食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系到(dao)食品的口感(gan)，也顯著影(ying)響食物在(zai)口腔中(zhong)的風(fēng)味釋放與(yu)體驗。過去(qu)數(shù)十(shi)年中(zhong)，食品(pin)工業(yè)(ye)和食品科學(xué)(xue)界一(yi)直致力建(jian)立可行的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(ping)測的客觀方(fang)法，雖然取得(de)了許多進展，但(dan)是無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還(hai)是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的分析測(ce)量技術(shù)(shu)方面，都(dou)還存在許多問(wen)題，無(wu)法準(zhǔn)確(que)解釋消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)(fu)雜物(wu)理學(xué)原理，也不(bu)能很(hen)好滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量控(kong)制的(de)需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析的難(nan)點在于(yu)其多維度(du)和多尺度共存(cun)的本質(zhì)特點(dian)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shi)質(zhì)上是(shi)與食品材(cai)料物性相關(guān)的(de)且能(neng)被消費者感知(zhi)的一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且(qie)微妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)屬性，其相(xiang)對應(yīng)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)(zhi)具有多重與動(dong)態(tài)的特征(zheng)。因此(ci)很難期待(dai)用單一(yi)的方法來描(miao)述或(huo)測量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和(he)質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)多維(wei)性原(yuan)理，浙江工(gong)商大學(xué)(xue)食品口(kou)腔加(jia)工實(shi)驗室(shi)陳建設(shè)教授與(yu)英國諾丁(ding)漢大學(xué)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)出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，并以此準(zhǔn)確(que)量化不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)。這個新模型(xing)的提(ti)出，使得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為(wei)可能，也為數(shù)(shu)字化時代將傳(chuan)統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描述(shu)提供了理論(lun)依據(jù)。

食品的材(cai)料分(fen)類

食品(pin)的分類有很多(duo)種方法，最(zui)常見的是(shi)依據(jù)食(shi)品的形態(tài)，將其(qi)分為三大(da)類：固體食品，軟(ruan)（半）固體食品(pin)，流體食品。固(gu)體食(shi)品泛指那些可(ke)以抗拒(ju)重力并具有特(te)定形態(tài)且不(bu)易形變的食(shi)品，可分(fen)為干固體食品(pin)（如餅干(gan)、堅果、硬果糖等(deng)）和濕固體食品(pin)（如蘋果、梨等(deng)）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出(chu)其屈服閾(yu)值時，固體食(shi)品會直接斷裂(lie)或脆裂。流(liu)體食品(pin)是指那些無法(fa)抗拒重力(li)并不具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流(liu)動的食品，這(zhe)類食(shi)品以其(qi)裝載(zai)的容器(qi)的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力就可(ke)引起(qi)顯著(zhu)的形變。軟固體(ti)則介(jie)于兩者(zhe)之間，可抗拒(ju)重力并保(bao)持一定(ding)的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變(bian)，并最(zui)終破裂(lie)。

固體食品(pin)的三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食(shi)品形變(bian)時應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的典(dian)型關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上是食(shi)品形變特征的(de)口腔感受，與食(shi)品的材料性(xing)質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對于不(bu)同的食(shi)品材料，形(xing)變的(de)內(nèi)在決定因素(su)有著很大的(de)區(qū)別(bie)。對于(yu)固體食品(pin)，其形(xing)變程(cheng)度與形變所(suo)需的能量是(shi)兩個最重(zhong)要的物理(li)變量(liang)，也直(zhi)接為消(xiao)費者(zhe)所感知(zhi)。很幸運的(de)是，這兩個物理(li)變量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理定義并(bing)可以被客(ke)觀的量(liang)化測量。圖(tu)1所示(shi)既是固體(ti)食品(pin)的應(yīng)力與形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變所(suo)需的能量（或(huo)所作(zuo)的功）則為應(yīng)力(li)與形(xing)變距(ju)離的乘(cheng)積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線下方的(de)面積(ji)。一般可以根(gen)據(jù)食(shi)品形變所(suo)需的應(yīng)力(li)大小(xiao)將食(shi)品材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可(ke)將食品材(cai)料分為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線(xian)表現(xiàn)為(wei)四種典型的食(shi)品材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形變(bian)程度(du)與形變(bian)能量外，還(hai)有一項(xiang)非常重(zhong)要的體(ti)驗是(shi)其破碎程(cheng)度?；?yu)這樣的(de)思考，我們將固(gu)體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(ge)維度來量化(hua)描述：強度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度的(de)六個終(zhong)端分別用(yong)六個熟悉的(de)感官用語予以(yi)錨定：強度維(wei)度分(fen)別為強(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為(wei)硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分(fen)別為易碎性(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三個(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食品分為(wei)八個類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表1。

