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(xiang)食物(wu)在口腔(qiang)中的風(fēng)味(wei)釋放與體(ti)驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年中，食(shi)品工業(yè)和食(shi)品科(ke)學(xué)界(jie)一直致力建(jian)立可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(píng)測(cè)(ce)的客觀方法(fa)，雖然取(qu)得了許(xu)多進(jìn)展，但是無(wú)(wu)論在食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測(cè)量技(ji)術(shù)方面，都還(hai)存在許(xu)多問題，無(wú)法準(zhǔn)(zhun)確解(jie)釋消費(fèi)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)原理(li)，也不能很好滿(man)足食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的需(xu)求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的(de)難點(diǎn)在于(yu)其多維(wei)度和多(duo)尺度共存的(de)本質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是與(yu)食品材料物(wu)性相關(guān)的且能(neng)被消費(fèi)者(zhe)感知的一(yi)系列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)雜(za)且微(wei)妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性，其(qi)相對(duì)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性質(zhì)具有(you)多重與動(dòng)(dong)態(tài)的特(te)征。因(yin)此很(hen)難期(qi)待用單一的方(fang)法來(lai)描述(shu)或測(cè)量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性原理，浙(zhe)江工商大學(xué)(xue)食品(pin)口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)室(shi)陳建(jian)設(shè)教授(shou)與英國(guó)(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)(fa)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并以(yi)此準(zhǔn)確(que)量化不同食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(gè)新模(mo)型的提(ti)出，使得建立(li)食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成(cheng)為可能，也為(wei)數(shù)字化時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語(yǔ)描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描(miao)述提供了(le)理論(lun)依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分類有(you)很多種方(fang)法，最常見(jian)的是依據(jù)食品(pin)的形態(tài)(tai)，將其(qi)分為三(san)大類：固(gu)體食品，軟（半）固(gu)體食(shi)品，流(liu)體食(shi)品。固體食(shi)品泛指那(na)些可以抗拒重(zhong)力并具有(you)特定形態(tài)且不(bu)易形變的(de)食品，可分為(wei)干固體食品（如(ru)餅干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖(tang)等）和濕固體(ti)食品（如蘋果(guo)、梨等）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈(qu)服閾值(zhi)時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直(zhi)接斷裂或脆(cui)裂。流體食(shi)品是指那些(xie)無(wú)法(fa)抗拒重力(li)并不具(ju)自我(wo)形態(tài)的可自(zi)由流動(dòng)的(de)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)，極微小(xiao)的應(yīng)(ying)力就(jiu)可引(yin)起顯著的(de)形變。軟(ruan)固體則介于(yu)兩者之(zhi)間，可抗(kang)拒重力并保持(chi)一定的形(xing)態(tài)，但(dan)在弱外(wai)應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終(zhong)破裂。

固體食(shi)品的三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

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

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形(xing)變特征的口腔(qiang)感受(shou)，與食品的材(cai)料性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)于不同(tong)的食品(pin)材料，形變的內(nèi)(nei)在決定因(yin)素有著很大的(de)區(qū)別。對(duì)于(yu)固體(ti)食品，其形變(bian)程度(du)與形變(bian)所需的能量是(shi)兩個(gè)最重要的(de)物理變量(liang)，也直接為消費(fèi)(fei)者所感知。很(hen)幸運(yùn)的是，這(zhe)兩個(gè)物(wu)理變量(liang)都有準(zhǔn)確的物(wu)理定義(yi)并可以被客(ke)觀的量化測(cè)(ce)量。圖1所示(shi)既是固(gu)體食品的應(yīng)(ying)力與(yu)形變之間的(de)關(guān)系，而(er)形變所需的(de)能量（或(huo)所作的功）則(ze)為應(yīng)力與(yu)形變距離(li)的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線下(xia)方的面積。一般(ban)可以根據(jù)食(shi)品形變(bian)所需的應(yīng)力(li)大小將食(shi)品材料(liao)大致(zhi)分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變(bian)所需的能(neng)量大小則可(ke)將食品材料(liao)分為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四(si)種典型的食品(pin)材料(liao)：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了其形變(bian)程度與形變(bian)能量外(wai)，還有一項(xiàng)(xiang)非常重要的(de)體驗(yàn)(yan)是其(qi)破碎程度(du)?；谶@樣(yang)的思考，我(wo)們將固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)(ge)維度來量化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六(liu)個(gè)終端分別(bie)用六個(gè)熟(shu)悉的感官用(yong)語(yǔ)予以錨(mao)定：強(qiáng)度維度(du)分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三(san)個(gè)維度的(de)量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食品(pin)分為八個(gè)類(lei)別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模(mo)型

