食品質構(gou)或質(zhi)構性(xing)質不僅(jin)直接關系到食(shi)品的口感(gan)，也顯著影(ying)響食物(wu)在口腔中(zhong)的風味釋放(fang)與體驗。過去數(shù)(shu)十年中，食品(pin)工業(yè)和食品科(ke)學界一直(zhi)致力建(jian)立可行的食(shi)品質構性質(zhi)評測的客觀方(fang)法，雖然(ran)取得了許(xu)多進(jin)展，但(dan)是無論在(zai)食品(pin)質構(gou)理論還是(shi)食品質構(gou)的分析(xi)測量技術方(fang)面，都(dou)還存在許多問(wen)題，無法準(zhun)確解釋消(xiao)費者(zhe)質構感官(guan)背后的復雜(za)物理學原(yuan)理，也不能很好(hao)滿足食品工業(yè)(ye)質量控(kong)制的需求。

食品質構分析(xi)的難點(dian)在于其多(duo)維度和(he)多尺度(du)共存的本質(zhi)特點(dian)。食品質構性(xing)質實質上是與(yu)食品材料(liao)物性相關的(de)且能被消(xiao)費者感知的(de)一系列性(xing)質的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復雜且微妙(miao)變化的質構(gou)屬性(xing)，其相(xiang)對應的材(cai)料學性質具有(you)多重與動態(tài)(tai)的特征。因此(ci)很難期待用(yong)單一(yi)的方(fang)法來描述(shu)或測量食(shi)品的質構(gou)特性和質構(gou)感官。

基于食品質構(gou)的多維(wei)性原(yuan)理，浙江(jiang)工商大學食品(pin)口腔加(jia)工實驗室(shi)陳建設(she)教授與(yu)英國諾丁漢(han)大學(xue)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作(zuo)，從食品材料(liao)學和物(wu)性學(xue)原理出發(fā)，提(ti)出了食品質構(gou)三維模(mo)型，并(bing)以此(ci)準確量化不同(tong)食品的質構特(te)征。這個(ge)新模型的提(ti)出，使得(de)建立食(shi)品質構譜圖(tu)成為可能(neng)，也為數(shù)(shu)字化(hua)時代將傳統(tǒng)的(de)食品質構的感(gan)官詞語描述(shu)轉變(bian)為數(shù)(shu)字化描述提(ti)供了理論依(yi)據。

食品(pin)的材料(liao)分類(lei)

食品的分(fen)類有很多(duo)種方法，最(zui)常見(jian)的是依據食(shi)品的形態(tài)(tai)，將其分(fen)為三大類：固(gu)體食品(pin)，軟（半）固體食品(pin)，流體食品。固體(ti)食品泛指那些(xie)可以抗拒重(zhong)力并具有特定(ding)形態(tài)且不易形(xing)變的(de)食品，可分為干(gan)固體食品（如(ru)餅干、堅(jian)果、硬果(guo)糖等）和濕(shi)固體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dang)外應(ying)力超出其屈服(fu)閾值(zhi)時，固(gu)體食品會直接(jie)斷裂或脆(cui)裂。流(liu)體食(shi)品是(shi)指那些無(wu)法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形態(tài)(tai)的可自由流(liu)動的食(shi)品，這類食品(pin)以其(qi)裝載的容(rong)器的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極(ji)微小的應(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(jian)，可抗拒重力并(bing)保持(chi)一定的形態(tài)(tai)，但在弱(ruo)外應力(li)作用下產(chan)生形變(bian)，并最終破裂。

固體(ti)食品的三(san)維質(zhi)構模型(xing)

圖1. 固體食(shi)品形(xing)變時應力與應(ying)變之間的典(dian)型關系

食品的質(zhi)構性質本質上(shang)是食品形(xing)變特征的(de)口腔(qiang)感受，與(yu)食品(pin)的材料(liao)性質直接相關(guan)。而對于(yu)不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nei)在決定(ding)因素有著很(hen)大的(de)區(qū)別。對于固體(ti)食品，其形變(bian)程度(du)與形(xing)變所(suo)需的能量是(shi)兩個最(zui)重要的物(wu)理變(bian)量，也直(zhi)接為消(xiao)費者所感知。很(hen)幸運的(de)是，這(zhe)兩個物(wu)理變量(liang)都有準確的(de)物理定義并可(ke)以被客(ke)觀的量化測量(liang)。圖1所示既是固(gu)體食品的應(ying)力與形變之(zhi)間的關(guan)系，而形(xing)變所需的(de)能量（或(huo)所作的(de)功）則(ze)為應力與形變(bian)距離(li)的乘積，表(biao)現(xiàn)為應力線下(xia)方的面積。一般(ban)可以根據(ju)食品形變所需(xu)的應力大小將(jiang)食品材料大(da)致分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(ju)形變所需的(de)能量大(da)小則(ze)可將食品材料(liao)分為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表(biao)現(xiàn)為四(si)種典型的食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiang)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當然，固體食(shi)品的質構性(xing)質除了(le)其形變程度與(yu)形變能(neng)量外，還有一項(xiang)非常重(zhong)要的(de)體驗是其破碎(sui)程度。基于(yu)這樣的(de)思考，我們(men)將固體食品的(de)質構(gou)性質用三個維(wei)度來(lai)量化(hua)描述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度(du)的六(liu)個終端(duan)分別用六個熟(shu)悉的感(gan)官用語予以(yi)錨定：強度維度(du)分別為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分(fen)別為(wei)硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據此(ci)，可以根據三(san)個維度的量(liang)化數(shù)(shu)值把固體食品(pin)分為八(ba)個類別，其質(zhi)構特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質構(gou)特性的三(san)維模型

