準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是如何(he)處理(li)軟固體(ti)或半固體食(shi)品，目前(qian)還沒(mei)有一(yi)個(gè)好的辦法(fa)。軟固體食品(pin)是非常廣(guang)泛的食品體(ti)系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變程(cheng)度起主導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如面包、饅(man)頭、豆腐、果凍、凝(ning)膠類食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速率(lv)起主導(dǎo)作用的(de)軟固(gu)體（如酸奶和其(qi)他糊(hu)狀類食(shi)品）。如此廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個(gè)模型來形容(rong)，作為一個(gè)(ge)大致的方法(fa)，可以根據(jù)(ju)軟固體食品(pin)的形變(bian)程度和形(xing)變速率的(de)作用程度(du)，決定采用近(jin)似固體處(chu)理或(huo)近似流體處理(li)。前者(zhe)可以固體食(shi)品的三維模型(xing)處理，而后者(zhe)基本(ben)上可以參(can)照流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理(li)。

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三維模型的(de)局限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，突(tu)破了食品(pin)質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)理(li)論，但是模型的(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(gan)等），其質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該分相(xiang)描述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能描(miao)述一些與(yu)分散(san)體系相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散(san)體系(xi)食品(pin)常常包含分散(san)顆粒，雖為均(jun)相分布，但是(shi)這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整體材(cai)料性質(zhì)外，還(hai)會(huì)帶來(lai)一些與(yu)顆粒相關(guān)(guan)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)特征，如(ru)顆粒感(gan)、粉感等(deng)。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型(xing)也不包括(kuo)因食物入口(kou)后與唾液(ye)相互作用而(er)產(chǎn)生(sheng)成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化(hua)因而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析雖(sui)然已經(jīng)有如(ru)流變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等(deng)一些成(cheng)熟的測(cè)(ce)量技術(shù)(shu)，但是流變儀測(cè)(ce)量的(de)結(jié)果往往因(yin)其過于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)(zhi)的直(zhi)接對(duì)(dui)應(yīng)，而不(bu)被食品工(gong)業(yè)所接(jie)受。而(er)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)(ce)量只能是相(xiang)對(duì)的測(cè)(ce)量，很大程度(du)上只是定性(xing)測(cè)量，其測(cè)量(liang)的方(fang)式和測(cè)量的結(jié)(jie)果缺乏明(ming)確的(de)標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)驗(yàn)室之(zhi)間的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直接(jie)比較(jiao)。zui明顯的例(li)子是文獻(xiàn)上(shang)廣泛(fan)報(bào)道(dao)的所謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情(qing)況。我們?cè)?shi)圖從食品材(cai)料的形變?cè)?yuan)理出發(fā)，揭(jie)示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食品(pin)材料學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型(xing)的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)是可以(yi)將各類食品(pin)材料進(jìn)行(xing)可比較的量化(hua)分析，從而建(jian)立食(shi)品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三(san)維譜圖分布，區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系提供(gong)了可靠的(de)理論(lun)依據(jù)。

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原文由英國(guó)(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙江(jiang)工商大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通(tong)訊作者）合作完(wan)成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整理(li)寫作，有些(xie)地方(fang)對(duì)原文稍有(you)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)多建設(shè)性(xing)的建議。