食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)不僅直接(jie)關(guān)系到食品(pin)的口感(gan)，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中(zhong)的風(fēng)(feng)味釋(shi)放與(yu)體驗(yàn)。過(guò)去(qu)數(shù)十年中，食品(pin)工業(yè)和(he)食品科學(xué)界一(yi)直致力建立可(ke)行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測(cè)的(de)客觀(guān)方法(fa)，雖然取得了許(xu)多進(jìn)展，但是(shi)無(wú)論在(zai)食品(pin)質(zhì)構(gòu)理論(lun)還是食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分(fen)析測(cè)量技術(shù)方(fang)面，都還存在(zai)許多問(wèn)題，無(wú)(wu)法準(zhǔn)確解(jie)釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)雜(za)物理(li)學(xué)原理，也(ye)不能很好(hao)滿(mǎn)足食品(pin)工業(yè)質(zhì)量(liang)控制(zhi)的需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)(dian)在于其多(duo)維度和多尺(chi)度共(gong)存的(de)本質(zhì)特點(diǎn)(dian)。食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是與(yu)食品材料(liao)物性相關(guān)的(de)且能被消費(fèi)者(zhe)感知的(de)一系列(lie)性質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱(chēng)，包(bao)含很(hen)多復(fù)雜且微妙(miao)變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其(qi)相對(duì)應(yīng)的材料(liao)學(xué)性質(zhì)(zhi)具有(you)多重與(yu)動(dòng)態(tài)的特征(zheng)。因此很(hen)難期待用(yong)單一的方(fang)法來(lái)描述或測(cè)(ce)量食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和(he)質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性原(yuan)理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)(yan)室陳(chen)建設(shè)教授(shou)與英國(guó)(guo)諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料(liao)學(xué)和物性(xing)學(xué)原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型，并以(yi)此準(zhǔn)(zhun)確量化不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這個(gè)新(xin)模型的提出(chu)，使得建(jian)立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖(tu)成為(wei)可能，也(ye)為數(shù)字化時(shí)(shi)代將傳統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞(ci)語(yǔ)描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描述提(ti)供了理論(lun)依據(jù)。

食品的材料分(fen)類(lèi)

食品的(de)分類(lèi)有(you)很多種(zhong)方法，最常(chang)見(jiàn)的是依據(jù)食(shi)品的(de)形態(tài)，將其(qi)分為三(san)大類(lèi)：固體食品(pin)，軟（半）固體食(shi)品，流體食(shi)品。固體食品(pin)泛指那些(xie)可以抗拒(ju)重力(li)并具有(you)特定形(xing)態(tài)且不易形變(bian)的食品，可分為(wei)干固(gu)體食品（如(ru)餅干、堅(jiān)果、硬(ying)果糖(tang)等）和濕(shi)固體食品（如蘋(píng)(ping)果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈(qu)服閾值時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品是指那(na)些無(wú)法抗拒(ju)重力(li)并不(bu)具自(zi)我形態(tài)的可(ke)自由流動(dòng)的(de)食品，這類(lèi)食品(pin)以其裝(zhuang)載的容(rong)器的形態(tài)(tai)為形(xing)態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)力(li)就可引起顯(xian)著的形變。軟(ruan)固體則介于兩(liang)者之間(jian)，可抗拒(ju)重力并(bing)保持(chi)一定的形(xing)態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力(li)作用下產(chǎn)生形(xing)變，并(bing)最終破(po)裂。

固體食(shi)品的三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食(shi)品形變時(shí)(shi)應(yīng)力與應(yīng)變之(zhi)間的(de)典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食(shi)品形變(bian)特征的(de)口腔感受，與食(shi)品的材(cai)料性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)。而對(duì)于(yu)不同(tong)的食品(pin)材料(liao)，形變(bian)的內(nèi)在(zai)決定(ding)因素有著很(hen)大的(de)區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品(pin)，其形(xing)變程度與形(xing)變所需的能(neng)量是兩個(gè)(ge)最重要的物理(li)變量，也直(zhi)接為消費(fèi)者所(suo)感知(zhi)。很幸運(yùn)的是(shi)，這兩個(gè)物理(li)變量都有(you)準(zhǔn)確的(de)物理定義并可(ke)以被客觀(guān)(guan)的量(liang)化測(cè)量。圖1所示(shi)既是固體食品(pin)的應(yīng)力(li)與形(xing)變之間的關(guān)系(xi)，而形變所需的(de)能量（或(huo)所作的功）則(ze)為應(yīng)力與形(xing)變距離的(de)乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線(xiàn)(xian)下方的面積。一(yi)般可以根據(jù)(ju)食品(pin)形變(bian)所需的(de)應(yīng)力大小將食(shi)品材料大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變(bian)所需的能(neng)量大(da)小則可將(jiang)食品材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四條直線(xiàn)(xian)表現(xiàn)(xian)為四種典型(xing)的食(shi)品材料(liao)：(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)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)除了其形(xing)變程(cheng)度與形(xing)變能量外，還(hai)有一(yi)項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是其破(po)碎程度。基(ji)于這樣(yang)的思考，我們將(jiang)固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)用三個(gè)(ge)維度來(lái)量化(hua)描述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)(ge)終端分別用六(liu)個(gè)熟悉的(de)感官用語(yǔ)(yu)予以(yi)錨定(ding)：強(qiáng)度維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度(du)維度分別為(wei)硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維度(du)分別(bie)為易碎性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見(jiàn)圖(tu)2）。據(jù)此，可(ke)以根(gen)據(jù)三個(gè)維(wei)度的量化(hua)數(shù)值(zhi)把固體食品分(fen)為八個(gè)(ge)類(lèi)別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jiàn)(jian)表1。