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhi)構特(te)征的三維分(fen)布

表1中三個維(wei)度變量中(zhong)，強度具有(you)能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時的應(ying)力來表示(shi)，具有應(ying)力單(dan)位（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前(qian)后的顆粒大(da)小分布或破(po)碎前后的(de)總表面積(ji)相比來量化，不(bu)具量(liang)綱。

流體食(shi)品的(de)質構模型

與固體(ti)食品不同，流(liu)體食品形變時(shi)除了其形變(bian)程度和形變所(suo)需能量外(wai)，其形變所需(xu)的時間也(ye)是極其重要(yao)的參(can)考參數(shù)。單位時(shi)間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品(pin)在外應力作(zuo)用下產(chan)生形(xing)變的速度(du)或速率(lv)，直接影(ying)響材料形(xing)變過程中材料(liao)內部的(de)能量狀況，是儲(chu)存于(yu)材料內(nei)部還(hai)是通過其他(ta)形式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品(pin)剪切流動時(shi)的剪切應(ying)力與剪(jian)切速率之間(jian)的幾種典(dian)型關系

圖3給出了流(liu)體材(cai)料的形(xing)變關(guan)系，對比(bi)圖1的固體材料形(xing)變，其橫坐(zuo)標的形變程度(du)已為(wei)形變速率（定(ding)義為單位時間(jian)的形變量(liang)）所替(ti)代。不同的流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不同的(de)應力與形變速(su)率的關系(xi)，如牛頓流體(ti)，剪切切稀流體(ti)，剪切切稠(chou)流體，觸變(bian)性流體(ti)等。

雖然上述的流(liu)變行為能(neng)準確描述流體(ti)食品形變的基(ji)本行為或所需(xu)外應力(li)（能量）的關系(xi)，但是卻(que)不能顯示外(wai)應力形(xing)變后的能(neng)量儲存與耗散(san)的情(qing)況。這一點對(dui)于流體食品(pin)非常(chang)重要，關系(xi)到流體食(shi)品在外應力消(xiao)失后(hou)，是否能夠(gou)彈性恢(hui)復原來的形狀(zhuang)。這個性(xing)質在流變(bian)學中稱為黏彈(dan)性，并(bing)可以(yi)用大形變振幅(fu)方法(fa)來準確測(ce)量。wanquan彈性或wanquan黏性(xing)是它(ta)的兩個(ge)ji端情況(kuang)：前者意味(wei)著流體會像彈(dan)簧一樣儲(chu)存形變時的(de)所有外加能量(liang)，當外力(li)取消后，流體能(neng)wanquan恢復到原來(lai)狀態(tài)（零(ling)度相角)，后者則指流(liu)體像水(shui)一樣，不具任(ren)何能量儲(chu)存能力，所有外(wai)加的形變(bian)能量都(dou)會因分(fen)子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuan)變?yōu)闊崮懿⒑?hao)散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一(yi)定的黏性，相角(jiao)介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以45度相角(jiao)為黏彈性(xing)的切分點，小于(yu)45度彈性為主，大(da)于45度則黏性為(wei)主。

當然，流體(ti)食品黏(nian)彈性的表征稍(shao)顯復雜，它與(yu)形變速率或頻(pin)率直接相(xiang)關。一般(ban)情況下，當(dang)形變(bian)振幅的頻(pin)率增加時，流(liu)體食品(pin)的彈(dan)性傾向加強；而(er)當形(xing)變振幅的(de)頻率降低時，流(liu)體食(shi)品的(de)黏性性質會(hui)更加突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質(zhi)構特性的三(san)維模型

把流體材料的(de)這些本(ben)質特征組合(he)可以形成另一(yi)個三維度(du)的質構模(mo)型，見圖4三個維(wei)度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性(xing)（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的(de)六個末(mo)端也可以(yi)用感官詞(ci)語來表達(da)（見表2）。

