食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接(jie)關(guān)系(xi)到食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響(xiang)食物在口腔中(zhong)的風(fēng)味釋放與(yu)體驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年(nian)中，食品(pin)工業(yè)和(he)食品(pin)科學(xué)界一(yi)直致力建立(li)可行(xing)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評(píng)測的客觀(guan)方法，雖然取得(de)了許(xu)多進(jìn)展(zhan)，但是(shi)無論在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論(lun)還是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)分析(xi)測量(liang)技術(shù)方面(mian)，都還存在(zai)許多(duo)問題，無(wu)法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)構(gòu)(gou)感官背后的(de)復(fù)雜物理學(xué)原(yuan)理，也(ye)不能很好滿(man)足食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的(de)難點(diǎn)(dian)在于(yu)其多維度和(he)多尺度(du)共存的本質(zhì)(zhi)特點(diǎn)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是與(yu)食品材料物(wu)性相關(guān)的(de)且能被(bei)消費(fèi)者(zhe)感知(zhi)的一系列(lie)性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)雜(za)且微(wei)妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其(qi)相對(duì)應(yīng)(ying)的材料學(xué)性質(zhì)(zhi)具有多(duo)重與動(dòng)(dong)態(tài)的特征。因(yin)此很(hen)難期待(dai)用單一的(de)方法(fa)來描述(shu)或測量食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性和(he)質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙(zhe)江工商大學(xué)食(shi)品口腔(qiang)加工(gong)實(shí)驗(yàn)室陳建設(shè)(she)教授(shou)與英國諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料(liao)學(xué)和(he)物性學(xué)(xue)原理出(chu)發(fā)，提出了食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模(mo)型，并(bing)以此準(zhǔn)確量化(hua)不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(gè)(ge)新模型的提(ti)出，使(shi)得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜圖成(cheng)為可能，也(ye)為數(shù)(shu)字化時(shí)代(dai)將傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)的感(gan)官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描(miao)述提供了理(li)論依據(jù)。

食品(pin)的材料分類(lei)

食品的分類有(you)很多種(zhong)方法(fa)，最常見的是(shi)依據(jù)(ju)食品的形態(tài)，將(jiang)其分為(wei)三大類：固(gu)體食品(pin)，軟（半）固體(ti)食品，流體食(shi)品。固(gu)體食品泛指那(na)些可以抗拒(ju)重力并具有特(te)定形態(tài)且(qie)不易形變(bian)的食品，可分為(wei)干固體食(shi)品（如餅干、堅(jiān)(jian)果、硬果糖(tang)等）和濕固(gu)體食品(pin)（如蘋果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)(ying)力超出(chu)其屈(qu)服閾值時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直(zhi)接斷(duan)裂或(huo)脆裂(lie)。流體食品(pin)是指(zhi)那些無法抗(kang)拒重力并(bing)不具自我(wo)形態(tài)的可自由(you)流動(dòng)的(de)食品，這類食(shi)品以其裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引起顯(xian)著的形變(bian)。軟固體則(ze)介于(yu)兩者(zhe)之間，可抗(kang)拒重力并保(bao)持一定的形態(tài)(tai)，但在弱外(wai)應(yīng)力作(zuo)用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變，并(bing)最終破裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體(ti)食品形變時(shí)應(yīng)(ying)力與應(yīng)(ying)變之間的典(dian)型關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上(shang)是食品形(xing)變特征的(de)口腔(qiang)感受(shou)，與食品(pin)的材料性(xing)質(zhì)直接相關(guān)(guan)。而對(duì)于不同的(de)食品材料(liao)，形變的(de)內(nèi)在(zai)決定因素有著(zhe)很大的區(qū)別(bie)。對(duì)于固體食(shi)品，其形變(bian)程度與(yu)形變所需的(de)能量是(shi)兩個(gè)最(zui)重要的物(wu)理變量(liang)，也直(zhi)接為消費(fèi)者(zhe)所感知。很幸運(yùn)(yun)的是，這兩(liang)個(gè)物(wu)理變量都有準(zhǔn)(zhun)確的(de)物理定(ding)義并可以(yi)被客觀的量(liang)化測量(liang)。圖1所示既(ji)是固體食品的(de)應(yīng)力與(yu)形變之間(jian)的關(guān)系，而形(xing)變所需的(de)能量(liang)（或所作的(de)功）則為(wei)應(yīng)力與形(xing)變距離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方的面(mian)積。一般可(ke)以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的應(yīng)(ying)力大小將食(shi)品材料大致(zhi)分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能量(liang)大小則可將食(shi)品材料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(ruo)(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(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其(qi)形變(bian)程度(du)與形變能(neng)量外，還有(you)一項(xiàng)非常(chang)重要的體驗(yàn)是(shi)其破碎程度(du)?；谶@(zhe)樣的思(si)考，我(wo)們將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三個(gè)維度(du)來量化描述(shu)：強(qiáng)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)終端分別(bie)用六個(gè)熟悉(xi)的感官用(yong)語予以錨定(ding)：強(qiáng)度維度(du)分別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分(fen)別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)維度的(de)量化數(shù)值把(ba)固體食品分為(wei)八個(gè)(ge)類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維(wei)模型

