食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不僅直接(jie)關(guān)系(xi)到食(shi)品的口感，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中(zhong)的風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年中(zhong)，食品工業(yè)和(he)食品科(ke)學(xué)界一直致(zhi)力建立可(ke)行的食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(ping)測的(de)客觀方(fang)法，雖然取(qu)得了許(xu)多進(jìn)展(zhan)，但是無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測(ce)量技術(shù)方面(mian)，都還存在許多(duo)問題，無法(fa)準(zhǔn)確解釋(shi)消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)(gou)感官背(bei)后的(de)復(fù)雜物理學(xué)(xue)原理，也不(bu)能很好滿足(zu)食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制(zhi)的需求(qiu)。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點(diǎn)(dian)在于其多維(wei)度和多尺度共(gong)存的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上是與(yu)食品材料(liao)物性相關(guān)的且(qie)能被消費(fèi)者感(gan)知的一系(xi)列性質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多復(fù)(fu)雜且微妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對應(yīng)的材(cai)料學(xué)性質(zhì)具(ju)有多重(zhong)與動態(tài)的特(te)征。因此很難期(qi)待用單一的方(fang)法來描述或(huo)測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性(xing)原理，浙江工商(shang)大學(xué)食(shi)品口腔加(jia)工實(shí)驗(yàn)室陳建(jian)設(shè)教授(shou)與英國(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從食(shi)品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原(yuan)理出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，并以此(ci)準(zhǔn)確(que)量化不(bu)同食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。這個(ge)新模型的提(ti)出，使得建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可(ke)能，也為數(shù)字(zi)化時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字(zi)化描述提(ti)供了理論依(yi)據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品(pin)的分類有很多(duo)種方法，最常(chang)見的是依據(jù)食(shi)品的(de)形態(tài)，將其(qi)分為三大(da)類：固體(ti)食品，軟（半(ban)）固體(ti)食品(pin)，流體(ti)食品。固體食(shi)品泛指(zhi)那些可以抗拒(ju)重力(li)并具(ju)有特定形態(tài)且(qie)不易形變的食(shi)品，可分為(wei)干固體食品（如(ru)餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖(tang)等）和濕固(gu)體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超(chao)出其屈(qu)服閾值時(shí)，固體(ti)食品會(hui)直接斷裂(lie)或脆裂。流(liu)體食品是指那(na)些無(wu)法抗拒重力(li)并不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由流動的(de)食品(pin)，這類(lei)食品以其(qi)裝載的容器的(de)形態(tài)為(wei)形態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力就可(ke)引起顯著的形(xing)變。軟固體則介(jie)于兩者之(zhi)間，可(ke)抗拒(ju)重力并保(bao)持一定的(de)形態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)，并最終破裂。

固體食品(pin)的三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

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

食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形變特(te)征的口腔(qiang)感受，與(yu)食品的材料(liao)性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)。而(er)對于不同(tong)的食品(pin)材料，形(xing)變的內(nèi)(nei)在決定因(yin)素有著(zhe)很大的區(qū)別(bie)。對于(yu)固體食(shi)品，其形變程(cheng)度與(yu)形變所需的(de)能量是兩個最(zui)重要的物理變(bian)量，也直接(jie)為消費(fèi)者所(suo)感知。很幸運(yùn)的(de)是，這兩個物理(li)變量都有準(zhǔn)(zhun)確的物理定義(yi)并可以被(bei)客觀的量(liang)化測(ce)量。圖(tu)1所示既(ji)是固體食品的(de)應(yīng)力與形(xing)變之間(jian)的關(guān)系，而形(xing)變所需(xu)的能(neng)量（或所作的功(gong)）則為應(yīng)(ying)力與形變距(ju)離的乘積，表(biao)現(xiàn)為(wei)應(yīng)力線下方的(de)面積。一(yi)般可以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的應(yīng)力大(da)小將(jiang)食品(pin)材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需的能(neng)量大小(xiao)則可將食品(pin)材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表(biao)現(xiàn)為四種典(dian)型的(de)食品(pin)材料：(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)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形(xing)變程度(du)與形(xing)變能量(liang)外，還有一項(xiàng)非(fei)常重要的體驗(yàn)(yan)是其破碎程(cheng)度?；谶@樣(yang)的思考，我們將(jiang)固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三個維度(du)來量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別(bie)用六個熟(shu)悉的感官用(yong)語予(yu)以錨定：強(qiáng)度維(wei)度分(fen)別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三個(ge)維度的量化數(shù)(shu)值把固體(ti)食品(pin)分為八個類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述(shu)見表(biao)1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特(te)性的三(san)維模型(xing)

