食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接關(guān)系(xi)到食品的(de)口感(gan)，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中的風(feng)味釋(shi)放與(yu)體驗。過(guo)去數(shù)十(shi)年中，食(shi)品工業(yè)和(he)食品(pin)科學界一直(zhi)致力(li)建立可(ke)行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評測的(de)客觀方(fang)法，雖然(ran)取得了許多(duo)進展，但是無(wu)論在(zai)食品(pin)質(zhì)構(gòu)理論(lun)還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測(ce)量技術(shù)方(fang)面，都(dou)還存在許多問(wen)題，無(wu)法準(zhun)確解釋消費(fei)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官背后(hou)的復雜物(wu)理學原理(li)，也不能很(hen)好滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量控制(zhi)的需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難(nan)點在于其(qi)多維度(du)和多尺度共存(cun)的本(ben)質(zhì)特點(dian)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)實質(zhì)(zhi)上是(shi)與食(shi)品材料物性(xing)相關(guān)的且(qie)能被消費(fei)者感知的一系(xi)列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含(han)很多(duo)復雜且微妙(miao)變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性(xing)，其相對應(ying)的材料(liao)學性質(zhì)具(ju)有多重(zhong)與動態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待(dai)用單一的方(fang)法來描(miao)述或測量(liang)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)和質(zhì)(zhi)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維(wei)性原理，浙江工(gong)商大學食品口(kou)腔加工實驗(yan)室陳建設教授(shou)與英國(guo)諾丁漢(han)大學Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xue)和物性學(xue)原理出發(fā)(fa)，提出了食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，并以此(ci)準確量(liang)化不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個新(xin)模型的(de)提出(chu)，使得(de)建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖成為(wei)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)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)(ju)。

食品的(de)材料分類

食品的(de)分類有很多(duo)種方法(fa)，最常見的(de)是依據(jù)(ju)食品的形態(tài)，將(jiang)其分為(wei)三大類(lei)：固體食品，軟(ruan)（半）固體(ti)食品，流(liu)體食品。固體食(shi)品泛指那些(xie)可以抗拒重力(li)并具有特定形(xing)態(tài)且不易形變(bian)的食品，可分(fen)為干固(gu)體食品（如餅(bing)干、堅果(guo)、硬果(guo)糖等）和濕(shi)固體食品（如(ru)蘋果(guo)、梨等）。當外(wai)應力超(chao)出其(qi)屈服(fu)閾值時，固體(ti)食品會直(zhi)接斷裂或脆(cui)裂。流體食品(pin)是指那些無(wu)法抗拒重力(li)并不具自我(wo)形態(tài)的可(ke)自由流動的食(shi)品，這類(lei)食品以(yi)其裝(zhuang)載的(de)容器的形態(tài)(tai)為形態(tài)(tai)，極微小的應力(li)就可(ke)引起顯著(zhu)的形變(bian)。軟固體則介于(yu)兩者之間(jian)，可抗拒重力并(bing)保持一(yi)定的形態(tài)，但(dan)在弱(ruo)外應力作用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變，并(bing)最終破裂(lie)。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品(pin)形變時(shi)應力與應變之(zhi)間的典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)(zhi)上是食品形(xing)變特征的(de)口腔感受，與(yu)食品的材(cai)料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而(er)對于不同(tong)的食品材料(liao)，形變的內(nèi)在(zai)決定因素(su)有著很大的(de)區(qū)別(bie)。對于固體(ti)食品(pin)，其形(xing)變程度與(yu)形變所需的能(neng)量是兩個(ge)最重要(yao)的物理變量，也(ye)直接為(wei)消費者所感(gan)知。很(hen)幸運的是(shi)，這兩(liang)個物理變量都(dou)有準(zhun)確的物理定(ding)義并(bing)可以被客觀(guan)的量化(hua)測量。圖(tu)1所示既是固(gu)體食品的應力(li)與形變之間的(de)關(guān)系，而形變所(suo)需的能量（或所(suo)作的(de)功）則為(wei)應力與形(xing)變距(ju)離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(ying)力線下方(fang)的面(mian)積。一(yi)般可以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的(de)應力(li)大小將食品(pin)材料大(da)致分為硬(ying)(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需的能(neng)量大小則(ze)可將食品材料(liao)分為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表(biao)現(xiàn)為(wei)四種(zhong)典型的食品(pin)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(qie)強(Soft and strong)。

