食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到食(shi)品的(de)口感，也顯著影(ying)響食物在口(kou)腔中的(de)風(fēng)味釋放與(yu)體驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年中，食品工(gong)業(yè)和食品(pin)科學(xué)界一直(zhi)致力建立可(ke)行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測(cè)的客(ke)觀方法，雖然取(qu)得了許多進(jìn)(jin)展，但(dan)是無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理論(lun)還是食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的分析(xi)測(cè)量技(ji)術(shù)方面(mian)，都還(hai)存在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理(li)，也不能很好(hao)滿足(zu)食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析的(de)難點(diǎn)在(zai)于其(qi)多維(wei)度和多尺度共(gong)存的(de)本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是(shi)與食(shi)品材(cai)料物性相關(guān)的(de)且能被消費(fèi)者(zhe)感知的一(yi)系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含(han)很多復(fù)雜且(qie)微妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性(xing)，其相對(duì)(dui)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多重(zhong)與動(dòng)態(tài)(tai)的特征。因(yin)此很難期(qi)待用單(dan)一的方法(fa)來描述或測(cè)(ce)量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官(guan)。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商大(da)學(xué)食品口(kou)腔加工實(shí)(shi)驗(yàn)室陳建(jian)設(shè)教授(shou)與英國(guó)諾丁漢(han)大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從食(shi)品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)(xue)原理出發(fā)，提出(chu)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，并以此準(zhǔn)確(que)量化不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(gè)新模型(xing)的提出，使得(de)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可能(neng)，也為數(shù)字化時(shí)(shi)代將傳統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)閿?shù)字化描(miao)述提供(gong)了理論依據(jù)。

食品的(de)材料分(fen)類

食品的分(fen)類有(you)很多種方法，最(zui)常見的是(shi)依據(jù)食品(pin)的形態(tài)(tai)，將其分為三(san)大類：固體食(shi)品，軟（半）固體(ti)食品，流體食品(pin)。固體(ti)食品泛(fan)指那些可以抗(kang)拒重(zhong)力并具有特定(ding)形態(tài)且不易形(xing)變的食品(pin)，可分(fen)為干固體(ti)食品（如(ru)餅干、堅(jiān)(jian)果、硬果糖等）和(he)濕固體(ti)食品（如蘋果、梨(li)等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超出(chu)其屈(qu)服閾(yu)值時(shí)，固體食品(pin)會(huì)直接斷(duan)裂或脆裂。流(liu)體食品是指(zhi)那些(xie)無法抗拒(ju)重力并(bing)不具(ju)自我形態(tài)(tai)的可自由流動(dòng)(dong)的食品(pin)，這類食(shi)品以其裝載(zai)的容器的形(xing)態(tài)為形態(tài)，極微(wei)小的(de)應(yīng)力就(jiu)可引起顯(xian)著的形變(bian)。軟固體(ti)則介于兩(liang)者之間(jian)，可抗拒重力并(bing)保持一定(ding)的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)(ying)力作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)，并最終破裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食(shi)品形變時(shí)應(yīng)力(li)與應(yīng)變之間的(de)典型關(guān)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上是(shi)食品(pin)形變特(te)征的(de)口腔(qiang)感受，與(yu)食品的材(cai)料性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)于不同(tong)的食品(pin)材料(liao)，形變的內(nèi)在(zai)決定因素有著(zhe)很大的(de)區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品，其形(xing)變程度(du)與形變所需(xu)的能量是兩(liang)個(gè)最重要的(de)物理變量，也直(zhi)接為消費(fèi)(fei)者所感知(zhi)。很幸(xing)運(yùn)的是，這兩個(gè)(ge)物理變量(liang)都有準(zhǔn)確的物(wu)理定(ding)義并可(ke)以被客觀(guan)的量(liang)化測(cè)量(liang)。圖1所示(shi)既是固體食(shi)品的應(yīng)力與形(xing)變之(zhi)間的關(guān)(guan)系，而(er)形變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功(gong)）則為應(yīng)力與(yu)形變距(ju)離的(de)乘積，表現(xiàn)為應(yīng)(ying)力線下方(fang)的面積。一般(ban)可以(yi)根據(jù)(ju)食品形變所(suo)需的應(yīng)(ying)力大小將食品(pin)材料(liao)大致分(fen)為硬(Hard)或軟(Soft)，而根(gen)據(jù)形變所需的(de)能量大小則可(ke)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)為四種(zhong)典型(xing)的食品材料(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)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變程度(du)與形變能量(liang)外，還有(you)一項(xiàng)非常重要(yao)的體驗(yàn)是(shi)其破碎程度。基(ji)于這樣的(de)思考，我(wo)們將固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維度來(lai)量化描(miao)述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六(liu)個(gè)終端分別(bie)用六個(gè)熟(shu)悉的感官(guan)用語予以錨定(ding)：強(qiáng)度維度分別(bie)為強(qiáng)(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度(du)維度分(fen)別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三(san)個(gè)維度的(de)量化數(shù)(shu)值把固體食(shi)品分為八個(gè)類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特(te)征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模型

