食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅(jin)直接關(guān)(guan)系到(dao)食品(pin)的口(kou)感，也顯著影(ying)響食物在口(kou)腔中的風(fēng)(feng)味釋放(fang)與體驗(yàn)(yan)。過去數(shù)十年中(zhong)，食品工業(yè)(ye)和食品科學(xué)(xue)界一直致(zhi)力建立可行的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(ping)測的客觀方(fang)法，雖然取(qu)得了許(xu)多進(jìn)展，但是無(wu)論在食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)理論還是(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技(ji)術(shù)方面，都還(hai)存在許多(duo)問題，無法準(zhǔn)確(que)解釋消費(fèi)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)原理(li)，也不能很(hen)好滿足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量控制(zhi)的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)的難點(diǎn)在于(yu)其多(duo)維度和(he)多尺(chi)度共存的(de)本質(zhì)特點(diǎn)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shí)質(zhì)上(shang)是與(yu)食品(pin)材料物性相關(guān)(guan)的且(qie)能被(bei)消費(fèi)者(zhe)感知的一(yi)系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其相(xiang)對應(yīng)的材料(liao)學(xué)性(xing)質(zhì)具(ju)有多(duo)重與動(dòng)態(tài)(tai)的特(te)征。因此很(hen)難期(qi)待用單一的(de)方法(fa)來描述或測量(liang)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于(yu)食品質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原理(li)，浙江工商(shang)大學(xué)食(shi)品口腔(qiang)加工(gong)實(shí)驗(yàn)(yan)室陳建設(shè)教(jiao)授與(yu)英國(guo)諾丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材(cai)料學(xué)和物性(xing)學(xué)原理出發(fā)，提(ti)出了食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，并(bing)以此準(zhǔn)確(que)量化不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(gè)新(xin)模型的提出，使(shi)得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可(ke)能，也為數(shù)(shu)字化時(shí)代將(jiang)傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)的(de)感官(guan)詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化(hua)描述(shu)提供了理論(lun)依據(jù)。

食品(pin)的材(cai)料分類

食品(pin)的分類有(you)很多(duo)種方法，最常(chang)見的(de)是依據(jù)食品的(de)形態(tài)(tai)，將其分為三大(da)類：固體(ti)食品，軟（半）固(gu)體食(shi)品，流體(ti)食品。固體食(shi)品泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力(li)并具有特定(ding)形態(tài)且不(bu)易形變(bian)的食品，可分(fen)為干(gan)固體食品（如餅(bing)干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖等）和濕(shi)固體食(shi)品（如蘋果、梨(li)等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超出(chu)其屈服閾值時(shí)(shi)，固體(ti)食品會(huì)直接斷(duan)裂或脆(cui)裂。流體食品是(shi)指那些(xie)無法抗拒重力(li)并不具自我形(xing)態(tài)的可自由(you)流動(dòng)的食品(pin)，這類(lei)食品以(yi)其裝載的容器(qi)的形(xing)態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引(yin)起顯著(zhu)的形變。軟固體(ti)則介于兩者之(zhi)間，可抗拒重力(li)并保持一定的(de)形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力(li)作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

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

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是(shi)食品形(xing)變特(te)征的口腔(qiang)感受，與(yu)食品的(de)材料性質(zhì)(zhi)直接(jie)相關(guān)。而對于不(bu)同的食品材料(liao)，形變的內(nèi)在(zai)決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)別。對于(yu)固體(ti)食品，其形變程(cheng)度與形變所(suo)需的能量是(shi)兩個(gè)最重要(yao)的物理變(bian)量，也直接(jie)為消費(fèi)者所感(gan)知。很幸運(yùn)(yun)的是，這兩個(gè)物(wu)理變量(liang)都有準(zhǔn)確的物(wu)理定義并可(ke)以被客(ke)觀的(de)量化測(ce)量。圖1所示既是固體(ti)食品(pin)的應(yīng)力(li)與形(xing)變之間的關(guān)系(xi)，而形變(bian)所需(xu)的能量(liang)（或所作(zuo)的功）則為(wei)應(yīng)力(li)與形(xing)變距離的乘(cheng)積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線下方(fang)的面積。一般可(ke)以根據(jù)食品形(xing)變所需(xu)的應(yīng)力大小將(jiang)食品材料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變所需(xu)的能量大(da)小則可將食品(pin)材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且(qie)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)除了其形(xing)變程(cheng)度與形(xing)變能量外，還(hai)有一(yi)項(xiàng)非常重(zhong)要的體驗(yàn)是(shi)其破(po)碎程度?；?yu)這樣的思考，我(wo)們將固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三(san)個(gè)維度來量(liang)化描(miao)述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分別用六個(gè)(ge)熟悉的感官用(yong)語予以錨(mao)定：強(qiáng)度維(wei)度分(fen)別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為易(yi)碎性(Brittle)和可(ke)塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三(san)個(gè)維(wei)度的量化數(shù)值(zhi)把固體(ti)食品分為(wei)八個(gè)(ge)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特(te)性的(de)三維模(mo)型

