食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接(jie)關(guān)系(xi)到食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食(shi)物在口腔(qiang)中的(de)風(fēng)味釋放與(yu)體驗。過去數(shù)(shu)十年(nian)中，食(shi)品工業(yè)和食品(pin)科學(xué)界一(yi)直致力建(jian)立可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評測(ce)的客觀方(fang)法，雖然取得(de)了許多進展(zhan)，但是無論(lun)在食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技(ji)術(shù)方面(mian)，都還(hai)存在許(xu)多問題，無(wu)法準確解(jie)釋消費者質(zhì)構(gòu)(gou)感官(guan)背后的(de)復(fù)雜物理學(xué)原(yuan)理，也不(bu)能很(hen)好滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量(liang)控制的需(xu)求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析的(de)難點(dian)在于其(qi)多維度(du)和多尺度(du)共存的本質(zhì)(zhi)特點。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是與(yu)食品材料物(wu)性相關(guān)的且(qie)能被消費者感(gan)知的一系列(lie)性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含很多(duo)復(fù)雜(za)且微妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對(dui)應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)具有(you)多重(zhong)與動態(tài)的(de)特征(zheng)。因此很(hen)難期待用單一(yi)的方法來描(miao)述或(huo)測量(liang)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于(yu)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)多維性原(yuan)理，浙江工商(shang)大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實驗室陳建(jian)設(shè)教授與英國(guo)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性(xing)學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，并以(yi)此準確量化(hua)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這(zhe)個新模型(xing)的提出(chu)，使得建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成(cheng)為可能(neng)，也為數(shù)字(zi)化時(shi)代將傳統(tǒng)(tong)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描述(shu)提供了理(li)論依(yi)據(jù)。

食品(pin)的材(cai)料分(fen)類

食品的(de)分類有很(hen)多種方法，最(zui)常見的(de)是依(yi)據(jù)食品的(de)形態(tài)，將其分為(wei)三大類：固體食(shi)品，軟（半）固體(ti)食品(pin)，流體食(shi)品。固體食品泛(fan)指那些可(ke)以抗拒重力并(bing)具有特定形(xing)態(tài)且不易形(xing)變的食(shi)品，可分為干(gan)固體食品（如餅(bing)干、堅(jian)果、硬果(guo)糖等）和(he)濕固(gu)體食品（如蘋果(guo)、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力超(chao)出其屈服(fu)閾值時，固體食(shi)品會直接斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體食品(pin)是指(zhi)那些無法抗拒(ju)重力并不(bu)具自我形態(tài)的(de)可自由(you)流動(dong)的食品(pin)，這類食品(pin)以其裝載(zai)的容(rong)器的形(xing)態(tài)為(wei)形態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力就可引起(qi)顯著的形(xing)變。軟固體(ti)則介于兩(liang)者之間，可抗拒(ju)重力并保持一(yi)定的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終破(po)裂。

固體(ti)食品的(de)三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品(pin)形變時(shi)應(yīng)力與應(yīng)(ying)變之間(jian)的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形(xing)變特征的口(kou)腔感受，與(yu)食品的(de)材料性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)。而對(dui)于不同(tong)的食品(pin)材料，形變的(de)內(nèi)在決(jue)定因素有著(zhe)很大(da)的區(qū)別。對于固(gu)體食品，其形變(bian)程度與形(xing)變所需的能(neng)量是兩(liang)個最重(zhong)要的物理變量(liang)，也直接(jie)為消費者(zhe)所感知(zhi)。很幸運的是，這(zhe)兩個物理變(bian)量都有(you)準確的物理定(ding)義并可以被(bei)客觀(guan)的量(liang)化測量。圖(tu)1所示既是固(gu)體食(shi)品的應(yīng)力與形(xing)變之間的關(guān)系(xi)，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所作(zuo)的功）則為應(yīng)(ying)力與形變(bian)距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線下方的面(mian)積。一(yi)般可以根據(jù)(ju)食品形變所(suo)需的(de)應(yīng)力大小將(jiang)食品材料(liao)大致(zhi)分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的(de)能量大小則(ze)可將(jiang)食品材料分為(wei)強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)(xian)為四種典(dian)型的食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiang)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且(qie)強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變(bian)程度與形變能(neng)量外，還有(you)一項非常重要(yao)的體驗是(shi)其破(po)碎程度。基于這(zhe)樣的思考，我們(men)將固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用(yong)三個維度來(lai)量化描(miao)述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的(de)六個終(zhong)端分別(bie)用六個熟悉(xi)的感官用語(yu)予以(yi)錨定：強度(du)維度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三(san)個維度的(de)量化數(shù)值(zhi)把固體食品分(fen)為八個類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述(shu)見表1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典(dian)型固體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的三(san)維分布

