食品(pin)質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接(jie)關(guān)系到食品的(de)口感，也顯著影(ying)響食物(wu)在口(kou)腔中的(de)風(fēng)味釋(shi)放與體驗。過去(qu)數(shù)十年中，食(shi)品工業(yè)和食(shi)品科學(xué)(xue)界一直致(zhi)力建立可行(xing)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評測的(de)客觀(guan)方法，雖然取得(de)了許多進展，但(dan)是無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理論還(hai)是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析測量(liang)技術(shù)(shu)方面，都還(hai)存在許多問(wen)題，無(wu)法準(zhǔn)確解釋消(xiao)費者質(zhì)(zhi)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理，也不(bu)能很(hen)好滿(man)足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制(zhi)的需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點在于(yu)其多維度和多(duo)尺度共存的本(ben)質(zhì)特點。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實質(zhì)上是與(yu)食品材料(liao)物性(xing)相關(guān)的(de)且能被(bei)消費者感知(zhi)的一系(xi)列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復(fù)雜且微(wei)妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其(qi)相對應(yīng)的(de)材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與動態(tài)的(de)特征(zheng)。因此很難期(qi)待用單(dan)一的(de)方法來描述或(huo)測量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和(he)質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原(yuan)理，浙江(jiang)工商大學(xué)食(shi)品口腔加工(gong)實驗室(shi)陳建(jian)設(shè)教授與(yu)英國諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食品材(cai)料學(xué)和物性學(xué)(xue)原理出(chu)發(fā)，提出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，并(bing)以此準(zhǔn)確量化(hua)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這個新(xin)模型的(de)提出，使(shi)得建立食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖成為(wei)可能，也(ye)為數(shù)字化(hua)時代(dai)將傳統(tǒng)的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提供(gong)了理論依(yi)據(jù)。

食品(pin)的材料分類

食品的分(fen)類有很多種(zhong)方法，最常見(jian)的是依據(jù)(ju)食品的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為(wei)三大(da)類：固體(ti)食品(pin)，軟（半）固(gu)體食(shi)品，流體(ti)食品。固(gu)體食品泛(fan)指那些(xie)可以抗拒重力(li)并具有特定形(xing)態(tài)且(qie)不易形變的(de)食品，可分(fen)為干(gan)固體食品（如餅(bing)干、堅果、硬果糖(tang)等）和濕(shi)固體食品(pin)（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超出其(qi)屈服(fu)閾值時，固體食(shi)品會直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品是指(zhi)那些無法(fa)抗拒重力(li)并不具(ju)自我(wo)形態(tài)的可自由(you)流動的食品，這(zhe)類食品(pin)以其裝載(zai)的容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引起顯(xian)著的形變(bian)。軟固體則介(jie)于兩(liang)者之間(jian)，可抗(kang)拒重力并保持(chi)一定的形態(tài)(tai)，但在(zai)弱外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)，并最終破(po)裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食(shi)品形變時應(yīng)力(li)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(pin)形變特征(zheng)的口腔感(gan)受，與食品的(de)材料性質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對(dui)于不同的食(shi)品材料，形變的(de)內(nèi)在(zai)決定因素有(you)著很(hen)大的區(qū)別。對于(yu)固體食品，其形(xing)變程度與形(xing)變所需(xu)的能量是兩個(ge)最重要的物理(li)變量，也直(zhi)接為消費者(zhe)所感知。很幸(xing)運的(de)是，這兩個物理(li)變量都有準(zhǔn)(zhun)確的物理定(ding)義并可(ke)以被客觀的量(liang)化測量(liang)。圖1所示既是(shi)固體食(shi)品的(de)應(yīng)力與形變之(zhi)間的關(guān)(guan)系，而形變所需(xu)的能量（或所(suo)作的功）則為(wei)應(yīng)力與(yu)形變距(ju)離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)力線(xian)下方的面(mian)積。一般可以(yi)根據(jù)食品形(xing)變所需的應(yīng)力(li)大小將食品(pin)材料大致分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的(de)能量大小則可(ke)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(xian)表現(xiàn)為四(si)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(qie)強(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除了(le)其形變程度與(yu)形變能量外(wai)，還有一項非常(chang)重要的體驗(yan)是其破碎程度(du)?；?yu)這樣的(de)思考，我(wo)們將(jiang)固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用三(san)個維度(du)來量化(hua)描述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度(du)的六個(ge)終端分別用(yong)六個熟(shu)悉的感官用語(yu)予以(yi)錨定：強(qiang)度維度分別(bie)為強(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個維(wei)度的量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食品分為八(ba)個類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三(san)維模型(xing)

