食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系到(dao)食品(pin)的口感，也顯著(zhu)影響(xiang)食物在(zai)口腔(qiang)中的風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)。過(guo)去數(shù)(shu)十年中，食(shi)品工業(yè)和食(shi)品科學(xué)(xue)界一直致力(li)建立可行(xing)的食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測(cè)的(de)客觀方法，雖(sui)然取得了許(xu)多進(jìn)展，但(dan)是無論(lun)在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還(hai)是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)分析測(cè)量技(ji)術(shù)方面，都還(hai)存在許多問題(ti)，無法(fa)準(zhǔn)確解釋(shi)消費(fèi)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背(bei)后的(de)復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理，也不(bu)能很(hen)好滿足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量(liang)控制的需求(qiu)。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析的難(nan)點(diǎn)在于其(qi)多維(wei)度和(he)多尺度共(gong)存的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食品材料(liao)物性相關(guān)的且(qie)能被消費(fèi)者(zhe)感知的一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包(bao)含很(hen)多復(fù)(fu)雜且微(wei)妙變化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其相對(duì)應(yīng)(ying)的材料學(xué)性質(zhì)(zhi)具有(you)多重(zhong)與動(dòng)態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待用單一的(de)方法來(lai)描述或測(cè)量食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于(yu)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性原(yuan)理，浙江工(gong)商大學(xué)食品口(kou)腔加工實(shí)驗(yàn)(yan)室陳建設(shè)教授(shou)與英國(guó)諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食品(pin)材料學(xué)和物(wu)性學(xué)原理(li)出發(fā)，提(ti)出了食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，并以此(ci)準(zhǔn)確量化不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模型(xing)的提出(chu)，使得建立(li)食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能，也為數(shù)(shu)字化時(shí)代(dai)將傳(chuan)統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述(shu)提供(gong)了理論依(yi)據(jù)。

食品的材(cai)料分類

食品的分(fen)類有很多(duo)種方法(fa)，最常見的(de)是依據(jù)食品的(de)形態(tài)(tai)，將其分(fen)為三大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品，流(liu)體食品。固體(ti)食品泛(fan)指那些可以(yi)抗拒重力并具(ju)有特定形態(tài)(tai)且不易(yi)形變(bian)的食品，可分為(wei)干固體食品（如(ru)餅干、堅(jiān)果、硬果(guo)糖等）和濕固(gu)體食(shi)品（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超(chao)出其屈服閾值(zhi)時(shí)，固體食品(pin)會(huì)直接斷(duan)裂或脆裂。流體(ti)食品是指(zhi)那些(xie)無法抗(kang)拒重力并不具(ju)自我形態(tài)(tai)的可自由(you)流動(dòng)的食品，這(zhe)類食品(pin)以其裝(zhuang)載的容器的(de)形態(tài)為形(xing)態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)力(li)就可引起顯著(zhu)的形變。軟固(gu)體則介于兩者(zhe)之間，可(ke)抗拒重(zhong)力并保持一定(ding)的形態(tài)，但在弱(ruo)外應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)生形(xing)變，并最終破裂(lie)。

固體食(shi)品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shí)應(yīng)(ying)力與應(yīng)(ying)變之間的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)(zhi)上是(shi)食品形(xing)變特征的口腔(qiang)感受，與(yu)食品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接(jie)相關(guān)。而對(duì)于(yu)不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nèi)(nei)在決(jue)定因(yin)素有著(zhe)很大的(de)區(qū)別。對(duì)于固(gu)體食品，其(qi)形變(bian)程度與(yu)形變(bian)所需的(de)能量是兩個(gè)(ge)最重要的物(wu)理變量，也直(zhi)接為消費(fèi)者所(suo)感知。很幸運(yùn)(yun)的是(shi)，這兩個(gè)物(wu)理變(bian)量都有準(zhǔn)確(que)的物理(li)定義并可(ke)以被客觀(guan)的量化測(cè)量。圖(tu)1所示既(ji)是固體食品的(de)應(yīng)力與形變之(zhi)間的關(guān)系，而(er)形變所需(xu)的能量（或所(suo)作的功）則為(wei)應(yīng)力與(yu)形變(bian)距離的(de)乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的面積(ji)。一般可以根據(jù)(ju)食品形變(bian)所需的應(yīng)力大(da)小將(jiang)食品材(cai)料大致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所(suo)需的能量(liang)大小則可將(jiang)食品材(cai)料分為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直(zhi)線表現(xiàn)(xian)為四種典型(xing)的食品材料(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)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了其(qi)形變程(cheng)度與形(xing)變能量外，還(hai)有一項(xiàng)(xiang)非常重(zhong)要的體驗(yàn)(yan)是其破碎(sui)程度。基于這樣(yang)的思(si)考，我們將固(gu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維度來量(liang)化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分別(bie)用六個(gè)熟悉的(de)感官用語予(yu)以錨(mao)定：強(qiáng)度(du)維度分別為強(qiáng)(qiang)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度(du)維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易碎性(xing)(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食(shi)品分為八個(gè)(ge)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三(san)維模(mo)型