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

表1. 一些典型固(gu)體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)的三維分布(bu)

表1中三個(gè)(ge)維度變量中，強(qiáng)(qiang)度具(ju)有能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度(du)可用最大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力來(lái)(lai)表示(shi)，具有應(yīng)(ying)力單位（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后的(de)顆粒(li)大小分(fen)布或(huo)破碎前后的(de)總表面積(ji)相比(bi)來(lái)量化，不具(ju)量綱(gang)。

流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固(gu)體食品不(bu)同，流體食(shi)品形變時(shí)除(chu)了其形變程(cheng)度和(he)形變所(suo)需能(neng)量外，其形變所(suo)需的時(shí)(shi)間也是(shi)極其重要的(de)參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變(bian)程度(du)體現(xiàn)流(liu)體食(shi)品在外(wai)應(yīng)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變的(de)速度(du)或速率(lv)，直接影響材(cai)料形變(bian)過(guò)程中材料(liao)內(nèi)部的(de)能量(liang)狀況，是儲(chǔ)存于(yu)材料內(nèi)部(bu)還是通過(guò)其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切(qie)流動(dòng)時(shí)(shi)的剪切應(yīng)(ying)力與剪切(qie)速率(lv)之間的幾種(zhong)典型(xing)關(guān)系

圖3給出了流體(ti)材料的形變(bian)關(guān)系，對(duì)比圖(tu)1的固體材料(liao)形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形變程(cheng)度已為形(xing)變速率(lv)（定義為單(dan)位時(shí)間的形(xing)變量）所替代(dai)。不同的流(liu)體材料表(biao)現(xiàn)為非常(chang)不同的應(yīng)(ying)力與形變速率(lv)的關(guān)系，如牛頓(dun)流體，剪切(qie)切稀流(liu)體，剪切切(qie)稠流(liu)體，觸變性流(liu)體等(deng)。

雖然上述的流(liu)變行(xing)為能準(zhǔn)確描(miao)述流體食品形(xing)變的基本行為(wei)或所需外應(yīng)力(li)（能量(liang)）的關(guān)(guan)系，但是卻不能(neng)顯示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量?jī)?chǔ)存(cun)與耗散的(de)情況。這一點(diǎn)(dian)對(duì)于流體(ti)食品非常重要(yao)，關(guān)系到流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力(li)消失(shi)后，是否能夠彈(dan)性恢(hui)復(fù)原來(lái)的(de)形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱(chēng)為黏(nian)彈性，并可以(yi)用大(da)形變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的(de)兩個(gè)(ge)ji端情(qing)況：前(qian)者意味著(zhe)流體會(huì)(hui)像彈簧一(yi)樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)的(de)所有外(wai)加能量，當(dāng)(dang)外力取消(xiao)后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lái)(lai)狀態(tài)(tai)（零度(du)相角)，后者則指流(liu)體像(xiang)水一樣(yang)，不具(ju)任何(he)能量?jī)?chǔ)(chu)存能力(li)，所有外加的形(xing)變能量都會(huì)(hui)因分子或顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相角(jiao)90度)。大部分(fen)流體食品(pin)即有一定的(de)彈性也(ye)有一定的黏(nian)性，相角介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以45度相角為(wei)黏彈性的切分(fen)點(diǎn)，小于45度彈性為(wei)主，大于45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然，流體食(shi)品黏(nian)彈性的表(biao)征稍顯復(fù)(fu)雜，它與形變(bian)速率或(huo)頻率直接(jie)相關(guān)。一(yi)般情況下(xia)，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率增(zeng)加時(shí)，流體食品(pin)的彈性?xún)A(qing)向加強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅的頻(pin)率降低時(shí)，流(liu)體食品(pin)的黏性性質(zhì)(zhi)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型

