食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直(zhi)接關(guān)系到(dao)食品的口感(gan)，也顯著(zhu)影響食物在口(kou)腔中的風(fēng)(feng)味釋放(fang)與體(ti)驗。過去數(shù)十(shi)年中(zhong)，食品工業(yè)(ye)和食品科學(xué)界(jie)一直致力建立(li)可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評測的客(ke)觀方法，雖(sui)然取得了許多(duo)進(jìn)展，但(dan)是無論(lun)在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技術(shù)(shu)方面(mian)，都還存在許多(duo)問題，無法準(zhǔn)(zhun)確解(jie)釋消(xiao)費者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理，也不(bu)能很(hen)好滿(man)足食品工業(yè)(ye)質(zhì)量(liang)控制的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點在于(yu)其多維度和(he)多尺(chi)度共存的本(ben)質(zhì)特點。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實(shi)質(zhì)上是與食(shi)品材料物(wu)性相(xiang)關(guān)的且能(neng)被消費者感(gan)知的(de)一系(xi)列性質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其相對(dui)應(yīng)的材(cai)料學(xué)(xue)性質(zhì)具(ju)有多重與(yu)動態(tài)的(de)特征。因此很(hen)難期(qi)待用單一(yi)的方法來描述(shu)或測量食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)(zhi)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實(shi)驗室陳建設(shè)教(jiao)授與(yu)英國諾(nuo)丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品(pin)材料學(xué)和物性(xing)學(xué)原理出發(fā)(fa)，提出了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準(zhǔn)確(que)量化不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這(zhe)個新模型的提(ti)出，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可能，也為(wei)數(shù)字化時代將(jiang)傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提(ti)供了理論依據(jù)(ju)。

食品的材(cai)料分類

食品的(de)分類有很多種(zhong)方法，最常(chang)見的是依據(jù)(ju)食品的形(xing)態(tài)，將其分為(wei)三大類：固體食(shi)品，軟(ruan)（半）固體(ti)食品(pin)，流體食(shi)品。固體食品(pin)泛指(zhi)那些(xie)可以抗(kang)拒重力并具有(you)特定形態(tài)且不(bu)易形變的(de)食品，可分(fen)為干固體食(shi)品（如餅干、堅果(guo)、硬果(guo)糖等(deng)）和濕固(gu)體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出其屈(qu)服閾值時(shi)，固體(ti)食品(pin)會直接斷(duan)裂或(huo)脆裂。流體食(shi)品是指那些無(wu)法抗拒重力(li)并不具(ju)自我形(xing)態(tài)的可自由流(liu)動的食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的容器的(de)形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)力(li)就可引起(qi)顯著(zhu)的形變。軟固體(ti)則介于兩(liang)者之(zhi)間，可(ke)抗拒重(zhong)力并保持(chi)一定的形態(tài)(tai)，但在弱外應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)(chan)生形變，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體食(shi)品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

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

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形(xing)變特征(zheng)的口腔感(gan)受，與食(shi)品的材料(liao)性質(zhì)(zhi)直接相(xiang)關(guān)。而對于(yu)不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nèi)在決定因(yin)素有著(zhe)很大的區(qū)別。對(dui)于固體(ti)食品，其(qi)形變(bian)程度與形(xing)變所需的(de)能量(liang)是兩個最(zui)重要的(de)物理變量，也直(zhi)接為消費者(zhe)所感知。很(hen)幸運的是，這兩(liang)個物理變量都(dou)有準(zhǔn)確的物理(li)定義并可以(yi)被客觀的(de)量化測(ce)量。圖1所示既是固(gu)體食品的應(yīng)(ying)力與(yu)形變之(zhi)間的關(guān)系，而(er)形變所需的能(neng)量（或所作(zuo)的功）則為應(yīng)(ying)力與(yu)形變距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線(xian)下方(fang)的面積。一(yi)般可以根據(jù)食(shi)品形變所需的(de)應(yīng)力大小將食(shi)品材料(liao)大致分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大(da)小則可(ke)將食品(pin)材料分為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四種(zhong)典型的(de)食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體(ti)食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除了(le)其形(xing)變程度(du)與形變(bian)能量外(wai)，還有一項非(fei)常重要的(de)體驗是其(qi)破碎程度。基于(yu)這樣的思(si)考，我們將固體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個維度來量(liang)化描述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別用六(liu)個熟悉(xi)的感官用語予(yu)以錨(mao)定：強(qiang)度維度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為易(yi)碎性(xing)(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三(san)個維(wei)度的量化數(shù)(shu)值把固體(ti)食品分(fen)為八個類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食(shi)品材(cai)料質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典型(xing)固體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)的三維(wei)分布