表1中三個(ge)維度變量中，強(qiang)度具有能量(liang)單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形變時(shi)的應(yīng)力來表示(shi)，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)大小分布或破(po)碎前后的總(zong)表面(mian)積相比來量(liang)化，不具量綱(gang)。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食(shi)品不同(tong)，流體食品形變(bian)時除了其(qi)形變(bian)程度和形變所(suo)需能量(liang)外，其形變(bian)所需的(de)時間也(ye)是極其重要(yao)的參考參數(shù)。單(dan)位時間(jian)的形變程(cheng)度體現(xiàn)(xian)流體食品在(zai)外應(yīng)(ying)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變(bian)的速度或(huo)速率(lv)，直接(jie)影響(xiang)材料形變過(guo)程中材料內(nèi)部(bu)的能量狀(zhuang)況，是儲存于材(cai)料內(nèi)部還是通(tong)過其他形式（如(ru)熱能）耗散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動時的剪切(qie)應(yīng)力與(yu)剪切速率之(zhi)間的(de)幾種典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流(liu)體材(cai)料的形變關(guān)系(xi)，對比圖1的固(gu)體材(cai)料形變(bian)，其橫坐標(biāo)(biao)的形變(bian)程度已(yi)為形變速(su)率（定義為(wei)單位(wei)時間(jian)的形變量(liang)）所替代(dai)。不同(tong)的流體材料(liao)表現(xiàn)為非常(chang)不同的應(yīng)(ying)力與形變(bian)速率的(de)關(guān)系，如牛頓(dun)流體，剪切切(qie)稀流體，剪切(qie)切稠流體(ti)，觸變性流體等(deng)。

雖然上述(shu)的流變行為能(neng)準確描述流體(ti)食品形變(bian)的基本行(xing)為或(huo)所需外應(yīng)力(li)（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻不(bu)能顯示外(wai)應(yīng)力形變(bian)后的能量儲(chu)存與耗散的情(qing)況。這一(yi)點對于流體(ti)食品(pin)非常重要，關(guān)系(xi)到流體食品(pin)在外應(yīng)力(li)消失后，是(shi)否能(neng)夠彈性恢復(fù)原(yuan)來的(de)形狀。這個(ge)性質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為黏(nian)彈性，并可以(yi)用大(da)形變振幅方法(fa)來準確測量(liang)。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它(ta)的兩個ji端情況(kuang)：前者意味著(zhe)流體會像(xiang)彈簧一樣儲存(cun)形變(bian)時的所有外(wai)加能量，當(dāng)外(wai)力取消后(hou)，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到(dao)原來狀態(tài)（零度(du)相角(jiao))，后者則(ze)指流體(ti)像水一樣，不具(ju)任何能量儲(chu)存能力，所(suo)有外加的形(xing)變能量都(dou)會因(yin)分子或顆(ke)粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)熱能并耗散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流體食品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一定(ding)的黏性(xing)，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏彈(dan)性的切分(fen)點，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈(dan)性的表征稍(shao)顯復(fù)雜，它與形(xing)變速率(lv)或頻率直接相(xiang)關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率增(zeng)加時，流(liu)體食品的彈(dan)性傾向加強(qiang)；而當(dāng)形變振(zhen)幅的(de)頻率降低(di)時，流(liu)體食品(pin)的黏性性質(zhì)(zhi)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型