圖2. 固體食(shi)品材料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分布

表1中三個維(wei)度變量(liang)中，強(qiang)度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度(du)可用(yong)最大形變時(shi)的應(yīng)力來(lai)表示(shi)，具有(you)應(yīng)力單位（Pa）,而破碎(sui)度可用破碎(sui)前后的(de)顆粒大(da)小分布或破碎(sui)前后的總表面(mian)積相(xiang)比來量化，不(bu)具量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)

與固體食品不(bu)同，流(liu)體食品形變(bian)時除了其形(xing)變程度和形(xing)變所需能量外(wai)，其形變所(suo)需的時(shi)間也(ye)是極其重要的(de)參考參數(shù)。單(dan)位時間的(de)形變(bian)程度體(ti)現(xiàn)流體食品在(zai)外應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變的速(su)度或速率，直接(jie)影響材料(liao)形變過(guo)程中材料(liao)內(nèi)部的能量(liang)狀況，是儲(chu)存于材料內(nèi)(nei)部還是通(tong)過其他形(xing)式（如熱能）耗散(san)。

圖3. 流體食品(pin)剪切流動時的(de)剪切應(yīng)力(li)與剪切速率(lv)之間的(de)幾種典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流體材(cai)料的形變(bian)關(guān)系，對比圖(tu)1的固體材(cai)料形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形變(bian)程度已為形(xing)變速率（定義為(wei)單位時間的(de)形變量(liang)）所替代。不同(tong)的流體(ti)材料表現(xiàn)為(wei)非常不同(tong)的應(yīng)力(li)與形變速(su)率的關(guān)系(xi)，如牛頓流體，剪(jian)切切稀流(liu)體，剪切(qie)切稠流體(ti)，觸變性流體(ti)等。

雖然(ran)上述的流(liu)變行為能準(zhǔn)(zhun)確描述流(liu)體食品形變的(de)基本行為或(huo)所需外應(yīng)(ying)力（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻不(bu)能顯示外應(yīng)力(li)形變后(hou)的能量儲存與(yu)耗散的情況。這(zhe)一點對(dui)于流體食(shi)品非常重要，關(guān)(guan)系到流體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力消失后(hou)，是否能夠(gou)彈性恢復(fù)原來(lai)的形狀。這個(ge)性質(zhì)(zhi)在流變(bian)學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振(zhen)幅方法(fa)來準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它的(de)兩個(ge)ji端情況：前者意(yi)味著流體會(hui)像彈簧一(yi)樣儲存形變時(shi)的所有外(wai)加能量，當(dāng)(dang)外力取消后(hou)，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到(dao)原來狀(zhuang)態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則(ze)指流體像水一(yi)樣，不具(ju)任何能量儲存(cun)能力，所有(you)外加的形(xing)變能量都(dou)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)。大部分流(liu)體食品(pin)即有一定(ding)的彈性(xing)也有一定(ding)的黏性(xing)，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為(wei)黏彈性的切分(fen)點，小(xiao)于45度彈(dan)性為主，大于45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏(nian)彈性的表(biao)征稍顯復(fù)雜(za)，它與形變速(su)率或頻率直(zhi)接相(xiang)關(guān)。一(yi)般情(qing)況下，當(dāng)形(xing)變振幅的頻率(lv)增加時(shi)，流體(ti)食品(pin)的彈性傾向(xiang)加強；而當(dāng)形(xing)變振幅(fu)的頻率(lv)降低時(shi)，流體食品的(de)黏性性(xing)質(zhì)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