表1中三個維度變(bian)量中，強度具有(you)能量單位（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形變(bian)時的(de)應(yīng)力(li)來表示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前(qian)后的(de)顆粒大小分布(bu)或破(po)碎前后(hou)的總表面積相(xiang)比來(lai)量化，不(bu)具量綱(gang)。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固體食品不(bu)同，流(liu)體食(shi)品形變(bian)時除了其形(xing)變程度(du)和形變所(suo)需能量外，其形(xing)變所需的時間(jian)也是極其重要(yao)的參考(kao)參數(shù)。單位時(shi)間的形(xing)變程度(du)體現(xiàn)(xian)流體(ti)食品在外(wai)應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變的速度(du)或速(su)率，直接影響(xiang)材料形變過(guo)程中材料內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲(chu)存于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式(shi)（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流(liu)動時的剪(jian)切應(yīng)(ying)力與剪切(qie)速率之間的(de)幾種典型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體(ti)材料的形(xing)變關(guān)系(xi)，對比圖1的固體材料形(xing)變，其橫坐(zuo)標(biāo)的形變(bian)程度(du)已為形變速(su)率（定義為單位(wei)時間的形變量(liang)）所替代。不同的(de)流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不同(tong)的應(yīng)力與形(xing)變速率的關(guān)(guan)系，如牛頓(dun)流體(ti)，剪切(qie)切稀流體，剪(jian)切切(qie)稠流體，觸變(bian)性流體等。

雖然上述的(de)流變行(xing)為能準(zhǔn)確(que)描述(shu)流體(ti)食品(pin)形變的基(ji)本行為或所需(xu)外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系，但是(shi)卻不能顯示(shi)外應(yīng)力(li)形變后的能量(liang)儲存與耗(hao)散的情況。這(zhe)一點對于(yu)流體食品非(fei)常重要(yao)，關(guān)系(xi)到流體食(shi)品在(zai)外應(yīng)力(li)消失后(hou)，是否能(neng)夠彈性恢復(fù)原(yuan)來的形(xing)狀。這(zhe)個性質(zhì)在(zai)流變學(xué)中(zhong)稱為黏彈(dan)性，并可(ke)以用大形(xing)變振幅方法來(lai)準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它的(de)兩個ji端(duan)情況：前(qian)者意味著流(liu)體會(hui)像彈簧一樣儲(chu)存形(xing)變時的(de)所有外(wai)加能(neng)量，當(dāng)外力取(qu)消后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指(zhi)流體像水一樣(yang)，不具(ju)任何能量(liang)儲存能力，所(suo)有外加的形(xing)變能量都(dou)會因分子(zi)或顆粒摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變(bian)為熱能(neng)并耗(hao)散（相角90度)。大部分(fen)流體食品即(ji)有一定的彈(dan)性也有一(yi)定的(de)黏性，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏彈(dan)性的切分點，小(xiao)于45度彈性(xing)為主，大于45度則黏(nian)性為主(zhu)。