表1. 一些(xie)典型固體食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的三(san)維分(fen)布

表1中三個(gè)維度(du)變量中(zhong)，強(qiáng)度具有能(neng)量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用最大(da)形變時(shí)的應(yīng)力(li)來表(biao)示，具有(you)應(yīng)力單位（Pa）,而破碎度(du)可用破(po)碎前后的顆(ke)粒大小分布或(huo)破碎前后(hou)的總表面(mian)積相比(bi)來量化(hua)，不具量綱。

流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模型

與固體(ti)食品不同，流(liu)體食品(pin)形變時(shí)除了(le)其形(xing)變程度(du)和形變所(suo)需能量外，其(qi)形變所需的(de)時(shí)間也是(shi)極其重要的參(can)考參數(shù)(shu)。單位時(shí)間的形(xing)變程度體現(xiàn)流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變的速度(du)或速率，直(zhi)接影響材(cai)料形變(bian)過程中(zhong)材料內(nèi)部的(de)能量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存(cun)于材料內(nèi)(nei)部還是(shi)通過其他(ta)形式（如熱(re)能）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力(li)與剪切(qie)速率之間的(de)幾種典(dian)型關(guān)系

圖3給出了流(liu)體材料(liao)的形變關(guān)系(xi)，對(duì)比圖1的固體材(cai)料形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形變(bian)程度已為形變(bian)速率（定(ding)義為單(dan)位時(shí)間的(de)形變量）所替(ti)代。不同的(de)流體材料表現(xiàn)(xian)為非常不(bu)同的應(yīng)力與形(xing)變速率的(de)關(guān)系，如牛頓(dun)流體，剪切(qie)切稀流體，剪(jian)切切稠流(liu)體，觸變性流(liu)體等。

雖然上(shang)述的(de)流變行(xing)為能準(zhǔn)確描述(shu)流體食品(pin)形變的基本行(xing)為或所需外應(yīng)(ying)力（能量）的關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示外應(yīng)(ying)力形變后的(de)能量?jī)?chǔ)存(cun)與耗散的情況(kuang)。這一點(diǎn)(dian)對(duì)于流(liu)體食品非(fei)常重要，關(guān)系(xi)到流體食(shi)品在外應(yīng)(ying)力消失(shi)后，是否能夠彈(dan)性恢復(fù)原來的(de)形狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流變學(xué)(xue)中稱為黏彈(dan)性，并可以用(yong)大形變(bian)振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測(cè)(ce)量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的(de)兩個(gè)(ge)ji端情況：前(qian)者意味(wei)著流體會(huì)像(xiang)彈簧一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)的(de)所有外加(jia)能量，當(dāng)(dang)外力(li)取消后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)(fu)到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相角)，后者則(ze)指流體像水(shui)一樣(yang)，不具(ju)任何能量?jī)?chǔ)(chu)存能力，所有外(wai)加的形變能(neng)量都(dou)會(huì)因分子或顆(ke)粒摩擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能(neng)并耗散（相(xiang)角90度)。大部(bu)分流體食品即(ji)有一定(ding)的彈性(xing)也有(you)一定的黏性(xing)，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角為(wei)黏彈(dan)性的切分(fen)點(diǎn)，小于(yu)45度彈性(xing)為主(zhu)，大于45度則黏性為主(zhu)。

當(dāng)然，流體食(shi)品黏(nian)彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它(ta)與形變速率或(huo)頻率直(zhi)接相關(guān)。一般(ban)情況下，當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率(lv)增加時(shí)，流體(ti)食品的彈(dan)性傾向加強(qiáng)；而(er)當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率降(jiang)低時(shí)，流(liu)體食品的黏(nian)性性質(zhì)(zhi)會(huì)更加(jia)突出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模型