把流體材料(liao)的這(zhe)些本(ben)質(zhì)特征組合(he)可以形成另一(yi)個三維(wei)度的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖(tu)4三個維度(du)分別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端也可(ke)以用感(gan)官詞語來表(biao)達(dá)（見表(biao)2）。

表2. 流體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模(mo)型說明

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大部(bu)分固體和流(liu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征，形(xing)成食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)別(bie)不同(tong)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體(ti)或半固體食(shi)品，目前(qian)還沒有一(yi)個好(hao)的辦法。軟固體(ti)食品是非(fei)常廣泛的食(shi)品體系(xi)，包含(han)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變程(cheng)度起主導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體（如(ru)面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝膠(jiao)類食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變速(su)率起主導(dǎo)作(zuo)用的軟(ruan)固體（如酸奶和(he)其他糊狀類食(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(rong)，作為一(yi)個大致(zhi)的方法，可以(yi)根據(jù)(ju)軟固體(ti)食品的形變(bian)程度和形(xing)變速率(lv)的作用程度，決(jue)定采用近似(shi)固體(ti)處理或近似流(liu)體處(chu)理。前者(zhe)可以固體食(shi)品的三維模型(xing)處理(li)，而后(hou)者基本(ben)上可(ke)以參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理。

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三維模型(xing)的局限性(xing)

本文(wen)提出的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，突破了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模(mo)型的應(yīng)用仍有(you)一定(ding)的局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)只能(neng)適用(yong)于均相的食(shi)品體系，對于多(duo)相混雜(za)的食品(pin)（例如夾心(xin)餅干(gan)等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該分相(xiang)描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能描述(shu)一些與(yu)分散體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系食品常(chang)常包含分散顆(ke)粒，雖為均(jun)相分布，但是(shi)這些分散(san)顆粒(li)除了影響(xiang)整體材料(liao)性質(zhì)外，還(hai)會帶來(lai)一些與顆粒(li)相關(guān)(guan)的特(te)殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感(gan)特征，如(ru)顆粒感、粉感(gan)等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也不(bu)包括(kuo)因食(shi)物入口后(hou)與唾液(ye)相互作用而產(chǎn)(chan)生成分或微(wei)結(jié)構(gòu)(gou)變化因(yin)而引起(qi)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如澀(se)感、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析雖然(ran)已經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟(shu)的測量技(ji)術(shù)，但是流(liu)變儀測量(liang)的結(jié)果往(wang)往因其過于(yu)基礎(chǔ)(chu)性，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口感(gan)性質(zhì)的直(zhi)接對應(yīng)(ying)，而不被(bei)食品(pin)工業(yè)(ye)所接受(shou)。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(ce)量只能是(shi)相對的測(ce)量，很大程度(du)上只(zhi)是定性測量，其(qi)測量的方(fang)式和(he)測量的(de)結(jié)果缺(que)乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shi)驗室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析結(jié)果無(wu)法直(zhi)接比(bi)較。zui明(ming)顯的例子(zi)是文獻(xiàn)上(shang)廣泛報道(dao)的所謂的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷和(he)被嚴(yán)重誤(wu)用的情(qing)況。我(wo)們試(shi)圖從食(shi)品材料(liao)的形變原理出(chu)發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官(guan)的食品材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型的zui大(da)優(yōu)點是(shi)可以(yi)將各類食品(pin)材料進行(xing)可比較的量化(hua)分析(xi)，從而建立食品(pin)體系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)譜圖(tu)分布(bu)，區(qū)分(fen)各食品之(zhi)間的(de)微妙的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系提(ti)供了可靠(kao)的理(li)論依據(jù)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作(zuo)者）與浙(zhe)江工商(shang)大學(xué)陳建設(shè)教(jiao)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)(ju)原文重新整理(li)寫作，有些地(di)方對原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝：本文寫作(zuo)過程中(zhong)，馬添先生提出(chu)許多建設(shè)性的(de)建議。