食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到(dao)食品的(de)口感，也顯著影(ying)響食物(wu)在口腔中(zhong)的風(fēng)味(wei)釋放與體驗(yàn)。過(guo)去數(shù)十年(nian)中，食品工(gong)業(yè)和食品科(ke)學(xué)界一(yi)直致力建立(li)可行的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(píng)測(ce)的客觀方法(fa)，雖然取(qu)得了許多進(jìn)展(zhan)，但是無論在食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還是(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析測(ce)量技術(shù)方(fang)面，都還(hai)存在許(xu)多問題，無法準(zhǔn)(zhun)確解釋(shi)消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的(de)復(fù)雜物理學(xué)原(yuan)理，也不(bu)能很好滿(man)足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量(liang)控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難點(diǎn)在(zai)于其多維度和(he)多尺(chi)度共存的(de)本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食品(pin)材料(liao)物性相關(guān)(guan)的且能被(bei)消費(fèi)者(zhe)感知的一(yi)系列性質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含很多復(fù)(fu)雜且微(wei)妙變化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其相(xiang)對(duì)應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)具有多(duo)重與動(dòng)態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待用單(dan)一的(de)方法來描(miao)述或測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性(xing)原理(li)，浙江工商(shang)大學(xué)食品口(kou)腔加(jia)工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳建設(shè)教(jiao)授與英(ying)國諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，并以此準(zhǔn)確(que)量化不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征。這(zhe)個(gè)新(xin)模型的提出，使(shi)得建(jian)立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可能，也為(wei)數(shù)字化(hua)時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感(gan)官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描述(shu)提供了理(li)論依據(jù)。

食品的材料(liao)分類

食品的分類有(you)很多種方法(fa)，最常見(jian)的是依(yi)據(jù)食品的(de)形態(tài)，將其分(fen)為三大類(lei)：固體食品，軟(ruan)（半）固體食(shi)品，流(liu)體食品。固(gu)體食品泛指那(na)些可以抗(kang)拒重力并具(ju)有特定形(xing)態(tài)且不易(yi)形變的食品，可(ke)分為干(gan)固體(ti)食品（如餅干(gan)、堅(jiān)果、硬果糖等(deng)）和濕固(gu)體食(shi)品（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出其屈(qu)服閾值時(shí)，固(gu)體食品會(huì)直(zhi)接斷裂或(huo)脆裂。流體食(shi)品是指那(na)些無(wu)法抗拒重(zhong)力并不具(ju)自我形態(tài)(tai)的可自由流(liu)動(dòng)的食品，這類(lei)食品以(yi)其裝載的容(rong)器的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)力就(jiu)可引起顯(xian)著的形變(bian)。軟固體則(ze)介于兩(liang)者之間，可抗拒(ju)重力并(bing)保持一(yi)定的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形(xing)變，并最(zui)終破(po)裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食(shi)品形變時(shí)(shi)應(yīng)力(li)與應(yīng)變之間的(de)典型(xing)關(guān)系(xi)

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食(shi)品形變特征(zheng)的口腔感受(shou)，與食品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接相(xiang)關(guān)。而(er)對(duì)于(yu)不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nèi)在決定因(yin)素有著很(hen)大的區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品，其形(xing)變程(cheng)度與形變所需(xu)的能量是(shi)兩個(gè)最重要(yao)的物理變量(liang)，也直接為消(xiao)費(fèi)者所感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(gè)(ge)物理變量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理定義(yi)并可以被客(ke)觀的量化測(ce)量。圖1所示(shi)既是固體食(shi)品的應(yīng)力(li)與形(xing)變之間(jian)的關(guān)系，而(er)形變(bian)所需的能(neng)量（或所作的(de)功）則(ze)為應(yīng)力(li)與形變(bian)距離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)(ying)力線(xian)下方的面(mian)積。一般可以根(gen)據(jù)食品形(xing)變所需的應(yīng)(ying)力大小將食品(pin)材料(liao)大致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變所需的(de)能量大小則可(ke)將食品材料(liao)分為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線(xian)表現(xiàn)為四種(zhong)典型(xing)的食品(pin)材料(liao)：(a)硬且弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了(le)其形變程度(du)與形變能(neng)量外，還有一(yi)項(xiàng)非(fei)常重要的體(ti)驗(yàn)是其破碎程(cheng)度?；?ji)于這(zhe)樣的思考(kao)，我們將固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)維度來(lai)量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分(fen)別用六(liu)個(gè)熟(shu)悉的感(gan)官用語予以錨(mao)定：強(qiáng)(qiang)度維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維度分(fen)別為易碎(sui)性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三個(gè)(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固體食(shi)品分為八(ba)個(gè)類(lei)別，其質(zhì)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(xing)固體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分布