表1. 一些(xie)典型固體食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的(de)三維分布

表1中三(san)個維度變量(liang)中，強度具有能(neng)量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形變時的(de)應(yīng)力(li)來表示，具(ju)有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布(bu)或破碎前(qian)后的總(zong)表面(mian)積相比(bi)來量化(hua)，不具量綱。

流體(ti)食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體(ti)食品(pin)形變時(shi)除了其形變(bian)程度和形變(bian)所需能(neng)量外，其形變所(suo)需的時間也(ye)是極(ji)其重(zhong)要的參考參(can)數(shù)。單位時間的(de)形變程(cheng)度體現(xiàn)流體(ti)食品在(zai)外應(yīng)力(li)作用(yong)下產(chǎn)(chan)生形變的速度(du)或速率，直(zhi)接影響材料(liao)形變過(guo)程中材料(liao)內(nèi)部(bu)的能量狀(zhuang)況，是儲存于材(cai)料內(nèi)部還是(shi)通過(guo)其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流(liu)動時的剪切應(yīng)(ying)力與剪(jian)切速率(lv)之間(jian)的幾種典型(xing)關(guān)系

圖3給出了(le)流體材(cai)料的形(xing)變關(guān)系，對比(bi)圖1的固體材(cai)料形變，其(qi)橫坐標(biāo)(biao)的形變(bian)程度已為形變(bian)速率（定(ding)義為單位(wei)時間的形變量(liang)）所替(ti)代。不同的流(liu)體材(cai)料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應(yīng)力與形(xing)變速率的(de)關(guān)系(xi)，如牛頓流(liu)體，剪切(qie)切稀流(liu)體，剪切切稠(chou)流體，觸(chu)變性流體等(deng)。

雖然(ran)上述的流變行(xing)為能準(zhǔn)確描述(shu)流體食品形變(bian)的基(ji)本行為或(huo)所需外應(yīng)力(li)（能量）的關(guān)(guan)系，但是(shi)卻不能顯示(shi)外應(yīng)力形變后(hou)的能量儲(chu)存與耗散的(de)情況。這一(yi)點對(dui)于流體食(shi)品非(fei)常重要，關(guān)(guan)系到流體(ti)食品(pin)在外(wai)應(yīng)力消失后，是(shi)否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的形(xing)狀。這(zhe)個性(xing)質(zhì)在(zai)流變學(xué)(xue)中稱為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振幅(fu)方法(fa)來準(zhǔn)確(que)測量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端情況：前(qian)者意味著流(liu)體會像彈簧一(yi)樣儲存(cun)形變時的(de)所有外(wai)加能量，當(dāng)外力(li)取消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原(yuan)來狀態(tài)(tai)（零度(du)相角)，后者則指(zhi)流體像(xiang)水一樣(yang)，不具任何(he)能量儲存能力(li)，所有外加的(de)形變能量都會(hui)因分子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)熱能并耗散（相(xiang)角90度)。大部分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也(ye)有一定的(de)黏性，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一(yi)般以45度相角(jiao)為黏彈性的切(qie)分點，小于45度彈性(xing)為主(zhu)，大于45度則黏性(xing)為主。

當(dāng)然(ran)，流體食品(pin)黏彈性的(de)表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它(ta)與形變速率(lv)或頻率直接(jie)相關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率增加時(shi)，流體食品的(de)彈性傾向加強(qiang)；而當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率(lv)降低(di)時，流體(ti)食品的黏性(xing)性質(zhì)會更(geng)加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維(wei)模型

