食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不(bu)僅直接(jie)關(guān)系到食品(pin)的口(kou)感，也顯著(zhu)影響食物(wu)在口腔(qiang)中的風(fēng)(feng)味釋放與體(ti)驗。過(guo)去數(shù)十(shi)年中，食品工業(yè)(ye)和食品(pin)科學(xué)界一(yi)直致力建(jian)立可行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(ping)測的客(ke)觀方法，雖然取(qu)得了許多進(jìn)(jin)展，但(dan)是無論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還(hai)是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技(ji)術(shù)方面(mian)，都還存(cun)在許多問題，無(wu)法準(zhǔn)(zhun)確解釋(shi)消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)雜(za)物理(li)學(xué)原理(li)，也不能(neng)很好滿(man)足食品(pin)工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的需(xu)求。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的難(nan)點在于其多維(wei)度和多尺(chi)度共存(cun)的本質(zhì)(zhi)特點。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實質(zhì)上(shang)是與食品材料(liao)物性相關(guān)的(de)且能被消(xiao)費者感知的(de)一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含(han)很多復(fù)雜(za)且微妙變化(hua)的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬(shu)性，其相(xiang)對應(yīng)(ying)的材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與動(dong)態(tài)的特征(zheng)。因此很(hen)難期待(dai)用單(dan)一的方法(fa)來描述(shu)或測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的多維性原(yuan)理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實驗室陳(chen)建設(shè)(she)教授(shou)與英(ying)國諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合(he)作，從食品材(cai)料學(xué)和(he)物性(xing)學(xué)原理(li)出發(fā)，提(ti)出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準(zhǔn)(zhun)確量化不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這(zhe)個新模型的(de)提出，使得建(jian)立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能，也為數(shù)字(zi)化時(shi)代將傳(chuan)統(tǒng)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描(miao)述提供了理(li)論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分(fen)類有很(hen)多種方法(fa)，最常(chang)見的是依據(jù)食(shi)品的形態(tài)，將其(qi)分為(wei)三大類：固體食(shi)品，軟（半）固體(ti)食品，流體(ti)食品。固體食品(pin)泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力并(bing)具有(you)特定(ding)形態(tài)(tai)且不易形變(bian)的食品(pin)，可分為干固體(ti)食品（如餅干(gan)、堅果、硬果糖等(deng)）和濕固(gu)體食品（如(ru)蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力超出(chu)其屈服閾(yu)值時，固體食品(pin)會直接(jie)斷裂或(huo)脆裂。流(liu)體食品是指那(na)些無法(fa)抗拒重力(li)并不具自(zi)我形態(tài)的(de)可自由流動(dong)的食品，這類(lei)食品以其裝載(zai)的容器的形(xing)態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)(ying)力就可(ke)引起(qi)顯著的形(xing)變。軟(ruan)固體則介于兩(liang)者之間(jian)，可抗(kang)拒重力并保(bao)持一定的形態(tài)(tai)，但在弱外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)，并最終破裂(lie)。

固體(ti)食品(pin)的三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體(ti)食品形變(bian)時應(yīng)(ying)力與(yu)應(yīng)變之間的(de)典型關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)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)直接(jie)相關(guān)。而對于不(bu)同的食品材(cai)料，形變的(de)內(nèi)在決定(ding)因素(su)有著很大的(de)區(qū)別。對于固(gu)體食(shi)品，其形變程(cheng)度與形變所需(xu)的能量是兩(liang)個最重(zhong)要的物(wu)理變量，也(ye)直接為消(xiao)費者所(suo)感知(zhi)。很幸運的(de)是，這(zhe)兩個物(wu)理變量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理(li)定義并可以(yi)被客觀的量(liang)化測量。圖(tu)1所示既是(shi)固體食品的應(yīng)(ying)力與(yu)形變之間的關(guān)(guan)系，而形變(bian)所需(xu)的能量（或(huo)所作的(de)功）則(ze)為應(yīng)力與形(xing)變距(ju)離的(de)乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方的面積(ji)。一般(ban)可以根據(jù)食(shi)品形(xing)變所需(xu)的應(yīng)力(li)大小將(jiang)食品材料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變(bian)所需(xu)的能量大小則(ze)可將食品材(cai)料分為(wei)強(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的(de)四條(tiao)直線表現(xiàn)為(wei)四種典型的(de)食品(pin)材料：(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(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)除了(le)其形變程度與(yu)形變能量(liang)外，還有(you)一項非常(chang)重要的體(ti)驗是其(qi)破碎程度(du)?；谶@樣的思(si)考，我們將固(gu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)用三個維度來(lai)量化(hua)描述(shu)：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度的(de)六個終端分(fen)別用六個(ge)熟悉的感(gan)官用語予以錨(mao)定：強(qiang)度維度(du)分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分(fen)別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎維(wei)度分別為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個維(wei)度的量(liang)化數(shù)值(zhi)把固體食品分(fen)為八(ba)個類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述(shu)見表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

