食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系(xi)到食品的口(kou)感，也顯著影(ying)響食物在口(kou)腔中的(de)風(fēng)味釋(shi)放與體驗。過去(qu)數(shù)十年(nian)中，食品工業(yè)和(he)食品科學(xué)(xue)界一直(zhi)致力建立(li)可行的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)評測的客觀(guan)方法，雖然取得(de)了許多(duo)進(jìn)展，但(dan)是無論在(zai)食品質(zhì)構(gòu)理論(lun)還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析(xi)測量技術(shù)方面(mian)，都還存在許多(duo)問題，無(wu)法準(zhǔn)確解釋消(xiao)費者(zhe)質(zhì)構(gòu)(gou)感官背(bei)后的復(fù)雜物理(li)學(xué)原理(li)，也不能(neng)很好滿足食品(pin)工業(yè)(ye)質(zhì)量(liang)控制的需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點(dian)在于其多(duo)維度和多尺度(du)共存的(de)本質(zhì)特點。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是與食品材(cai)料物(wu)性相關(guān)的且(qie)能被消費者感(gan)知的(de)一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)雜(za)且微妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其(qi)相對應(yīng)的材(cai)料學(xué)性(xing)質(zhì)具(ju)有多重(zhong)與動態(tài)(tai)的特征。因此(ci)很難期(qi)待用(yong)單一的方法來(lai)描述或測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和(he)質(zhì)構(gòu)感官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙(zhe)江工商大學(xué)食(shi)品口腔加(jia)工實驗室陳建(jian)設(shè)教授與英(ying)國諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學(xué)(xue)和物(wu)性學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)，并以此準(zhǔn)(zhun)確量化(hua)不同食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(ge)新模型(xing)的提出，使(shi)得建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖(tu)成為可能(neng)，也為數(shù)字(zi)化時代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提(ti)供了理論依據(jù)(ju)。

食品的材料(liao)分類

食品的分類(lei)有很多種(zhong)方法，最常(chang)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）固體食(shi)品，流體(ti)食品。固(gu)體食品泛(fan)指那些可以(yi)抗拒重(zhong)力并具有特定(ding)形態(tài)(tai)且不易形變(bian)的食品，可分(fen)為干固體(ti)食品（如(ru)餅干、堅果、硬果(guo)糖等(deng)）和濕(shi)固體食(shi)品（如蘋果、梨(li)等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出(chu)其屈服閾值(zhi)時，固體食(shi)品會(hui)直接斷裂(lie)或脆(cui)裂。流體食(shi)品是(shi)指那些無法(fa)抗拒重力并(bing)不具(ju)自我形態(tài)的(de)可自由流動的(de)食品，這類食品(pin)以其裝載的容(rong)器的(de)形態(tài)為(wei)形態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力就可引起(qi)顯著的形變(bian)。軟固體(ti)則介于(yu)兩者之間，可抗(kang)拒重力(li)并保持一定(ding)的形(xing)態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作用下產(chǎn)(chan)生形變，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

圖1. 固體食品形(xing)變時(shi)應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食(shi)品形變特征的(de)口腔感(gan)受，與(yu)食品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而對(dui)于不同的(de)食品材料(liao)，形變的內(nèi)在(zai)決定因素(su)有著(zhe)很大的區(qū)別(bie)。對于固體食(shi)品，其形變程度(du)與形變所(suo)需的(de)能量(liang)是兩個最重(zhong)要的(de)物理變(bian)量，也直(zhi)接為消費者所(suo)感知。很幸運(yun)的是(shi)，這兩個物(wu)理變(bian)量都有準(zhǔn)確(que)的物理定義(yi)并可以被客觀(guan)的量化測量(liang)。圖1所示既(ji)是固體食(shi)品的應(yīng)力(li)與形變(bian)之間(jian)的關(guān)系，而形變(bian)所需的能量（或(huo)所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力(li)與形(xing)變距(ju)離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的面積(ji)。一般(ban)可以(yi)根據(jù)食品(pin)形變(bian)所需的應(yīng)力(li)大小將食品(pin)材料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量(liang)大小則(ze)可將食品材(cai)料分為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表現(xiàn)(xian)為四(si)種典型的食(shi)品材料：(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(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其(qi)形變程度與(yu)形變能量外，還(hai)有一項(xiang)非常重(zhong)要的體驗是(shi)其破碎程度?；?ji)于這樣的(de)思考，我們(men)將固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三(san)個維(wei)度來量化描述(shu)：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別用六(liu)個熟悉的(de)感官用語予以(yi)錨定：強度維(wei)度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎性(xing)(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三(san)個維(wei)度的量化數(shù)值(zhi)把固體食品(pin)分為八個(ge)類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型