把流體材料的(de)這些本(ben)質(zhì)特征組(zu)合可以(yi)形成另(ling)一個(gè)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個(gè)維度分別(bie)為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維(wei)度的六(liu)個(gè)末(mo)端也可以用感(gan)官詞語來表達(dá)(da)（見表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模型(xing)說明(ming)

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大(da)部分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)，形成(cheng)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。但(dan)是如何(he)處理軟固(gu)體或半固體食(shi)品，目前還沒有(you)一個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是非常(chang)廣泛的食(shi)品體系，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變(bian)程度起主(zhu)導(dǎo)作(zuo)用的軟固(gu)體（如面包、饅頭(tou)、豆腐(fu)、果凍、凝(ning)膠類食(shi)品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變速(su)率起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟固體（如(ru)酸奶和其他糊(hu)狀類食品(pin)）。如此廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用一個(gè)(ge)模型(xing)來形容，作(zuo)為一個(gè)大致(zhi)的方法(fa)，可以根據(jù)軟(ruan)固體食品的形(xing)變程度和形變(bian)速率的(de)作用程度，決(jue)定采用近似(shi)固體處理或(huo)近似流體處(chu)理。前者可以固(gu)體食品的三(san)維模型處理，而(er)后者基本(ben)上可以參照(zhao)流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模(mo)型來處(chu)理。

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三維模型(xing)的局限性

本文提(ti)出的食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，突破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論，但是模型(xing)的應(yīng)用仍(reng)有一定的局限(xian)性。首(shou)先，食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只能適(shi)用于(yu)均相(xiang)的食(shi)品體系，對(duì)于(yu)多相(xiang)混雜的食品（例(li)如夾(jia)心餅干等(deng)），其質(zhì)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該(gai)分相描述。第二(er)，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能描(miao)述一些與分(fen)散體系(xi)相關(guān)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)。分散(san)體系食(shi)品常(chang)常包(bao)含分(fen)散顆(ke)粒，雖(sui)為均(jun)相分布，但(dan)是這些分散(san)顆粒除(chu)了影(ying)響整(zheng)體材料性(xing)質(zhì)外，還會(huì)(hui)帶來一些與顆(ke)粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感(gan)特征(zheng)，如顆(ke)粒感、粉感(gan)等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的三(san)維模型也不(bu)包括(kuo)因食(shi)物入口(kou)后與唾液相(xiang)互作用而產(chǎn)(chan)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀(se)感、滑溜感(gan)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(xi)雖然(ran)已經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成熟(shu)的測(cè)量(liang)技術(shù)，但是(shi)流變儀測(cè)(ce)量的結(jié)果往往(wang)因其過于基(ji)礎(chǔ)性，缺乏與(yu)質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)(zhi)的直接對(duì)(dui)應(yīng)，而(er)不被食品工(gong)業(yè)所接(jie)受。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測(cè)(ce)量只能(neng)是相對(duì)(dui)的測(cè)量，很大程(cheng)度上只是(shi)定性測(cè)(ce)量，其測(cè)量的方(fang)式和測(cè)量(liang)的結(jié)果缺乏明(ming)確的標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直接(jie)比較。zui明顯(xian)的例(li)子是文獻(xiàn)(xian)上廣泛(fan)報(bào)道的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺(que)陷和被嚴(yán)(yan)重誤用的(de)情況。我們(men)試圖從食(shi)品材(cai)料的形(xing)變?cè)?li)出發(fā)，揭(jie)示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和(he)感官(guan)的食品材(cai)料學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型的(de)zui大優(yōu)點(diǎn)是可以(yi)將各類(lei)食品材(cai)料進(jìn)行可(ke)比較的量(liang)化分析，從而(er)建立(li)食品體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維譜(pu)圖分布，區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化(hua)體系提(ti)供了可靠(kao)的理(li)論依據(jù)(ju)。

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原文(wen)由英國(guó)(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作(zuo)者）與浙(zhe)江工(gong)商大學(xué)(xue)陳建設(shè)(she)教授（通訊作(zuo)者）合作(zuo)完成，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根(gen)據(jù)原文重(zhong)新整理寫作，有(you)些地(di)方對(duì)原(yuan)文稍有修改。

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致謝：本文(wen)寫作過程(cheng)中，馬添先(xian)生提出許(xu)多建設(shè)性的(de)建議。