把流(liu)體材料的這些(xie)本質(zhì)特征組(zu)合可以形(xing)成另一個(ge)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見(jian)圖4三個維度(du)分別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性(xing)（或流動(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端也可(ke)以用(yong)感官詞語(yu)來表達（見表(biao)2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型說明(ming)

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述(shu)的三維模型可(ke)以準確描述(shu)大部分(fen)固體和流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的空間(jian)分布(bu)圖，以(yi)準確(que)區(qū)別不同(tong)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何處理軟(ruan)固體或半(ban)固體食品，目前(qian)還沒有一(yi)個好的辦(ban)法。軟固體(ti)食品是非常(chang)廣泛(fan)的食品體系，包(bao)含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變程(cheng)度起主導(dǎo)作(zuo)用的(de)軟固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐、果(guo)凍、凝膠類(lei)食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形(xing)變速率起(qi)主導(dǎo)作用的(de)軟固體(ti)（如酸奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品(pin)）。如此廣泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用一(yi)個模型來形(xing)容，作為一個(ge)大致的方(fang)法，可以(yi)根據(jù)(ju)軟固體食(shi)品的形變程(cheng)度和形變速率(lv)的作用程(cheng)度，決定采用(yong)近似固(gu)體處理或近似(shi)流體(ti)處理。前者(zhe)可以(yi)固體食(shi)品的三維(wei)模型處(chu)理，而后者(zhe)基本(ben)上可以參照流(liu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型來(lai)處理。

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三維模型的(de)局限性

本文提出(chu)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型(xing)，突破(po)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模型的應(yīng)(ying)用仍有一(yi)定的局限性。首(shou)先，食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型只(zhi)能適用于(yu)均相的(de)食品體系，對(dui)于多相混(hun)雜的食(shi)品（例如夾(jia)心餅(bing)干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特征則(ze)應(yīng)該分(fen)相描述。第二(er)，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不(bu)能描述一(yi)些與分散體系(xi)相關(guān)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分(fen)散體系(xi)食品(pin)常常(chang)包含分散顆粒(li)，雖為均相(xiang)分布，但是(shi)這些分散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性質(zhì)外，還(hai)會帶來(lai)一些(xie)與顆粒相(xiang)關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆(ke)粒感、粉感(gan)等。另(ling)外，食品質(zhì)構(gòu)的(de)三維(wei)模型也不(bu)包括因食物(wu)入口后與唾液(ye)相互作用而產(chǎn)(chan)生成分或(huo)微結(jié)構(gòu)(gou)變化(hua)因而(er)引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如澀(se)感、滑溜(liu)感等(deng)。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然已經(jīng)(jing)有如流變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等(deng)一些成熟的(de)測量技術(shù)(shu)，但是流變儀測(ce)量的(de)結(jié)果往(wang)往因其(qi)過于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的(de)直接(jie)對應(yīng)，而不被食(shi)品工業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)構(gòu)儀(yi)測量只(zhi)能是相(xiang)對的測(ce)量，很大程度(du)上只是定性(xing)測量，其測(ce)量的(de)方式(shi)和測量的結(jié)(jie)果缺乏明確的(de)標(biāo)準，各實(shi)驗室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法(fa)直接比較(jiao)。zui明顯的例子(zi)是文獻上廣(guang)泛報道的所(suo)謂的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷和(he)被嚴(yan)重誤用的(de)情況。我(wo)們試圖(tu)從食(shi)品材料(liao)的形(xing)變原理出發(fā)，揭(jie)示食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)和感官(guan)的食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型的zui大優(yōu)(you)點是可(ke)以將各(ge)類食品(pin)材料(liao)進行(xing)可比較(jiao)的量(liang)化分析，從(cong)而建立食(shi)品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維譜(pu)圖分布，區(qū)分各(ge)食品之間的(de)微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)體系提供了(le)可靠的(de)理論依據(jù)(ju)。

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

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致謝(xie)：本文寫作過程(cheng)中，馬添(tian)先生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的建議(yi)。