把流體材(cai)料的(de)這些本質(zhì)(zhi)特征組合可以(yi)形成另一個(ge)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見(jian)圖4三個(ge)維度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或(huo)流動行(xing)為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端也可(ke)以用感官(guan)詞語來表達（見(jian)表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性的三(san)維模(mo)型說明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型

上述的(de)三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大部(bu)分固體(ti)和流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形成食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何(he)處理軟固體或(huo)半固體食品(pin)，目前還沒有一(yi)個好的辦法(fa)。軟固體(ti)食品是非常廣(guang)泛的(de)食品體系，包(bao)含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變程度(du)起主導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如(ru)面包、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(bian)速率起主導(dǎo)(dao)作用(yong)的軟(ruan)固體（如(ru)酸奶(nai)和其他糊狀(zhuang)類食(shi)品）。如(ru)此廣泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)難以用一(yi)個模(mo)型來(lai)形容(rong)，作為(wei)一個大致(zhi)的方法，可(ke)以根據(jù)(ju)軟固體食品(pin)的形變程度(du)和形(xing)變速率的作用(yong)程度，決定采用(yong)近似固體(ti)處理或近似流(liu)體處(chu)理。前者(zhe)可以(yi)固體食品的(de)三維(wei)模型處理，而后(hou)者基本上(shang)可以參照流(liu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處理(li)。

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三維(wei)模型的局(ju)限性

本文(wen)提出(chu)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，突破(po)了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模(mo)型的應(yīng)用仍(reng)有一定(ding)的局限(xian)性。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型只(zhi)能適用于(yu)均相的(de)食品體系，對(dui)于多相混(hun)雜的食品(pin)（例如夾心餅干(gan)等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)該(gai)分相描述(shu)。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不能描(miao)述一些與分散(san)體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散(san)體系(xi)食品常常(chang)包含分散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布(bu)，但是(shi)這些分散顆粒(li)除了影響(xiang)整體(ti)材料性質(zhì)(zhi)外，還會(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，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模型(xing)也不包括因食(shi)物入口后與(yu)唾液相(xiang)互作(zuo)用而(er)產(chǎn)生成(cheng)分或(huo)微結(jié)構(gòu)變化(hua)因而引起(qi)的質(zhì)(zhi)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)字(zi)化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析雖然(ran)已經(jīng)(jing)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟的測(ce)量技術(shù)，但(dan)是流變儀測(ce)量的結(jié)果往往(wang)因其(qi)過于基礎(chǔ)性，缺(que)乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直接對應(yīng)(ying)，而不被(bei)食品(pin)工業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測量只能(neng)是相對的(de)測量，很大(da)程度上只(zhi)是定性測量(liang)，其測(ce)量的方(fang)式和測量(liang)的結(jié)果缺乏明(ming)確的標(biāo)準(zhǔn)，各實(shi)驗室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果(guo)無法直接比較(jiao)。zui明顯(xian)的例子是文獻(xian)上廣泛報(bao)道的(de)所謂的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)(yan)重誤用(yong)的情(qing)況。我們試圖從(cong)食品材料(liao)的形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食(shi)品材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大(da)優(yōu)點是(shi)可以(yi)將各(ge)類食品材料進(jin)行可比較(jiao)的量化分析(xi)，從而建立(li)食品(pin)體系的質(zhì)構(gòu)三(san)維譜圖分布，區(qū)(qu)分各食(shi)品之(zhi)間的微妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異(yi)，為建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字(zi)化體系(xi)提供了可靠的(de)理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與(yu)浙江工(gong)商大(da)學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通訊作者(zhe)）合作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根(gen)據(jù)原文重新(xin)整理寫作，有(you)些地方(fang)對原文稍有修(xiu)改。

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致謝：本文寫(xie)作過程中，馬(ma)添先生提出(chu)許多(duo)建設(shè)(she)性的建議。