表1中三個(gè)維度變(bian)量中，強(qiáng)度(du)具有(you)能量(liang)單位（Pa.m或者(zhe)J），硬度(du)可用(yong)最大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力來(lai)表示，具有(you)應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前后的(de)顆粒(li)大小分布(bu)或破碎前后(hou)的總表面(mian)積相比來(lai)量化，不(bu)具量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食品不(bu)同，流體(ti)食品形變時(shí)除(chu)了其形變(bian)程度和形(xing)變所需能(neng)量外，其形(xing)變所需的時(shí)間(jian)也是極其(qi)重要的參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變(bian)程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在(zai)外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)(chan)生形變的速(su)度或速率(lv)，直接影響材(cai)料形變過程(cheng)中材料內(nèi)(nei)部的能(neng)量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存于(yu)材料內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式(shi)（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)時(shí)的剪(jian)切應(yīng)力與剪切(qie)速率之間的(de)幾種(zhong)典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流(liu)體材料(liao)的形變關(guān)系，對(duì)(dui)比圖1的固體材料(liao)形變，其橫坐(zuo)標(biāo)的(de)形變程度已(yi)為形變速(su)率（定義為單位(wei)時(shí)間的形變(bian)量）所(suo)替代。不同(tong)的流體材(cai)料表現(xiàn)(xian)為非常不同(tong)的應(yīng)力與(yu)形變(bian)速率的關(guān)(guan)系，如牛(niu)頓流體，剪(jian)切切稀流體，剪(jian)切切稠流體，觸(chu)變性流體等。

雖然上述的流(liu)變行為能準(zhǔn)確(que)描述(shu)流體食(shi)品形變(bian)的基本(ben)行為(wei)或所需(xu)外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系，但(dan)是卻不能顯(xian)示外(wai)應(yīng)力形變(bian)后的(de)能量儲(chǔ)存與(yu)耗散(san)的情況。這(zhe)一點(diǎn)(dian)對(duì)于流體食品(pin)非常重(zhong)要，關(guān)系到流體(ti)食品在外(wai)應(yīng)力(li)消失后(hou)，是否能夠彈(dan)性恢(hui)復(fù)原來的(de)形狀。這(zhe)個(gè)性(xing)質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為(wei)黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形變振(zhen)幅方法來(lai)準(zhǔn)確(que)測量(liang)。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是(shi)它的兩個(gè)ji端(duan)情況：前者(zhe)意味著流體(ti)會(huì)像彈簧一樣(yang)儲(chǔ)存形變時(shí)(shi)的所有外加能(neng)量，當(dāng)外力(li)取消后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角)，后者則指(zhi)流體(ti)像水一(yi)樣，不具任(ren)何能量儲(chǔ)存(cun)能力，所(suo)有外加的(de)形變能量(liang)都會(huì)(hui)因分子或顆(ke)粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能并耗(hao)散（相角90度)。大部(bu)分流(liu)體食品(pin)即有一定的(de)彈性也(ye)有一定的黏(nian)性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角(jiao)為黏彈性的(de)切分點(diǎn)，小于45度彈(dan)性為主(zhu)，大于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈性的(de)表征稍顯(xian)復(fù)雜(za)，它與形(xing)變速率(lv)或頻率直(zhi)接相關(guān)。一般(ban)情況(kuang)下，當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率增(zeng)加時(shí)，流(liu)體食(shi)品的彈(dan)性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅的頻(pin)率降低(di)時(shí)，流體食(shi)品的黏(nian)性性質(zhì)會(huì)更加(jia)突出。