表1. 一些典型固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分(fen)布

表1中三(san)個(gè)維度變(bian)量中，強(qiáng)度具有(you)能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最(zui)大形變(bian)時(shí)的應(yīng)力來表(biao)示，具有應(yīng)(ying)力單位（Pa）,而破(po)碎度可用破(po)碎前后(hou)的顆粒(li)大小分布或(huo)破碎前后的總(zong)表面(mian)積相比來(lai)量化，不具量(liang)綱。

流體(ti)食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體食品(pin)不同，流體(ti)食品形變時(shí)(shi)除了其形(xing)變程度(du)和形變所需能(neng)量外，其(qi)形變所需的時(shí)(shi)間也是極其(qi)重要(yao)的參考參數(shù)(shu)。單位時(shí)(shi)間的形變程(cheng)度體現(xiàn)(xian)流體食品在(zai)外應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生形變的(de)速度或速(su)率，直接影(ying)響材料形(xing)變過程中材料(liao)內(nèi)部的能量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存于材(cai)料內(nèi)部還是通(tong)過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散(san)。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動(dòng)時(shí)的剪(jian)切應(yīng)力與(yu)剪切速率之(zhi)間的幾種典(dian)型關(guān)系

圖3給出了流體材(cai)料的(de)形變(bian)關(guān)系，對(duì)(dui)比圖1的固體材(cai)料形變(bian)，其橫(heng)坐標(biāo)的形變程(cheng)度已為形(xing)變速(su)率（定義(yi)為單(dan)位時(shí)(shi)間的形(xing)變量）所(suo)替代。不同(tong)的流體材(cai)料表現(xiàn)為(wei)非常不同(tong)的應(yīng)力與形(xing)變速率(lv)的關(guān)系(xi)，如牛頓流體，剪(jian)切切(qie)稀流體，剪切(qie)切稠(chou)流體，觸變(bian)性流體等(deng)。

雖然上述的(de)流變行為能準(zhǔn)(zhun)確描述流(liu)體食品形變的(de)基本行為或(huo)所需外應(yīng)力(li)（能量）的(de)關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量?jī)?chǔ)存與(yu)耗散的情(qing)況。這(zhe)一點(diǎn)對(duì)(dui)于流體(ti)食品非常重(zhong)要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)(ying)力消失后(hou)，是否能(neng)夠彈性恢(hui)復(fù)原來的形狀(zhuang)。這個(gè)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振幅方(fang)法來準(zhǔn)(zhun)確測(cè)(ce)量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是它(ta)的兩個(gè)ji端情況(kuang)：前者意(yi)味著流體會(huì)像(xiang)彈簧一樣儲(chǔ)存(cun)形變時(shí)的所(suo)有外加(jia)能量，當(dāng)外(wai)力取(qu)消后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度(du)相角(jiao))，后者則指(zhi)流體(ti)像水一(yi)樣，不具任(ren)何能量?jī)?chǔ)存(cun)能力，所(suo)有外加的(de)形變能(neng)量都會(huì)因分(fen)子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相角90度)。大部(bu)分流體食品即(ji)有一定的彈(dan)性也有(you)一定的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角為黏彈(dan)性的切(qie)分點(diǎn)，小于(yu)45度彈性為(wei)主，大于(yu)45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食(shi)品黏(nian)彈性的(de)表征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形變(bian)速率或頻(pin)率直接相關(guān)(guan)。一般情況(kuang)下，當(dāng)(dang)形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時(shí)，流(liu)體食品的彈性(xing)傾向加強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變振幅(fu)的頻率(lv)降低時(shí)，流(liu)體食品的黏性(xing)性質(zhì)會(huì)更(geng)加突(tu)出。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型

