食品(pin)質構或質(zhi)構性質不(bu)僅直接關系到(dao)食品的(de)口感，也(ye)顯著影響食(shi)物在口腔中(zhong)的風味釋(shi)放與(yu)體驗(yan)。過去數(shù)十年中(zhong)，食品工(gong)業(yè)和食品(pin)科學界(jie)一直致(zhi)力建立(li)可行的(de)食品質構性質(zhi)評測的客(ke)觀方法，雖然(ran)取得了(le)許多進展，但(dan)是無論在食(shi)品質構(gou)理論還(hai)是食品質構的(de)分析測(ce)量技術方面(mian)，都還存(cun)在許多(duo)問題，無法(fa)準確(que)解釋消費(fei)者質構感(gan)官背后的復雜(za)物理學原理，也(ye)不能很好滿(man)足食品工(gong)業(yè)質量控(kong)制的(de)需求。

食品質構分(fen)析的(de)難點(dian)在于其多維度(du)和多尺(chi)度共存的本質(zhi)特點。食品(pin)質構性(xing)質實質上是與(yu)食品(pin)材料物性相(xiang)關的且能(neng)被消費(fei)者感知的一系(xi)列性質的統(tǒng)(tong)稱，包含很(hen)多復雜且微(wei)妙變(bian)化的質構屬性(xing)，其相對(dui)應的材料(liao)學性質具有多(duo)重與動態(tài)(tai)的特征(zheng)。因此很難(nan)期待(dai)用單一的方法(fa)來描述或(huo)測量(liang)食品的質(zhi)構特性(xing)和質(zhi)構感官。

基于食品質(zhi)構的(de)多維性原理(li)，浙江工商大學(xue)食品口腔(qiang)加工實驗室(shi)陳建設教授(shou)與英(ying)國諾丁漢大(da)學Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學和(he)物性學(xue)原理出(chu)發(fā)，提出(chu)了食品質(zhi)構三維模型，并(bing)以此準確量(liang)化不同(tong)食品(pin)的質構特征(zheng)。這個(ge)新模型的提(ti)出，使得建(jian)立食(shi)品質構譜圖(tu)成為可能(neng)，也為數(shù)字化時(shi)代將傳統(tǒng)的(de)食品質構的(de)感官詞(ci)語描述轉變(bian)為數(shù)字(zi)化描述(shu)提供了理(li)論依據(jù)(ju)。

食品的材料(liao)分類

食品(pin)的分類有很多(duo)種方法(fa)，最常見的是依(yi)據(jù)食品(pin)的形態(tài)，將其分(fen)為三(san)大類：固體食(shi)品，軟（半(ban)）固體食品，流體(ti)食品。固體食(shi)品泛指那些可(ke)以抗拒重力并(bing)具有特定(ding)形態(tài)且不易(yi)形變的食品，可(ke)分為干(gan)固體食品(pin)（如餅干、堅(jian)果、硬果糖等(deng)）和濕固體食品(pin)（如蘋果、梨(li)等）。當外應力超(chao)出其屈服(fu)閾值(zhi)時，固體食品會(hui)直接(jie)斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體食品(pin)是指那些無(wu)法抗拒(ju)重力并(bing)不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由流動的(de)食品，這類(lei)食品以其(qi)裝載(zai)的容器的形(xing)態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(ying)力就(jiu)可引起顯(xian)著的形變(bian)。軟固體則介(jie)于兩者之間(jian)，可抗拒重(zhong)力并保持(chi)一定的形態(tài)，但(dan)在弱外應(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變(bian)，并最(zui)終破(po)裂。

固體食(shi)品的三維(wei)質構模型

圖1. 固體(ti)食品形變時(shi)應力與應變(bian)之間的(de)典型關系(xi)

食品(pin)的質(zhi)構性質本質上(shang)是食品(pin)形變特(te)征的口腔感受(shou)，與食品的(de)材料性質(zhi)直接相(xiang)關。而(er)對于不(bu)同的食品材料(liao)，形變的內在(zai)決定因素有著(zhe)很大的區(qū)(qu)別。對于固體食(shi)品，其(qi)形變程度與形(xing)變所需的能(neng)量是(shi)兩個最重要的(de)物理變量，也直(zhi)接為消費(fei)者所感知(zhi)。很幸運的是，這(zhe)兩個物(wu)理變量(liang)都有準確的物(wu)理定義并(bing)可以被客觀(guan)的量化測量。圖(tu)1所示既是固(gu)體食品的應力(li)與形變之間的(de)關系，而形變(bian)所需的能量(liang)（或所作(zuo)的功）則為應力(li)與形變(bian)距離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應力(li)線下方的(de)面積。一(yi)般可以根據(jù)(ju)食品(pin)形變所需的(de)應力大小將(jiang)食品材料大致(zhi)分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的(de)能量(liang)大小則可(ke)將食品材料(liao)分為(wei)強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表現(xiàn)(xian)為四種(zhong)典型的食(shi)品材料(liao)：(a)硬且弱(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(ran)，固體食品的(de)質構(gou)性質除了(le)其形(xing)變程度(du)與形變能量(liang)外，還有一(yi)項非常重要的(de)體驗(yan)是其破碎(sui)程度(du)。基于這樣的思(si)考，我(wo)們將固體(ti)食品的質構(gou)性質用三個維(wei)度來量(liang)化描(miao)述：強(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別(bie)用六(liu)個熟悉的感官(guan)用語予以(yi)錨定：強(qiang)度維度分(fen)別為強(qiang)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎性(xing)(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個維(wei)度的量化數(shù)值(zhi)把固體(ti)食品分(fen)為八(ba)個類別，其質構(gou)特征描述(shu)見表1。