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

把流體材料的(de)這些本質(zhì)(zhi)特征組(zu)合可以形(xing)成另一個(gè)三(san)維度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見圖4三個(gè)維度分(fen)別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六個(gè)末端(duan)也可以用(yong)感官詞語來(lai)表達(dá)（見表2）。

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

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)模型

上述的三維模(mo)型可(ke)以準(zhǔn)確描述大(da)部分固體(ti)和流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布圖(tu)，以準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征。但(dan)是如何處理(li)軟固體或半固(gu)體食品，目(mu)前還(hai)沒有(you)一個(gè)好的辦(ban)法。軟(ruan)固體(ti)食品是非常廣(guang)泛的食品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)由形變程(cheng)度起主(zhu)導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如面(mian)包、饅頭、豆腐、果(guo)凍、凝膠類食品(pin)），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速(su)率起主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體(ti)（如酸奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如此(ci)廣泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)難以用一(yi)個(gè)模型來(lai)形容，作為一個(gè)(ge)大致的方法(fa)，可以根據(jù)軟(ruan)固體食品(pin)的形變程度和(he)形變速(su)率的作用(yong)程度，決(jue)定采用近似固(gu)體處(chu)理或(huo)近似流體處(chu)理。前(qian)者可以固體食(shi)品的三(san)維模型處理，而(er)后者基(ji)本上可(ke)以參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)來處理。

?

三維模型的(de)局限性

本文(wen)提出的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)，突破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是(shi)模型的(de)應(yīng)用仍有一定(ding)的局限性。首先(xian)，食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)只能(neng)適用于均相的(de)食品(pin)體系，對(duì)(dui)于多相混雜(za)的食品（例(li)如夾心餅干(gan)等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)該(gai)分相描(miao)述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能(neng)描述一(yi)些與分散(san)體系(xi)相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散(san)體系食品常(chang)常包含(han)分散顆(ke)粒，雖為均相(xiang)分布，但是(shi)這些分散(san)顆粒(li)除了影響(xiang)整體材料性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)帶來一(yi)些與(yu)顆粒相關(guān)(guan)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆(ke)粒感、粉(fen)感等(deng)。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型(xing)也不包(bao)括因食物入(ru)口后與唾液相(xiang)互作用(yong)而產(chǎn)生成(cheng)分或(huo)微結(jié)構(gòu)(gou)變化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑溜(liu)感等(deng)。

?

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖然已經(jīng)(jing)有如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成(cheng)熟的測(ce)量技(ji)術(shù)，但是流變儀(yi)測量(liang)的結(jié)果往往因(yin)其過(guo)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直接(jie)對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食品(pin)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(duì)的測(ce)量，很大程度(du)上只是定性測(ce)量，其測量的(de)方式和(he)測量的結(jié)果(guo)缺乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)室(shi)之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析結(jié)(jie)果無法(fa)直接比較。zui明(ming)顯的例(li)子是文獻(xiàn)(xian)上廣泛報(bào)道的(de)所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和(he)被嚴(yán)(yan)重誤用的(de)情況。我們(men)試圖(tu)從食品材(cai)料的形變原理(li)出發(fā)，揭示(shi)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)和(he)感官的(de)食品(pin)材料(liao)學(xué)本質(zhì)(zhi)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點(diǎn)是(shi)可以將(jiang)各類食品材(cai)料進(jìn)行可(ke)比較的量(liang)化分析，從而(er)建立(li)食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布，區(qū)分(fen)各食品之間(jian)的微妙(miao)的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異，為建立(li)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化體(ti)系提供了可靠(kao)的理(li)論依據(jù)。

?

原文由英國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作(zuo)者）與浙江工(gong)商大學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通(tong)訊作者）合(he)作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新(xin)整理寫(xie)作，有些地(di)方對(duì)原文稍有(you)修改(gai)。

?

致謝：本文寫(xie)作過(guo)程中，馬添先生(sheng)提出許(xu)多建設(shè)性(xing)的建議。