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

軟固體的(de)質構模型(xing)

上述的三維(wei)模型可以準確(que)描述大(da)部分固(gu)體和流體食(shi)品的質構特征(zheng)，形成食品質(zhi)構的空間分布(bu)圖，以準(zhun)確區(qū)別不(bu)同食品的(de)質構特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體或(huo)半固體(ti)食品，目前(qian)還沒有一個(ge)好的辦法(fa)。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣泛的食(shi)品體(ti)系，包(bao)含質(zhi)構性質由形(xing)變程度起(qi)主導作用(yong)的軟固體（如面(mian)包、饅頭(tou)、豆腐、果(guo)凍、凝(ning)膠類食品），和(he)質構性質由形(xing)變速(su)率起主導(dao)作用的軟固(gu)體（如酸奶和其(qi)他糊狀類(lei)食品）。如此廣泛(fan)差異的質(zhi)構性質難以用(yong)一個模型來形(xing)容，作為一個(ge)大致的方法，可(ke)以根據軟固(gu)體食品的形(xing)變程度和形(xing)變速率的作(zuo)用程度(du)，決定采(cai)用近似固體處(chu)理或近似(shi)流體處理。前(qian)者可以(yi)固體食品的(de)三維模型(xing)處理，而后者(zhe)基本上可以(yi)參照流體食(shi)品的質(zhi)構模型(xing)來處理。

?

三維模型的局(ju)限性

本文提(ti)出的(de)食品質構三維(wei)模型(xing)，突破了(le)食品(pin)質構的(de)傳統(tǒng)理論，但是(shi)模型的應用(yong)仍有(you)一定的局(ju)限性。首(shou)先，食品質構(gou)三維(wei)模型(xing)只能(neng)適用于均(jun)相的食品體(ti)系，對于(yu)多相混雜(za)的食(shi)品（例如夾(jia)心餅干等），其(qi)質構(gou)特征(zheng)則應該分相(xiang)描述。第二，三(san)維質構(gou)模型亦(yi)不能(neng)描述一(yi)些與分散體(ti)系相關的質(zhi)構性(xing)質。分散體系食(shi)品常常包含分(fen)散顆粒，雖為(wei)均相(xiang)分布，但是(shi)這些分散(san)顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性質(zhi)外，還會帶來一(yi)些與顆粒(li)相關的(de)特殊的質(zhi)構口感特征(zheng)，如顆粒感、粉(fen)感等(deng)。另外，食品(pin)質構的三(san)維模(mo)型也不包括因(yin)食物入口后(hou)與唾液相(xiang)互作用(yong)而產生成分或(huo)微結構變化(hua)因而引(yin)起的質構特(te)征，如澀感、滑(hua)溜感等。

?

食品質構(gou)數(shù)字化

食品質(zhi)構分析(xi)雖然已(yi)經有如(ru)流變儀(yi)、質構儀等一些(xie)成熟(shu)的測量技術，但(dan)是流變儀(yi)測量的結果往(wang)往因其過于基(ji)礎性(xing)，缺乏與質(zhi)構口感性質的(de)直接對應(ying)，而不被食(shi)品工(gong)業(yè)所(suo)接受。而食品(pin)質構儀測(ce)量只能是(shi)相對的測(ce)量，很大程(cheng)度上只是定(ding)性測量，其(qi)測量的方式和(he)測量的結果(guo)缺乏明確(que)的標準，各實(shi)驗室之間(jian)的質構分(fen)析結果無(wu)法直接比較。zui明(ming)顯的(de)例子是文獻上(shang)廣泛報(bao)道的所謂的質(zhi)構剖(pou)析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯的缺陷(xian)和被嚴重(zhong)誤用的情況(kuang)。我們試(shi)圖從食品材(cai)料的(de)形變原理出發(fā)(fa)，揭示(shi)食品質構性質(zhi)和感官的(de)食品材料(liao)學本(ben)質。食(shi)品質構三維模(mo)型的zui大優(yōu)點是(shi)可以將各類食(shi)品材料進行(xing)可比較的量(liang)化分析，從(cong)而建立食品體(ti)系的(de)質構三(san)維譜圖分(fen)布，區(qū)分各食(shi)品之間的微妙(miao)的質構差(cha)異，為建立食(shi)品質構數(shù)字化(hua)體系提供(gong)了可靠的理論(lun)依據(ju)。

?

原文(wen)由英(ying)國諾(nuo)丁漢大學Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與(yu)浙江工商(shang)大學(xue)陳建(jian)設教授(shou)（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據原文(wen)重新(xin)整理寫作(zuo)，有些(xie)地方對原文(wen)稍有修改(gai)。

?

致謝：本文寫(xie)作過程中，馬添(tian)先生提出許多(duo)建設性的建(jian)議。