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)的三(san)維分布

表1中三個(gè)維度變(bian)量中(zhong)，強(qiáng)度具有能(neng)量單位（Pa.m或者(zhe)J），硬度(du)可用最(zui)大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力來(lai)表示，具(ju)有應(yīng)力單位（Pa）,而破碎度(du)可用(yong)破碎前后的顆(ke)粒大小(xiao)分布或破碎前(qian)后的總(zong)表面積相比來(lai)量化，不具量綱(gang)。

流體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)

與固體(ti)食品不同(tong)，流體食品(pin)形變時(shí)除了(le)其形變程(cheng)度和形變所(suo)需能(neng)量外，其形變所(suo)需的時(shí)間也是(shi)極其(qi)重要的參考(kao)參數(shù)。單位時(shí)(shi)間的(de)形變(bian)程度體現(xiàn)(xian)流體食品在外(wai)應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)(chan)生形變的(de)速度或速(su)率，直(zhi)接影響材料(liao)形變過(guo)程中材料內(nèi)(nei)部的能量(liang)狀況(kuang)，是儲(chǔ)存于(yu)材料內(nèi)部(bu)還是通(tong)過其(qi)他形式(shi)（如熱(re)能）耗(hao)散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力與剪(jian)切速率之間(jian)的幾(ji)種典型關(guān)系(xi)

圖3給出(chu)了流(liu)體材料的形變(bian)關(guān)系，對(dui)比圖1的固體材料形(xing)變，其橫坐標(biāo)(biao)的形(xing)變程度已(yi)為形變速率（定(ding)義為單(dan)位時(shí)間的形變(bian)量）所(suo)替代。不同的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為非(fei)常不同的應(yīng)力(li)與形變速率的(de)關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀(xi)流體，剪切切稠(chou)流體，觸(chu)變性流體等。

雖然(ran)上述的流變(bian)行為能準(zhǔn)確描(miao)述流體食品形(xing)變的基本行(xing)為或所需(xu)外應(yīng)力(li)（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻(que)不能顯(xian)示外應(yīng)力形變(bian)后的(de)能量儲(chǔ)(chu)存與耗(hao)散的(de)情況。這一點(diǎn)(dian)對于流體食品(pin)非常重要(yao)，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)力消失(shi)后，是否能(neng)夠彈性(xing)恢復(fù)原來的(de)形狀(zhuang)。這個(gè)性質(zhì)在(zai)流變學(xué)中稱為(wei)黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形變振(zhen)幅方法(fa)來準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性(xing)是它的兩個(gè)(ge)ji端情況：前(qian)者意味著流體(ti)會(huì)像(xiang)彈簧一樣儲(chǔ)存(cun)形變時(shí)(shi)的所有外加(jia)能量，當(dāng)外力(li)取消后(hou)，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零(ling)度相角(jiao))，后者則指流體(ti)像水一(yi)樣，不具(ju)任何(he)能量(liang)儲(chǔ)存(cun)能力，所有外(wai)加的(de)形變(bian)能量都(dou)會(huì)因分(fen)子或顆(ke)粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗散(san)（相角90度)。大部分流(liu)體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一(yi)定的黏性，相(xiang)角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相(xiang)角為(wei)黏彈性的切(qie)分點(diǎn)，小于45度彈性為主，大(da)于45度則黏性(xing)為主。