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)的三維(wei)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(wei)（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形變(bian)時(shí)的應(yīng)力來表(biao)示，具有應(yīng)(ying)力單(dan)位（Pa）,而破碎(sui)度可用破碎前(qian)后的顆粒(li)大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總(zong)表面積相(xiang)比來量化，不具(ju)量綱。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不同，流體(ti)食品(pin)形變(bian)時(shí)除了其形(xing)變程度和形變(bian)所需(xu)能量(liang)外，其(qi)形變所(suo)需的時(shí)間(jian)也是(shi)極其重要的參(can)考參數(shù)(shu)。單位時(shí)間(jian)的形變程度(du)體現(xiàn)流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力作用下產(chǎn)(chan)生形變的(de)速度或速率，直(zhi)接影響材(cai)料形變過(guo)程中材料內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲(chǔ)存于材料(liao)內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式（如(ru)熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流動(dòng)(dong)時(shí)的剪切應(yīng)(ying)力與剪(jian)切速(su)率之間的幾(ji)種典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流體(ti)材料(liao)的形變(bian)關(guān)系，對(duì)(dui)比圖(tu)1的固(gu)體材料形(xing)變，其(qi)橫坐(zuo)標(biāo)的形(xing)變程度已為(wei)形變速率（定義(yi)為單位時(shí)(shi)間的形變(bian)量）所替代。不(bu)同的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為非常(chang)不同(tong)的應(yīng)(ying)力與(yu)形變(bian)速率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀流體(ti)，剪切切稠流體(ti)，觸變性流體等(deng)。

雖然(ran)上述(shu)的流變行(xing)為能準(zhǔn)(zhun)確描述流體(ti)食品(pin)形變(bian)的基本(ben)行為或(huo)所需外(wai)應(yīng)力（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻不能(neng)顯示(shi)外應(yīng)力形(xing)變后的能(neng)量儲(chǔ)存(cun)與耗(hao)散的情況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)于流體食(shi)品非常重要(yao)，關(guān)系(xi)到流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力消(xiao)失后，是否能(neng)夠彈(dan)性恢復(fù)(fu)原來(lai)的形狀。這個(gè)(ge)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱為(wei)黏彈(dan)性，并可以用大(da)形變振幅(fu)方法來準(zhǔn)確(que)測量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是(shi)它的(de)兩個(gè)ji端情況(kuang)：前者意(yi)味著流體(ti)會(huì)像(xiang)彈簧一(yi)樣儲(chǔ)存形變(bian)時(shí)的所有外加(jia)能量，當(dāng)外力取(qu)消后，流(liu)體能(neng)wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角)，后者則指流(liu)體像水一樣(yang)，不具任何能量(liang)儲(chǔ)存能(neng)力，所有(you)外加的形變(bian)能量(liang)都會(huì)因分子或(huo)顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)闊?re)能并(bing)耗散（相角(jiao)90度)。大部分(fen)流體食品即有(you)一定的彈性也(ye)有一定的(de)黏性(xing)，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏彈(dan)性的切分(fen)點(diǎn)，小于(yu)45度彈(dan)性為主，大于(yu)45度則黏性(xing)為主(zhu)。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏彈(dan)性的表(biao)征稍(shao)顯復(fù)雜(za)，它與形變(bian)速率(lv)或頻率直接相(xiang)關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)(dang)形變(bian)振幅的(de)頻率增(zeng)加時(shí)(shi)，流體食品的彈(dan)性傾向加強(qiáng)(qiang)；而當(dāng)形變振幅(fu)的頻(pin)率降低時(shí)(shi)，流體(ti)食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)會(huì)更加(jia)突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型