把流體材料(liao)的這(zhe)些本質(zhì)特(te)征組合可以(yi)形成另一個(gè)(ge)三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見(jiàn)圖4三個(gè)維度分(fen)別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(xing)(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)(dong)行為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度(du)的六個(gè)末端(duan)也可以用感(gan)官詞語(yǔ)來(lái)表達(dá)(da)（見(jiàn)表2）。

表2. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型說(shuō)明

軟固(gu)體的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

上述(shu)的三維模型(xing)可以準(zhǔn)確(que)描述大(da)部分固體和(he)流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形(xing)成食品質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布圖(tu)，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體或(huo)半固體(ti)食品，目前還沒(méi)(mei)有一(yi)個(gè)好的辦法。軟(ruan)固體食(shi)品是非常廣(guang)泛的食(shi)品體(ti)系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變程度起主導(dǎo)(dao)作用的軟固體(ti)（如面(mian)包、饅頭、豆(dou)腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類(lèi)食品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變(bian)速率(lv)起主導(dǎo)作用的(de)軟固體（如酸(suan)奶和其他(ta)糊狀類(lèi)食品）。如(ru)此廣泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個(gè)模型來(lái)(lai)形容，作為一(yi)個(gè)大(da)致的方(fang)法，可以根(gen)據(jù)軟固體食品(pin)的形變程度(du)和形變(bian)速率(lv)的作用程(cheng)度，決(jue)定采(cai)用近似(shi)固體處理或(huo)近似流體(ti)處理。前(qian)者可以固體(ti)食品的三維模(mo)型處理，而后者(zhe)基本上可以參(can)照流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型(xing)來(lái)處理。

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三維模型(xing)的局限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)(tong)理論，但(dan)是模型的應(yīng)(ying)用仍有一定的(de)局限(xian)性。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只能適用(yong)于均相的食品(pin)體系，對(duì)于多(duo)相混雜的食品(pin)（例如夾心餅干(gan)等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)則應(yīng)該(gai)分相描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦不(bu)能描述一些與(yu)分散體系相(xiang)關(guān)的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體(ti)系食品(pin)常常包含(han)分散顆粒，雖為(wei)均相分布，但是(shi)這些分(fen)散顆粒除了(le)影響整體材料(liao)性質(zhì)外，還會(huì)(hui)帶來(lái)一些(xie)與顆粒相關(guān)(guan)的特殊(shu)的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特征(zheng)，如顆粒感、粉感(gan)等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模(mo)型也不包(bao)括因食物入(ru)口后(hou)與唾液相互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑溜(liu)感等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析雖(sui)然已經(jīng)(jing)有如(ru)流變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等一些成(cheng)熟的測(cè)(ce)量技術(shù)，但(dan)是流(liu)變儀(yi)測(cè)量的結(jié)(jie)果往往因(yin)其過(guò)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性(xing)質(zhì)的直接(jie)對(duì)應(yīng)，而不被食(shi)品工業(yè)所接(jie)受。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(cè)(ce)量只能是(shi)相對(duì)的測(cè)量(liang)，很大程度上(shang)只是定性測(cè)量(liang)，其測(cè)(ce)量的(de)方式和測(cè)(ce)量的結(jié)果缺(que)乏明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間(jian)的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析結(jié)果無(wú)(wu)法直接(jie)比較。zui明顯(xian)的例子是文(wen)獻(xiàn)上廣泛(fan)報(bào)道(dao)的所(suo)謂的質(zhì)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重(zhong)誤用的情況。我(wo)們?cè)噲D(tu)從食(shi)品材料的(de)形變?cè)沓霭l(fā)(fa)，揭示(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感(gan)官的食(shi)品材料學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型的(de)zui大優(yōu)點(diǎn)是可(ke)以將各類(lèi)食品(pin)材料進(jìn)行可比(bi)較的量化(hua)分析(xi)，從而建立食(shi)品體(ti)系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)譜圖分布，區(qū)分(fen)各食品之間的(de)微妙(miao)的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字(zi)化體系提供(gong)了可靠的(de)理論依據(jù)。

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原文(wen)由英國(guó)諾丁(ding)漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作(zuo)者）與(yu)浙江工商大學(xué)(xue)陳建設(shè)教(jiao)授（通(tong)訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)(ju)原文重新(xin)整理(li)寫(xiě)作，有些地(di)方對(duì)原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝(xie)：本文寫(xiě)(xie)作過(guò)程中，馬添(tian)先生(sheng)提出許多建設(shè)(she)性的建議。