當然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其(qi)形變程(cheng)度與(yu)形變能量外，還(hai)有一項非常(chang)重要的(de)體驗是(shi)其破碎程度?；?ji)于這樣(yang)的思考，我(wo)們將固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)用三(san)個維度來(lai)量化(hua)描述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分別用六(liu)個熟悉的(de)感官用語(yu)予以錨(mao)定：強度維(wei)度分(fen)別為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別(bie)為易碎性(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個維(wei)度的量化數(shù)值(zhi)把固(gu)體食品分為(wei)八個(ge)類別，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

表1. 一些典型固(gu)體食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三維(wei)分布

表1中三個維度變(bian)量中(zhong)，強度具有(you)能量單位(wei)（Pa.m或者(zhe)J），硬度可用(yong)最大(da)形變(bian)時的應力來表(biao)示，具有應力(li)單位(wei)（Pa）,而破碎度(du)可用破碎(sui)前后的(de)顆粒(li)大小分布或破(po)碎前后的(de)總表(biao)面積相(xiang)比來量化，不(bu)具量(liang)綱。

流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不同，流體(ti)食品形變時(shi)除了(le)其形變程度(du)和形變(bian)所需能量外(wai)，其形變(bian)所需的(de)時間也是極(ji)其重要的參考(kao)參數(shù)。單位時(shi)間的形變程(cheng)度體現(xiàn)流體(ti)食品在(zai)外應力作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變的速度或速(su)率，直接影響(xiang)材料(liao)形變過程中材(cai)料內(nèi)部(bu)的能(neng)量狀況，是儲存(cun)于材料內(nèi)部還(hai)是通(tong)過其他形(xing)式（如熱(re)能）耗散(san)。

圖3. 流體食品剪(jian)切流(liu)動時的剪切(qie)應力與剪(jian)切速率之間的(de)幾種(zhong)典型(xing)關(guān)系

圖3給出了流(liu)體材料的形(xing)變關(guān)系，對比圖(tu)1的固體(ti)材料形(xing)變，其橫坐(zuo)標的形變程度(du)已為形變速(su)率（定(ding)義為單位時(shi)間的(de)形變量）所(suo)替代。不同的(de)流體(ti)材料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應力(li)與形變(bian)速率的關(guān)系(xi)，如牛(niu)頓流體，剪切切(qie)稀流體，剪切(qie)切稠流體，觸變(bian)性流體等(deng)。

雖然上述的流(liu)變行為能準(zhun)確描(miao)述流體食品形(xing)變的(de)基本行為或所(suo)需外應力(li)（能量）的關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示外(wai)應力(li)形變(bian)后的能量(liang)儲存與(yu)耗散的情(qing)況。這一(yi)點對(dui)于流體食(shi)品非常(chang)重要，關(guān)系到流(liu)體食品在外(wai)應力消失(shi)后，是否能夠(gou)彈性恢(hui)復原來的形狀(zhuang)。這個性質(zhì)在(zai)流變(bian)學中稱(cheng)為黏(nian)彈性(xing)，并可以用大形(xing)變振幅方法(fa)來準確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它(ta)的兩個(ge)ji端情況(kuang)：前者意味(wei)著流體會(hui)像彈簧一樣儲(chu)存形(xing)變時的所有外(wai)加能(neng)量，當外力取(qu)消后(hou)，流體(ti)能wanquan恢復到(dao)原來狀態(tài)(tai)（零度(du)相角)，后者則指流(liu)體像水(shui)一樣，不具任(ren)何能量儲存(cun)能力，所(suo)有外加的形(xing)變能量(liang)都會(hui)因分子(zi)或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并(bing)耗散（相角90度)。大部分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有(you)一定的黏(nian)性，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的(de)切分點，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性為主(zhu)。

當然，流體食品(pin)黏彈性的(de)表征(zheng)稍顯復雜，它(ta)與形變速率(lv)或頻率(lv)直接(jie)相關(guān)。一般(ban)情況下(xia)，當形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時，流體食品的(de)彈性傾向(xiang)加強(qiang)；而當形變振幅(fu)的頻率降(jiang)低時，流(liu)體食(shi)品的黏性性(xing)質(zhì)會(hui)更加突(tu)出。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型