把流體(ti)材料的這(zhe)些本質(zhì)特(te)征組合(he)可以形(xing)成另(ling)一個(gè)(ge)三維(wei)度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見圖4三個(gè)維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切稠性(xing)（或流動(dòng)行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的(de)六個(gè)末端也可(ke)以用(yong)感官詞語來(lai)表達(dá)（見(jian)表2）。

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

軟固體的質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

上述的三維模(mo)型可(ke)以準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)大部分固(gu)體和流(liu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的空間(jian)分布圖，以(yi)準(zhǔn)確(que)區(qū)別(bie)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但是如(ru)何處(chu)理軟固體或半(ban)固體食(shi)品，目前(qian)還沒(mei)有一個(gè)(ge)好的辦法。軟(ruan)固體食品是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系，包(bao)含質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變(bian)程度起(qi)主導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如面(mian)包、饅頭、豆腐、果(guo)凍、凝膠類食(shi)品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變速率(lv)起主導(dǎo)作(zuo)用的軟固體（如(ru)酸奶和其他(ta)糊狀類食品）。如(ru)此廣泛(fan)差異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以(yi)用一個(gè)模(mo)型來形容(rong)，作為一個(gè)大致(zhi)的方法，可以(yi)根據(jù)軟固體(ti)食品(pin)的形變程度(du)和形變速率(lv)的作(zuo)用程度，決定采(cai)用近似固(gu)體處理或近(jin)似流體(ti)處理。前者可以(yi)固體(ti)食品的(de)三維模(mo)型處理，而后者(zhe)基本上可以(yi)參照流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處理(li)。

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三維模型的(de)局限性(xing)

本文(wen)提出(chu)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，突破(po)了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)(tong)理論，但(dan)是模型的應(yīng)(ying)用仍有一(yi)定的局限(xian)性。首(shou)先，食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)只能適用于均(jun)相的食品體系(xi)，對(duì)于(yu)多相混雜的(de)食品(pin)（例如夾心(xin)餅干等），其質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應(yīng)(ying)該分相描述。第(di)二，三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不能描(miao)述一些與分散(san)體系相(xiang)關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體系食(shi)品常(chang)常包含分散(san)顆粒，雖為(wei)均相(xiang)分布，但是(shi)這些分散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性(xing)質(zhì)外，還會(huì)(hui)帶來一些(xie)與顆粒相關(guān)(guan)的特(te)殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感(gan)特征，如顆(ke)粒感、粉(fen)感等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三(san)維模(mo)型也不(bu)包括(kuo)因食物入口后(hou)與唾液(ye)相互作用而(er)產(chǎn)生成分(fen)或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引(yin)起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)，如澀(se)感、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然已經(jīng)有(you)如流變(bian)儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀(yi)等一些成熟(shu)的測量(liang)技術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀(yi)測量的結(jié)果往(wang)往因其(qi)過于基礎(chǔ)性，缺(que)乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口感性(xing)質(zhì)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)(ying)，而不被(bei)食品工業(yè)(ye)所接受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀測量(liang)只能(neng)是相對(duì)的(de)測量，很大(da)程度上只是定(ding)性測量，其測(ce)量的方(fang)式和測量的(de)結(jié)果缺乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)，各(ge)實(shí)驗(yàn)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法(fa)直接比(bi)較。zui明顯的(de)例子是文獻(xiàn)(xian)上廣泛報(bào)道的(de)所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯的(de)缺陷和(he)被嚴(yán)重(zhong)誤用的情況(kuang)。我們(men)試圖從食(shi)品材料(liao)的形(xing)變原理(li)出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)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(xing)的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以(yi)將各類食(shi)品材料進(jìn)行(xing)可比較的量(liang)化分析，從而建(jian)立食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)譜圖分布(bu)，區(qū)分各(ge)食品之間的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字(zi)化體(ti)系提(ti)供了可靠(kao)的理論依據(jù)(ju)。

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原文(wen)由英國(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江工商(shang)大學(xué)陳建設(shè)(she)教授（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文重新整(zheng)理寫(xie)作，有(you)些地(di)方對(duì)原文稍有(you)修改。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中，馬(ma)添先(xian)生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的建(jian)議。