圖2. 固體食(shi)品材料質構(gou)特性的三(san)維模型(xing)

表1. 一些典型固體(ti)食品質構特征(zheng)的三維(wei)分布(bu)

表1中三個維(wei)度變量(liang)中，強度具有(you)能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大(da)形變時的(de)應力(li)來表示，具(ju)有應力單位（Pa）,而破碎(sui)度可用破碎(sui)前后的顆粒大(da)小分布或破(po)碎前后的總表(biao)面積相(xiang)比來量化，不(bu)具量綱(gang)。

流體食(shi)品的質構模型(xing)

與固體食品(pin)不同，流體(ti)食品(pin)形變時除了其(qi)形變程度和(he)形變所需(xu)能量外，其(qi)形變所(suo)需的時(shi)間也是極(ji)其重要(yao)的參(can)考參數(shù)。單位(wei)時間的形變(bian)程度(du)體現(xiàn)流體(ti)食品在外應(ying)力作用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的速度或(huo)速率(lv)，直接(jie)影響材(cai)料形變(bian)過程中材料內(nei)部的能量狀(zhuang)況，是儲(chu)存于材(cai)料內部還是通(tong)過其他(ta)形式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

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

圖3給出了流體材(cai)料的形變關系(xi)，對比圖1的固體材料形(xing)變，其橫(heng)坐標的(de)形變程度已為(wei)形變速率（定義(yi)為單位時間(jian)的形變(bian)量）所替代。不(bu)同的流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不同的(de)應力(li)與形變速率的(de)關系，如牛頓(dun)流體，剪切切稀(xi)流體，剪切(qie)切稠流體(ti)，觸變(bian)性流體等。

雖然上(shang)述的(de)流變行為能準(zhun)確描述(shu)流體食品(pin)形變的基(ji)本行為或所需(xu)外應力(li)（能量）的關(guan)系，但(dan)是卻不能顯示(shi)外應力(li)形變(bian)后的能量儲(chu)存與(yu)耗散的情(qing)況。這一(yi)點對于流(liu)體食品非常重(zhong)要，關系到流(liu)體食品(pin)在外應力(li)消失后，是(shi)否能夠彈性(xing)恢復(fu)原來的形狀。這(zhe)個性質在流(liu)變學中稱(cheng)為黏彈性，并(bing)可以用(yong)大形變振幅方(fang)法來準確測(ce)量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端情況：前(qian)者意味著流體(ti)會像彈簧一樣(yang)儲存形變時的(de)所有外加能量(liang)，當外力取(qu)消后，流體(ti)能wanquan恢復到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角)，后者則指(zhi)流體像(xiang)水一樣，不具任(ren)何能量儲存能(neng)力，所有(you)外加的(de)形變(bian)能量都會因(yin)分子或顆(ke)粒摩擦被(bei)轉變?yōu)闊崮懿?bing)耗散（相(xiang)角90度)。大部分流體(ti)食品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一(yi)定的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以(yi)45度相角為(wei)黏彈(dan)性的切分(fen)點，小于45度彈性為主，大(da)于45度則黏(nian)性為主。

當然，流體(ti)食品黏(nian)彈性的表征稍(shao)顯復雜，它與形(xing)變速率(lv)或頻(pin)率直接相(xiang)關。一(yi)般情況下(xia)，當形變振幅的(de)頻率增(zeng)加時，流(liu)體食品的(de)彈性傾向加(jia)強；而當形變(bian)振幅(fu)的頻(pin)率降低時，流體(ti)食品的黏(nian)性性質會更加(jia)突出(chu)。

圖4. 流體食品(pin)質構(gou)特性的三維模(mo)型

把流體材料(liao)的這些本質(zhi)特征組合可(ke)以形成另(ling)一個三(san)維度的質構(gou)模型，見圖(tu)4三個(ge)維度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動行為(wei)指數(shù)(shu)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(yu)來表達（見(jian)表2）。