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特(te)征的三維分(fen)布

表1中三(san)個(gè)維度變量(liang)中，強(qiáng)度具有(you)能量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力來(lai)表示，具有應(yīng)力(li)單位(wei)（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后(hou)的顆粒大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總表面積相(xiang)比來量化，不(bu)具量綱。

流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體食品(pin)形變時(shí)除了其(qi)形變程(cheng)度和形變所(suo)需能量外，其(qi)形變所(suo)需的時(shí)(shi)間也是極(ji)其重要的參(can)考參(can)數(shù)。單位時(shí)間(jian)的形變程度體(ti)現(xiàn)流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力(li)作用下(xia)產(chǎn)生形變的(de)速度或(huo)速率，直接(jie)影響材料(liao)形變過(guo)程中材料(liao)內(nèi)部的(de)能量狀況，是(shi)儲(chǔ)存于(yu)材料內(nèi)部還(hai)是通(tong)過其他形式(shi)（如熱(re)能）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力與剪(jian)切速率之間的(de)幾種(zhong)典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流(liu)體材料(liao)的形變關(guān)(guan)系，對(duì)比(bi)圖1的固(gu)體材料(liao)形變，其(qi)橫坐標(biāo)(biao)的形變(bian)程度已為形(xing)變速率(lv)（定義(yi)為單位(wei)時(shí)間(jian)的形變量(liang)）所替代(dai)。不同(tong)的流體材(cai)料表(biao)現(xiàn)為(wei)非常不(bu)同的應(yīng)力與(yu)形變速(su)率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀(xi)流體，剪(jian)切切(qie)稠流(liu)體，觸變性流體(ti)等。

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(ben)行為(wei)或所(suo)需外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)(guan)系，但(dan)是卻不能顯示(shi)外應(yīng)(ying)力形變后的能(neng)量?jī)?chǔ)存與耗散(san)的情況。這一點(diǎn)(dian)對(duì)于流體(ti)食品非常(chang)重要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)力消(xiao)失后(hou)，是否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的形(xing)狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流(liu)變學(xué)中(zhong)稱為黏彈(dan)性，并可以用(yong)大形(xing)變振幅方法來(lai)準(zhǔn)確測(cè)量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是(shi)它的兩個(gè)ji端情(qing)況：前者(zhe)意味著流體(ti)會(huì)像彈簧(huang)一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)(shi)的所有(you)外加(jia)能量，當(dāng)(dang)外力取(qu)消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lai)狀態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則(ze)指流體(ti)像水一(yi)樣，不具任何能(neng)量?jī)?chǔ)存能力，所(suo)有外加(jia)的形變能量都(dou)會(huì)因分子或(huo)顆粒摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能(neng)并耗散（相角90度)。大部(bu)分流體(ti)食品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一(yi)定的(de)黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以(yi)45度相(xiang)角為黏彈性(xing)的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性為(wei)主，大(da)于45度則黏性(xing)為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性(xing)的表(biao)征稍顯(xian)復(fù)雜(za)，它與形(xing)變速率或(huo)頻率直接相關(guān)(guan)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻(pin)率增(zeng)加時(shí)(shi)，流體食(shi)品的彈性傾向(xiang)加強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變(bian)振幅(fu)的頻率降(jiang)低時(shí)，流(liu)體食品的(de)黏性(xing)性質(zhì)會(huì)更加突(tu)出。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模(mo)型