表1. 一些(xie)典型固(gu)體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特征的三(san)維分布

表1中三個維(wei)度變量中(zhong)，強度具有能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度(du)可用最(zui)大形變(bian)時的應(yīng)力(li)來表示，具有(you)應(yīng)力(li)單位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎(sui)前后的顆粒(li)大小(xiao)分布或破(po)碎前后的總(zong)表面積相比來(lai)量化，不具(ju)量綱(gang)。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型

與固(gu)體食(shi)品不同，流體食(shi)品形變時(shi)除了其形變(bian)程度和形變(bian)所需能量(liang)外，其形變(bian)所需(xu)的時間也(ye)是極其(qi)重要的(de)參考參數(shù)(shu)。單位時間的(de)形變程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生(sheng)形變的速度(du)或速率，直(zhi)接影響材料形(xing)變過程中(zhong)材料內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲存于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通過其他(ta)形式(shi)（如熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流動(dong)時的剪切(qie)應(yīng)力與(yu)剪切速(su)率之間的幾(ji)種典(dian)型關(guān)系

圖3給出了流體(ti)材料的形變關(guān)(guan)系，對比圖1的固體材料(liao)形變，其(qi)橫坐標(biāo)的(de)形變程度(du)已為形變速率(lv)（定義(yi)為單位時間的(de)形變(bian)量）所(suo)替代。不同的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為非常不同(tong)的應(yīng)力與形變(bian)速率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體(ti)，剪切切稀流(liu)體，剪切(qie)切稠流體(ti)，觸變(bian)性流(liu)體等(deng)。

雖然上述的流(liu)變行(xing)為能準(zhǔn)確(que)描述流體食品(pin)形變的基(ji)本行為(wei)或所需外應(yīng)力(li)（能量）的關(guān)(guan)系，但是(shi)卻不能顯示外(wai)應(yīng)力形變(bian)后的能量(liang)儲存與耗(hao)散的情況。這(zhe)一點對于流體(ti)食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體(ti)食品在(zai)外應(yīng)力(li)消失后(hou)，是否能夠彈(dan)性恢(hui)復(fù)原來的形(xing)狀。這個性質(zhì)在(zai)流變學(xué)中稱(cheng)為黏彈性，并可(ke)以用大(da)形變(bian)振幅方法(fa)來準(zhǔn)確(que)測量。wanquan彈性或wanquan黏性(xing)是它的(de)兩個ji端情況(kuang)：前者(zhe)意味著流體會(hui)像彈簧一樣(yang)儲存形變時的(de)所有外(wai)加能(neng)量，當(dāng)外(wai)力取消(xiao)后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則指流體(ti)像水一(yi)樣，不具(ju)任何能量(liang)儲存能力，所有(you)外加的形變(bian)能量都會因分(fen)子或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能(neng)并耗散(san)（相角90度)。大部(bu)分流體(ti)食品即(ji)有一定的(de)彈性也(ye)有一定的黏性(xing)，相角(jiao)介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的(de)切分(fen)點，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則(ze)黏性(xing)為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品(pin)黏彈性(xing)的表征(zheng)稍顯(xian)復(fù)雜，它與形變(bian)速率或頻率(lv)直接相關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)形變(bian)振幅的頻(pin)率增加時，流體(ti)食品的彈性傾(qing)向加(jia)強；而當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率(lv)降低時，流(liu)體食品的(de)黏性性(xing)質(zhì)會更加突(tu)出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模型