當(dāng)然(ran)，流體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)(fu)雜，它與形(xing)變速率或頻率(lv)直接相關(guān)。一般(ban)情況(kuang)下，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時，流體食品的(de)彈性傾向加(jia)強；而當(dāng)形變(bian)振幅的頻率降(jiang)低時(shi)，流體食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)(zhi)會更加突(tu)出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的(de)三維模型

把流(liu)體材(cai)料的這些本質(zhì)(zhi)特征組合可以(yi)形成另一(yi)個三(san)維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個(ge)末端也可(ke)以用感官(guan)詞語來(lai)表達(dá)（見(jian)表2）。

表2. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型說明

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述(shu)的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)大部(bu)分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何處理(li)軟固體或(huo)半固(gu)體食品(pin)，目前還(hai)沒有一個(ge)好的辦法(fa)。軟固體食品(pin)是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變(bian)程度(du)起主導(dǎo)作(zuo)用的軟固(gu)體（如面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍(dong)、凝膠類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變(bian)速率起(qi)主導(dǎo)作(zuo)用的軟(ruan)固體（如酸奶(nai)和其他糊狀類(lei)食品）。如此廣泛(fan)差異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以用(yong)一個(ge)模型來(lai)形容(rong)，作為一個大致(zhi)的方法，可以(yi)根據(jù)軟固體食(shi)品的(de)形變程度和(he)形變速(su)率的作用程度(du)，決定采用近似(shi)固體處(chu)理或近(jin)似流體(ti)處理。前(qian)者可(ke)以固體食(shi)品的三維(wei)模型(xing)處理，而后者基(ji)本上可以參(can)照流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理(li)。

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三維模(mo)型的局限性

本文提出(chu)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型，突(tu)破了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理(li)論，但是模型的(de)應(yīng)用仍有一定(ding)的局限性。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只(zhi)能適用于均(jun)相的(de)食品體系(xi)，對于多(duo)相混雜的食品(pin)（例如夾(jia)心餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該(gai)分相(xiang)描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦(yi)不能描述一些(xie)與分散體系(xi)相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散(san)體系食品常(chang)常包含分散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布，但是這(zhe)些分散顆粒(li)除了影響整(zheng)體材料(liao)性質(zhì)外，還會(hui)帶來一些與(yu)顆粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆粒感(gan)、粉感等。另(ling)外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三(san)維模(mo)型也(ye)不包(bao)括因食(shi)物入口后(hou)與唾液(ye)相互作(zuo)用而產(chǎn)生(sheng)成分或(huo)微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑溜感等(deng)。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟(shu)的測量技術(shù)，但(dan)是流變儀測量(liang)的結(jié)果往往因(yin)其過于(yu)基礎(chǔ)(chu)性，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直接對應(yīng)(ying)，而不被食品工(gong)業(yè)所接受(shou)。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(ce)量只能是(shi)相對的測量(liang)，很大(da)程度(du)上只是定性(xing)測量，其(qi)測量的方式和(he)測量的結(jié)果缺(que)乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實驗室(shi)之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直(zhi)接比較(jiao)。zui明顯(xian)的例子是文(wen)獻(xiàn)上廣泛報道(dao)的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被(bei)嚴(yán)重(zhong)誤用的(de)情況。我們(men)試圖從食(shi)品材料的(de)形變原理出(chu)發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)和感(gan)官的(de)食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型的zui大優(yōu)(you)點是(shi)可以將各類(lei)食品材料(liao)進(jìn)行可比較的(de)量化分析(xi)，從而建立(li)食品體(ti)系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維譜圖分布(bu)，區(qū)分各(ge)食品之間(jian)的微妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異(yi)，為建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化體系(xi)提供(gong)了可靠的理(li)論依據(jù)(ju)。

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原文由英國(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與(yu)浙江工商大(da)學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有(you)些地方對原(yuan)文稍有修改(gai)。

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致謝：本文寫(xie)作過程中(zhong)，馬添先(xian)生提出許多建(jian)設(shè)性的(de)建議。