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

表1中三(san)個維(wei)度變量中，強(qiáng)(qiang)度具有能(neng)量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形(xing)變時(shí)(shi)的應(yīng)力來(lai)表示(shi)，具有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎(sui)前后的顆(ke)粒大小分布(bu)或破碎(sui)前后的總表面(mian)積相(xiang)比來量(liang)化，不具量綱。

流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)

與固體(ti)食品(pin)不同，流體(ti)食品形變時(shí)除(chu)了其(qi)形變程度和(he)形變所(suo)需能量外，其(qi)形變所需(xu)的時(shí)間也是(shi)極其重要的參(can)考參數(shù)(shu)。單位時(shí)間的(de)形變(bian)程度體現(xiàn)流體(ti)食品在外(wai)應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變(bian)的速度或速率(lv)，直接影響材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部的(de)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(re)能）耗散(san)。

圖3. 流體食品(pin)剪切流動(dong)時(shí)的剪(jian)切應(yīng)力(li)與剪切(qie)速率之間的幾(ji)種典型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體(ti)材料的形變(bian)關(guān)系，對(dui)比圖1的固體材料(liao)形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形(xing)變程度已為形(xing)變速率（定(ding)義為(wei)單位時(shí)間的(de)形變量(liang)）所替代。不同(tong)的流體材(cai)料表(biao)現(xiàn)為非常不(bu)同的(de)應(yīng)力與形(xing)變速率(lv)的關(guān)系，如(ru)牛頓流體(ti)，剪切切稀流(liu)體，剪切切稠(chou)流體，觸變性(xing)流體等。

雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準(zhǔn)(zhun)確描述流體食(shi)品形變的基(ji)本行為或(huo)所需外(wai)應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示外應(yīng)力(li)形變后(hou)的能量(liang)儲存與耗散的(de)情況。這一點(diǎn)對(dui)于流(liu)體食品非常(chang)重要，關(guān)(guan)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)力(li)消失后，是否(fou)能夠(gou)彈性恢復(fù)原來(lai)的形狀。這(zhe)個性質(zhì)在(zai)流變學(xué)(xue)中稱(cheng)為黏彈(dan)性，并可以用大(da)形變振幅方(fang)法來準(zhǔn)確(que)測量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性(xing)是它的兩(liang)個ji端(duan)情況：前者意味(wei)著流體會(hui)像彈簧一樣(yang)儲存形(xing)變時(shí)的(de)所有外加能(neng)量，當(dāng)外力(li)取消后，流(liu)體能(neng)wanquan恢復(fù)到原(yuan)來狀(zhuang)態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則指流體(ti)像水一(yi)樣，不具任何(he)能量(liang)儲存能力，所(suo)有外加的形變(bian)能量都(dou)會因分子或顆(ke)粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)熱能并(bing)耗散(san)（相角(jiao)90度)。大部分流(liu)體食品(pin)即有一定的彈(dan)性也有(you)一定的黏性(xing)，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為黏(nian)彈性的切分(fen)點(diǎn)，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則(ze)黏性(xing)為主。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈(dan)性的表征(zheng)稍顯復(fù)(fu)雜，它與形變速(su)率或(huo)頻率直接相(xiang)關(guān)。一般情(qing)況下(xia)，當(dāng)形變(bian)振幅的頻(pin)率增加(jia)時(shí)，流體食品(pin)的彈(dan)性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變(bian)振幅(fu)的頻率降低時(shí)(shi)，流體食品的(de)黏性(xing)性質(zhì)會更加(jia)突出。