把流體材料的(de)這些(xie)本質(zhì)(zhi)特征組(zu)合可以形(xing)成另(ling)一個(gè)三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個(gè)(ge)維度分(fen)別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流(liu)動(dòng)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六個(gè)末端(duan)也可以用感官(guan)詞語(yǔ)來表達(dá)(da)（見表2）。

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

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述(shu)的三維模型可(ke)以準(zhǔn)(zhun)確描(miao)述大部分(fen)固體和(he)流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征，形成(cheng)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間(jian)分布圖(tu)，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是(shi)如何處(chu)理軟固(gu)體或半(ban)固體食品，目(mu)前還(hai)沒有一(yi)個(gè)好的辦法(fa)。軟固體食品是(shi)非常廣泛的(de)食品體(ti)系，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變程度(du)起主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍(dong)、凝膠類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變(bian)速率(lv)起主導(dǎo)作用的(de)軟固體（如酸(suan)奶和其(qi)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(gè)模型來形容(rong)，作為(wei)一個(gè)大(da)致的方(fang)法，可以根(gen)據(jù)軟固體食品(pin)的形變程度(du)和形(xing)變速率的作用(yong)程度，決定(ding)采用(yong)近似固(gu)體處理或近似(shi)流體處理(li)。前者(zhe)可以(yi)固體食(shi)品的三維(wei)模型處(chu)理，而后(hou)者基本上(shang)可以參照流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處理(li)。

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三維(wei)模型的局(ju)限性(xing)

本文提出的(de)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模型(xing)的應(yīng)用仍有(you)一定的(de)局限(xian)性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能適用于(yu)均相的食品(pin)體系(xi)，對(duì)于(yu)多相混(hun)雜的食品（例(li)如夾心餅干(gan)等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)(ying)該分相描述。第(di)二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)亦不能描述(shu)一些與(yu)分散體(ti)系相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散(san)體系食品常常(chang)包含分散(san)顆粒，雖為(wei)均相分布，但(dan)是這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整體材(cai)料性(xing)質(zhì)外(wai)，還會(huì)(hui)帶來一(yi)些與顆粒相關(guān)(guan)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆(ke)粒感、粉感等(deng)。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型(xing)也不包(bao)括因食物入口(kou)后與唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)生(sheng)成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化因(yin)而引(yin)起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如澀(se)感、滑(hua)溜感(gan)等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析雖然(ran)已經(jīng)(jing)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一(yi)些成熟的(de)測(cè)量技術(shù)，但(dan)是流變儀(yi)測(cè)量(liang)的結(jié)果往往(wang)因其過于基礎(chǔ)(chu)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口感性質(zhì)(zhi)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食(shi)品工業(yè)所接(jie)受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(cè)(ce)量只能是相對(duì)(dui)的測(cè)量，很大程(cheng)度上(shang)只是定(ding)性測(cè)量，其(qi)測(cè)量的(de)方式和測(cè)量的(de)結(jié)果缺(que)乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)室(shi)之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析結(jié)果無(wú)(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的例子(zi)是文獻(xiàn)(xian)上廣泛(fan)報(bào)道的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺(que)陷和被(bei)嚴(yán)重誤(wu)用的(de)情況。我們(men)試圖從食(shi)品材(cai)料的(de)形變?cè)?yuan)理出(chu)發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)和感官(guan)的食品材料(liao)學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型的(de)zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以將各(ge)類食品材(cai)料進(jìn)(jin)行可比較的量(liang)化分(fen)析，從而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維譜圖(tu)分布(bu)，區(qū)分各(ge)食品(pin)之間的微(wei)妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體(ti)系提(ti)供了可靠的(de)理論(lun)依據(jù)。

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原文(wen)由英國(guó)(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳(chen)建設(shè)教授（通訊(xun)作者）合作完(wan)成，發(fā)表在(zai)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)地方對(duì)(dui)原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝：本文(wen)寫作過程中(zhong)，馬添(tian)先生提出(chu)許多建設(shè)(she)性的(de)建議。