把流體材料(liao)的這些(xie)本質(zhì)特征組(zu)合可以形成(cheng)另一個三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖(tu)4三個維度(du)分別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性(xing)（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的(de)六個(ge)末端也可(ke)以用感官(guan)詞語來表(biao)達(dá)（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

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的(de)三維模(mo)型可以(yi)準(zhǔn)確描述(shu)大部分固體(ti)和流體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不同食品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處理(li)軟固體或半固(gu)體食品，目前(qian)還沒(mei)有一個(ge)好的辦(ban)法。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形變(bian)程度起主導(dǎo)作(zuo)用的軟固(gu)體（如面(mian)包、饅頭(tou)、豆腐、果(guo)凍、凝膠類食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)作(zuo)用的軟固(gu)體（如酸(suan)奶和其(qi)他糊狀類食(shi)品）。如(ru)此廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以用一個模(mo)型來形容，作(zuo)為一個大致的(de)方法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品的形(xing)變程(cheng)度和形變速率(lv)的作(zuo)用程度，決定采(cai)用近似固體(ti)處理或近(jin)似流體(ti)處理(li)。前者可以固體(ti)食品的三維模(mo)型處理(li)，而后(hou)者基本上可以(yi)參照流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理(li)。

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三維(wei)模型的局(ju)限性

本文提出(chu)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，突破(po)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是(shi)模型(xing)的應(yīng)用仍有一(yi)定的局限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型只能(neng)適用(yong)于均(jun)相的食(shi)品體系(xi)，對于多相(xiang)混雜的(de)食品（例(li)如夾心餅(bing)干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)該(gai)分相描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不(bu)能描述一些(xie)與分散體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體(ti)系食(shi)品常(chang)常包(bao)含分(fen)散顆粒，雖為均(jun)相分布，但是這(zhe)些分散顆粒除(chu)了影響整體材(cai)料性質(zhì)外，還(hai)會帶來一(yi)些與顆(ke)粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感(gan)特征(zheng)，如顆粒(li)感、粉感(gan)等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的三(san)維模(mo)型也不包括(kuo)因食物入口后(hou)與唾液相互(hu)作用而(er)產(chǎn)生成(cheng)分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑(hua)溜感(gan)等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然已(yi)經(jīng)有如流(liu)變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成熟(shu)的測量技(ji)術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀測量的(de)結(jié)果(guo)往往(wang)因其過于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的直(zhi)接對應(yīng)(ying)，而不被(bei)食品(pin)工業(yè)所接受(shou)。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測量(liang)只能是相對(dui)的測量(liang)，很大(da)程度上只是定(ding)性測量，其測(ce)量的方式(shi)和測量的結(jié)果(guo)缺乏明(ming)確的標(biāo)準(zhǔn)，各實(shi)驗室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法直(zhi)接比較。zui明顯(xian)的例子是文獻(xiàn)(xian)上廣(guang)泛報道(dao)的所謂(wei)的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖(pou)析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重誤(wu)用的情況。我們(men)試圖(tu)從食品材料(liao)的形變原理出(chu)發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食(shi)品材(cai)料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型(xing)的zui大優(yōu)點(dian)是可以將(jiang)各類食品(pin)材料(liao)進(jìn)行可比較的(de)量化(hua)分析，從而建(jian)立食品體(ti)系的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜圖(tu)分布，區(qū)(qu)分各(ge)食品之(zhi)間的微妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異，為建立(li)食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化體(ti)系提供了(le)可靠的(de)理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳(chen)建設(shè)教授（通(tong)訊作者）合作(zuo)完成(cheng)，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整理寫(xie)作，有些(xie)地方對(dui)原文(wen)稍有修(xiu)改。

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