表1. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的(de)三維分布(bu)

表1中三個維(wei)度變(bian)量中(zhong)，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(shi)的應(yīng)(ying)力來(lai)表示，具(ju)有應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破碎(sui)度可(ke)用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎前(qian)后的總(zong)表面積(ji)相比來(lai)量化，不具量綱(gang)。

流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體食品(pin)不同，流(liu)體食品形變時(shi)除了其(qi)形變程(cheng)度和形變所(suo)需能(neng)量外，其(qi)形變所需的時(shi)間也是(shi)極其重(zhong)要的參考(kao)參數(shù)(shu)。單位時間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品(pin)在外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)的速度(du)或速率(lv)，直接(jie)影響材料形(xing)變過程中材(cai)料內(nèi)(nei)部的能量狀況(kuang)，是儲(chu)存于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通(tong)過其他形(xing)式（如熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體(ti)食品(pin)剪切流動時的(de)剪切應(yīng)力(li)與剪切速率之(zhi)間的幾種典型(xing)關(guān)系

圖3給出了流體(ti)材料的形變(bian)關(guān)系，對比圖(tu)1的固(gu)體材料形變，其(qi)橫坐標(biāo)的形(xing)變程(cheng)度已為形(xing)變速率（定義為(wei)單位時間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的流體(ti)材料表現(xiàn)為(wei)非常不同的應(yīng)(ying)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，剪切切稠(chou)流體，觸變性(xing)流體(ti)等。

雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準(zhǔn)確描述流(liu)體食品形變(bian)的基本行為或(huo)所需(xu)外應(yīng)力（能量(liang)）的關(guān)系，但(dan)是卻(que)不能(neng)顯示外應(yīng)(ying)力形變(bian)后的能量(liang)儲存與耗(hao)散的情況。這(zhe)一點對于(yu)流體食品非常(chang)重要，關(guān)系到流(liu)體食品在(zai)外應(yīng)力(li)消失后，是否能(neng)夠彈性(xing)恢復(fù)(fu)原來的形狀。這(zhe)個性質(zhì)在流(liu)變學(xué)(xue)中稱為黏(nian)彈性，并(bing)可以用(yong)大形變振幅方(fang)法來(lai)準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它(ta)的兩個(ge)ji端情(qing)況：前者意味(wei)著流體(ti)會像彈(dan)簧一樣儲存(cun)形變時(shi)的所有外加(jia)能量，當(dāng)(dang)外力取(qu)消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原(yuan)來狀態(tài)(tai)（零度相角)，后者則指流(liu)體像水(shui)一樣，不具(ju)任何能量儲(chu)存能力，所有外(wai)加的形變能量(liang)都會因分(fen)子或顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相(xiang)角90度)。大部分(fen)流體食品(pin)即有一(yi)定的彈性也(ye)有一定的(de)黏性，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為(wei)黏彈(dan)性的(de)切分點(dian)，小于45度彈性為(wei)主，大(da)于45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏(nian)彈性(xing)的表征稍顯復(fù)(fu)雜，它(ta)與形(xing)變速率或頻率(lv)直接相關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)形(xing)變振幅的頻(pin)率增加時，流(liu)體食品(pin)的彈性(xing)傾向加強；而(er)當(dāng)形(xing)變振幅的頻率(lv)降低時，流體食(shi)品的黏性性(xing)質(zhì)會更加(jia)突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的(de)三維模型(xing)