圖4. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特(te)性的(de)三維模型(xing)

把流(liu)體材(cai)料的這(zhe)些本質(zhì)(zhi)特征(zheng)組合可以(yi)形成另一個(ge)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個維(wei)度分別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或(huo)流動行為(wei)指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個末端也(ye)可以用(yong)感官詞(ci)語來表達(dá)(da)（見表(biao)2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型說明

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)確(que)描述大(da)部分固體(ti)和流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形(xing)成食品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布(bu)圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)(qu)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是如何(he)處理軟(ruan)固體或半固體(ti)食品，目前還沒(mei)有一個好的(de)辦法。軟固(gu)體食品是非常(chang)廣泛(fan)的食品體系(xi)，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變(bian)程度起主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形(xing)變速率起主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如酸(suan)奶和(he)其他糊(hu)狀類食(shi)品）。如此廣(guang)泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個模型來(lai)形容(rong)，作為一個(ge)大致的方法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品(pin)的形變程(cheng)度和形變(bian)速率的作用程(cheng)度，決定(ding)采用近似(shi)固體處理或(huo)近似(shi)流體處理。前者(zhe)可以固(gu)體食品的三(san)維模型處理(li)，而后(hou)者基(ji)本上可(ke)以參照流體食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)模型來處(chu)理。

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三維模型的局(ju)限性

本文提出的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型，突破了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論，但(dan)是模型的應(yīng)(ying)用仍有一定(ding)的局限性。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型只(zhi)能適用于均相(xiang)的食品(pin)體系(xi)，對于多(duo)相混(hun)雜的(de)食品(pin)（例如(ru)夾心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)該分(fen)相描(miao)述。第二，三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型亦不(bu)能描(miao)述一些與分(fen)散體(ti)系相關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系食品(pin)常常(chang)包含分(fen)散顆粒，雖為均(jun)相分布，但是(shi)這些分(fen)散顆粒除了(le)影響(xiang)整體材料(liao)性質(zhì)(zhi)外，還會(hui)帶來一些與(yu)顆粒相關(guān)的特(te)殊的質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆粒感(gan)、粉感等(deng)。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模型(xing)也不包括因(yin)食物入(ru)口后與唾(tuo)液相互作用而(er)產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化因而引(yin)起的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感(gan)、滑溜感等(deng)。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析雖然已(yi)經(jīng)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一(yi)些成熟的測(ce)量技術(shù)(shu)，但是(shi)流變儀測(ce)量的(de)結(jié)果往往因(yin)其過(guo)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感(gan)性質(zhì)(zhi)的直接對應(yīng)，而(er)不被食品(pin)工業(yè)所接受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只能是相對(dui)的測量，很大程(cheng)度上只是(shi)定性測(ce)量，其測量的(de)方式和測量(liang)的結(jié)(jie)果缺(que)乏明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無(wu)法直接比較(jiao)。zui明顯的例(li)子是文獻(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)道的(de)所謂(wei)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(yán)重誤用(yong)的情況。我們(men)試圖從(cong)食品材(cai)料的形變(bian)原理出發(fā)，揭示(shi)食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感官(guan)的食品材料(liao)學(xué)本質(zhì)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)的zui大優(yōu)點(diǎn)是可(ke)以將各類(lei)食品材料(liao)進(jìn)行可(ke)比較的(de)量化分析，從(cong)而建立食(shi)品體系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖分布(bu)，區(qū)分各食品(pin)之間的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字(zi)化體系(xi)提供了可(ke)靠的理(li)論依據(jù)(ju)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與(yu)浙江工(gong)商大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者）合作(zuo)完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根(gen)據(jù)原文重新(xin)整理寫作(zuo)，有些地方(fang)對原(yuan)文稍有修(xiu)改。

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致謝：本文寫(xie)作過(guo)程中，馬添先(xian)生提出許(xu)多建(jian)設(shè)性(xing)的建議。