把流體材料的(de)這些本質(zhì)(zhi)特征組合(he)可以形成另一(yi)個(gè)三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個(gè)維度(du)分別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的六(liu)個(gè)末端也可以(yi)用感官詞語(yu)來表達(dá)（見表(biao)2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維(wei)模型說(shuo)明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的(de)三維模型可以(yi)準(zhǔn)確描(miao)述大部分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布(bu)圖，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何(he)處理(li)軟固體(ti)或半固體(ti)食品，目(mu)前還沒有一個(gè)(ge)好的辦法。軟(ruan)固體(ti)食品是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變程度(du)起主導(dǎo)作(zuo)用的軟(ruan)固體(ti)（如面包(bao)、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體（如酸奶和(he)其他糊(hu)狀類食(shi)品）。如此廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)難以(yi)用一個(gè)(ge)模型來形容，作(zuo)為一個(gè)(ge)大致的方(fang)法，可以根據(jù)軟(ruan)固體食(shi)品的形變程度(du)和形變速率(lv)的作(zuo)用程度(du)，決定采(cai)用近似固(gu)體處理或(huo)近似流(liu)體處理。前者可(ke)以固體食品的(de)三維模型處理(li)，而后者(zhe)基本(ben)上可以參照(zhao)流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處(chu)理。

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三維模型的(de)局限性

本文提出(chu)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)三維模(mo)型，突破了食品(pin)質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)理(li)論，但(dan)是模型(xing)的應(yīng)用仍有(you)一定的(de)局限(xian)性。首先(xian)，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型只能適(shi)用于均(jun)相的食品體系(xi)，對(duì)于多相混雜(za)的食品（例如夾(jia)心餅干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相(xiang)描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能(neng)描述一些與(yu)分散(san)體系相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分散體(ti)系食品(pin)常常包含分散(san)顆粒，雖為均(jun)相分布，但是這(zhe)些分散(san)顆粒除了影響(xiang)整體材料性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)(hui)帶來一些(xie)與顆(ke)粒相(xiang)關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆粒感(gan)、粉感等(deng)。另外，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三(san)維模型也不(bu)包括因食物(wu)入口后與唾(tuo)液相互作用(yong)而產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)(gou)變化因而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀感、滑(hua)溜感等(deng)。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已(yi)經(jīng)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟的測(cè)(ce)量技術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀(yi)測(cè)量的(de)結(jié)果往往因其(qi)過于基礎(chǔ)(chu)性，缺乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口感性質(zhì)的(de)直接對(duì)(dui)應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)(ye)所接受(shou)。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量(liang)只能(neng)是相對(duì)的測(cè)量(liang)，很大程(cheng)度上只是(shi)定性測(cè)量，其測(cè)(ce)量的(de)方式和測(cè)量(liang)的結(jié)果(guo)缺乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之(zhi)間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無(wu)法直接比較(jiao)。zui明顯的例子(zi)是文(wen)獻(xiàn)上廣泛報(bào)(bao)道的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯(xian)的缺陷和被嚴(yán)(yan)重誤(wu)用的(de)情況。我(wo)們?cè)噲D從食(shi)品材料的(de)形變?cè)?li)出發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的(de)食品材料(liao)學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型的zui大(da)優(yōu)點(diǎn)是可以(yi)將各類食(shi)品材料(liao)進(jìn)行可(ke)比較的量(liang)化分析，從而建(jian)立食品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布(bu)，區(qū)分各食品之(zhi)間的微(wei)妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)體系提(ti)供了可靠(kao)的理論(lun)依據(jù)。

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原文由(you)英國(guó)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者）與(yu)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(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文(wen)重新整理寫作(zuo)，有些地方對(duì)(dui)原文稍有修(xiu)改。

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致謝：本文寫(xie)作過程中，馬添(tian)先生提出許多(duo)建設(shè)(she)性的(de)建議。