把流體材料(liao)的這(zhe)些本質(zhì)特征(zheng)組合(he)可以形成(cheng)另一個三(san)維度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dong)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端(duan)也可以用感(gan)官詞語來表達(dá)(da)（見表2）。

表2. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性(xing)的三維模型(xing)說明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述的三維模(mo)型可以準(zhǔn)確描(miao)述大部分固體(ti)和流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖(tu)，以準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同(tong)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征。但(dan)是如何處(chu)理軟(ruan)固體或半固(gu)體食(shi)品，目(mu)前還(hai)沒有一個(ge)好的辦法。軟固(gu)體食品(pin)是非常(chang)廣泛的食品(pin)體系(xi)，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變程度起主導(dǎo)(dao)作用(yong)的軟固體（如(ru)面包、饅頭、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變(bian)速率起主(zhu)導(dǎo)作(zuo)用的軟固體（如(ru)酸奶和其他(ta)糊狀(zhuang)類食品）。如此(ci)廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用(yong)一個模型(xing)來形容(rong)，作為一個(ge)大致(zhi)的方(fang)法，可以根據(jù)(ju)軟固體食品(pin)的形(xing)變程度和形(xing)變速(su)率的作用程度(du)，決定采用(yong)近似固(gu)體處理(li)或近似流(liu)體處理。前者可(ke)以固體食品的(de)三維模(mo)型處理，而后(hou)者基本(ben)上可(ke)以參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處理(li)。

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三維(wei)模型的(de)局限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模(mo)型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)(tong)理論，但(dan)是模型的應(yīng)(ying)用仍(reng)有一定(ding)的局限性。首先(xian)，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型只(zhi)能適用于(yu)均相的(de)食品體(ti)系，對(dui)于多相混(hun)雜的食品（例(li)如夾心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特征則(ze)應(yīng)該分相(xiang)描述(shu)。第二，三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型亦不(bu)能描述一些(xie)與分散體(ti)系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食(shi)品常(chang)常包含分(fen)散顆粒，雖為(wei)均相分(fen)布，但是這(zhe)些分散(san)顆粒除了影響(xiang)整體材料(liao)性質(zhì)外，還會帶(dai)來一些與(yu)顆粒相關(guān)(guan)的特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆粒感、粉感(gan)等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三維(wei)模型(xing)也不包(bao)括因(yin)食物入(ru)口后與唾液(ye)相互作用而產(chǎn)(chan)生成(cheng)分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因而(er)引起(qi)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑(hua)溜感等(deng)。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化

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)儀等一些(xie)成熟的測量(liang)技術(shù)，但(dan)是流變儀(yi)測量的(de)結(jié)果往往(wang)因其過(guo)于基礎(chǔ)性，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的(de)直接對(dui)應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)所接(jie)受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只能(neng)是相對(dui)的測(ce)量，很大程度上(shang)只是定(ding)性測(ce)量，其測(ce)量的方(fang)式和測量的結(jié)(jie)果缺乏明(ming)確的(de)標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實驗室(shi)之間的質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法直(zhi)接比較(jiao)。zui明顯的例(li)子是文(wen)獻(xiàn)上廣泛(fan)報道的(de)所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯(xian)的缺陷和被(bei)嚴(yán)重誤用的情(qing)況。我們試圖從(cong)食品材料的(de)形變(bian)原理出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感官的食(shi)品材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型的zui大(da)優(yōu)點是可以將(jiang)各類食品材(cai)料進(jìn)行可比較(jiao)的量(liang)化分析(xi)，從而建(jian)立食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布(bu)，區(qū)分各食(shi)品之間的微妙(miao)的質(zhì)(zhi)構(gòu)差(cha)異，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體系提(ti)供了(le)可靠的理(li)論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江工(gong)商大學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整理寫(xie)作，有些(xie)地方對原(yuan)文稍(shao)有修(xiu)改。

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致謝(xie)：本文寫(xie)作過程中(zhong)，馬添先(xian)生提出許(xu)多建設(shè)性(xing)的建(jian)議。