表2. 流體食品質(zhi)構特性的(de)三維模型說(shuo)明

軟固體的質(zhi)構模型

上述的三維模(mo)型可以準確(que)描述大(da)部分(fen)固體和流(liu)體食品的質構(gou)特征(zheng)，形成食(shi)品質(zhi)構的空間分布(bu)圖，以準確(que)區(qū)別不同食品(pin)的質(zhi)構特征。但(dan)是如何處理(li)軟固體或(huo)半固體食(shi)品，目前還沒(mei)有一個好的辦(ban)法。軟固體食品(pin)是非常廣泛(fan)的食品(pin)體系，包含質構(gou)性質由形變(bian)程度起主導(dao)作用的(de)軟固(gu)體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果(guo)凍、凝膠類食(shi)品），和質構性質(zhi)由形(xing)變速(su)率起主導作(zuo)用的軟(ruan)固體（如酸(suan)奶和(he)其他糊(hu)狀類食品）。如此(ci)廣泛差異的質(zhi)構性質(zhi)難以(yi)用一個模型來(lai)形容(rong)，作為一(yi)個大致的方(fang)法，可以根據(jù)(ju)軟固(gu)體食品的形變(bian)程度和形變(bian)速率的作(zuo)用程度，決(jue)定采(cai)用近似固體處(chu)理或近似流(liu)體處理(li)。前者可以固體(ti)食品的三(san)維模(mo)型處理(li)，而后者基本(ben)上可以(yi)參照流體食(shi)品的(de)質構(gou)模型來(lai)處理。

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三維模(mo)型的局限(xian)性

本文提出的(de)食品質構三(san)維模(mo)型，突破(po)了食品質構(gou)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是模(mo)型的應(ying)用仍(reng)有一定的(de)局限性。首先，食(shi)品質構三維模(mo)型只能適用(yong)于均相的食(shi)品體系，對(dui)于多相(xiang)混雜的食品(pin)（例如(ru)夾心(xin)餅干等），其質構(gou)特征則應(ying)該分相描述。第(di)二，三維質構(gou)模型亦不能描(miao)述一些與分散(san)體系(xi)相關的質構(gou)性質(zhi)。分散體系食(shi)品常常包含分(fen)散顆粒，雖為(wei)均相分布(bu)，但是這些(xie)分散顆(ke)粒除(chu)了影響(xiang)整體材料性質(zhi)外，還會(hui)帶來一些與(yu)顆粒相關的(de)特殊的質構(gou)口感特(te)征，如顆粒感(gan)、粉感等(deng)。另外，食品質(zhi)構的三維模型(xing)也不包括因(yin)食物入口后(hou)與唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)(chan)生成(cheng)分或微(wei)結構變化(hua)因而引起(qi)的質構特征，如(ru)澀感、滑溜感(gan)等。

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食品(pin)質構數(shù)字(zi)化

食品質構分(fen)析雖然(ran)已經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhi)構儀等(deng)一些成(cheng)熟的測(ce)量技術(shu)，但是流變儀測(ce)量的結果往往(wang)因其過于(yu)基礎性(xing)，缺乏(fa)與質構口感性(xing)質的直接對(dui)應，而不被食(shi)品工業(yè)(ye)所接受。而食品(pin)質構儀測量(liang)只能(neng)是相對的(de)測量，很大程度(du)上只是定性(xing)測量，其測(ce)量的方式(shi)和測量(liang)的結果缺(que)乏明(ming)確的標(biao)準，各(ge)實驗室之間(jian)的質構分析結(jie)果無法(fa)直接(jie)比較。zui明(ming)顯的例子(zi)是文獻上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的質(zhi)構剖(pou)析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被嚴重(zhong)誤用(yong)的情況。我們試(shi)圖從食品(pin)材料(liao)的形變原理(li)出發(fā)，揭示食品(pin)質構性質和(he)感官的食品材(cai)料學本質。食(shi)品質構(gou)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點是(shi)可以將各類食(shi)品材料進行可(ke)比較的量化(hua)分析，從(cong)而建(jian)立食(shi)品體系(xi)的質構三維(wei)譜圖分布，區(qū)(qu)分各(ge)食品之間(jian)的微妙的質構(gou)差異，為建(jian)立食品(pin)質構數(shù)字(zi)化體(ti)系提供了可(ke)靠的理(li)論依據(jù)(ju)。

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原文由(you)英國諾丁漢大(da)學Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者(zhe)）與浙江工(gong)商大(da)學陳建(jian)設教授（通(tong)訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新(xin)整理(li)寫作，有些(xie)地方對(dui)原文稍(shao)有修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中，馬添(tian)先生提出(chu)許多建設性的(de)建議。