當(dāng)然，流體(ti)食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯(xian)復(fù)雜，它(ta)與形變速(su)率或頻(pin)率直接(jie)相關(guān)。一(yi)般情況下(xia)，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率(lv)增加時(shí)，流體食(shi)品的彈性(xing)傾向加強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變(bian)振幅的頻率降(jiang)低時(shí)，流體食(shi)品的黏性性(xing)質(zhì)會(huì)(hui)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

把流體(ti)材料的這些本(ben)質(zhì)特征組合可(ke)以形成另一(yi)個(gè)三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖(tu)4三個(gè)維度分(fen)別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流(liu)動(dòng)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六個(gè)末端(duan)也可以用(yong)感官(guan)詞語來(lai)表達(dá)（見表2）。

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

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)確(que)描述大部分(fen)固體和流(liu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，形成食品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體(ti)或半(ban)固體食品，目(mu)前還沒有一(yi)個(gè)好的辦(ban)法。軟固(gu)體食品(pin)是非(fei)常廣泛(fan)的食品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)由形變程(cheng)度起(qi)主導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐(fu)、果凍、凝膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)作(zuo)用的軟固體（如(ru)酸奶和(he)其他糊狀類食(shi)品）。如此(ci)廣泛差(cha)異的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以用一個(gè)(ge)模型來形(xing)容，作為一(yi)個(gè)大致(zhi)的方(fang)法，可以根據(jù)(ju)軟固(gu)體食品的形(xing)變程度和形變(bian)速率的(de)作用(yong)程度(du)，決定采用近似(shi)固體處(chu)理或近似(shi)流體處理。前(qian)者可以固體(ti)食品的(de)三維模型(xing)處理(li)，而后者基本上(shang)可以參照流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理。

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三維模型的(de)局限性(xing)

本文提(ti)出的食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突(tu)破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理論，但是(shi)模型的應(yīng)用(yong)仍有一(yi)定的局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型只(zhi)能適用于(yu)均相的食品(pin)體系，對于(yu)多相混(hun)雜的食(shi)品（例如夾心(xin)餅干(gan)等），其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)該分相描(miao)述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不能描(miao)述一些與分(fen)散體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系(xi)食品常(chang)常包含分(fen)散顆(ke)粒，雖為均相分(fen)布，但是這些(xie)分散顆粒(li)除了(le)影響整(zheng)體材料性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)帶來(lai)一些與顆(ke)粒相關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特(te)征，如(ru)顆粒(li)感、粉(fen)感等(deng)。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三(san)維模型(xing)也不包括因食(shi)物入(ru)口后與(yu)唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)生(sheng)成分或微(wei)結(jié)構(gòu)(gou)變化(hua)因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀(se)感、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)有如(ru)流變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一(yi)些成熟(shu)的測量技(ji)術(shù)，但是流變儀(yi)測量的(de)結(jié)果往往(wang)因其過(guo)于基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)口(kou)感性(xing)質(zhì)的直接(jie)對應(yīng)，而不被(bei)食品工業(yè)所(suo)接受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只(zhi)能是相對的測(ce)量，很(hen)大程(cheng)度上只是(shi)定性測量，其(qi)測量的方(fang)式和測量的結(jié)(jie)果缺乏(fa)明確的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法直(zhi)接比較。zui明顯(xian)的例子是(shi)文獻(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)道的所(suo)謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷(xian)和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情(qing)況。我們試(shi)圖從食品(pin)材料的形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)和感官(guan)的食品材(cai)料學(xué)(xue)本質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型(xing)的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各(ge)類食(shi)品材料進(jìn)行(xing)可比較的量化(hua)分析，從而建立(li)食品(pin)體系(xi)的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖分布(bu)，區(qū)分各食品(pin)之間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系(xi)提供了可靠(kao)的理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與(yu)浙江工商大學(xué)(xue)陳建(jian)設(shè)教授（通(tong)訊作(zuo)者）合(he)作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原文(wen)重新整(zheng)理寫(xie)作，有些地方對(dui)原文(wen)稍有(you)修改。

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致謝：本文(wen)寫作過程中，馬(ma)添先生(sheng)提出許多建設(shè)(she)性的建議。