把流(liu)體材(cai)料的這些本質(zhì)(zhi)特征(zheng)組合可以形成(cheng)另一(yi)個三維度(du)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見圖4三個維(wei)度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠(chou)性（或流動(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的六個末(mo)端也可(ke)以用(yong)感官詞語來表(biao)達（見(jian)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(gu)體的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述的三(san)維模型可以(yi)準確描述大部(bu)分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成(cheng)食品質(zhì)構(gòu)的空(kong)間分布圖(tu)，以準確區(qū)(qu)別不(bu)同食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)。但是如何(he)處理軟固體(ti)或半固體(ti)食品，目(mu)前還沒有一(yi)個好的辦法(fa)。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣泛的食品(pin)體系(xi)，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變(bian)程度起(qi)主導(dao)作用的軟(ruan)固體（如面(mian)包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝(ning)膠類(lei)食品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由(you)形變速(su)率起主(zhu)導作用(yong)的軟(ruan)固體（如酸奶(nai)和其他糊狀(zhuang)類食(shi)品）。如(ru)此廣泛(fan)差異的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以(yi)用一個模型來(lai)形容，作為一個(ge)大致(zhi)的方(fang)法，可以(yi)根據(jù)軟固(gu)體食品的(de)形變程度(du)和形變(bian)速率的作用程(cheng)度，決定采(cai)用近(jin)似固體處理(li)或近(jin)似流體處(chu)理。前者可以(yi)固體食品的(de)三維模(mo)型處(chu)理，而后者(zhe)基本上可以參(can)照流(liu)體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理。

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三維模(mo)型的局(ju)限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，突破了食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理(li)論，但是模型的(de)應用(yong)仍有一(yi)定的(de)局限性。首(shou)先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型只能(neng)適用于(yu)均相(xiang)的食品體(ti)系，對于多相(xiang)混雜(za)的食品(pin)（例如夾(jia)心餅干(gan)等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征則應該分(fen)相描述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不(bu)能描述一些(xie)與分散體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體(ti)系食品常常(chang)包含分散顆粒(li)，雖為均相分布(bu)，但是這些分(fen)散顆粒除了(le)影響整體材(cai)料性質(zhì)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(kou)感特征，如顆粒(li)感、粉感等。另(ling)外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型也不(bu)包括(kuo)因食物(wu)入口后與唾液(ye)相互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成分或微(wei)結(jié)構(gòu)變化因而(er)引起(qi)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)有如流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一(yi)些成(cheng)熟的測量(liang)技術(shù)，但是(shi)流變儀測量(liang)的結(jié)(jie)果往往因其(qi)過于基礎性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)(zhi)的直接對(dui)應，而不(bu)被食品工(gong)業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測量(liang)只能(neng)是相對(dui)的測(ce)量，很大程(cheng)度上只(zhi)是定性(xing)測量(liang)，其測量的(de)方式和測量(liang)的結(jié)果缺乏(fa)明確的(de)標準，各實驗室(shi)之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析結(jié)(jie)果無(wu)法直接比較(jiao)。zui明顯的例(li)子是文(wen)獻上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分(fen)析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺(que)陷和被(bei)嚴重誤用的情(qing)況。我們試圖(tu)從食品(pin)材料的(de)形變(bian)原理出發(fā)(fa)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)感官的食品材(cai)料學本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型的(de)zui大優(yōu)點是(shi)可以將(jiang)各類(lei)食品材(cai)料進(jin)行可比較的(de)量化分析(xi)，從而(er)建立(li)食品體系(xi)的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜圖分布(bu)，區(qū)分(fen)各食品之間(jian)的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建立(li)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化體(ti)系提供(gong)了可靠(kao)的理論(lun)依據(jù)。

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原文(wen)由英國諾丁(ding)漢大學Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者(zhe)）與浙江(jiang)工商大學陳(chen)建設教授(shou)（通訊作(zuo)者）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(li)寫作，有些(xie)地方對原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝(xie)：本文寫作過(guo)程中，馬添先(xian)生提出許多建(jian)設性的建議。