食品(pin)質(zhì)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)不(bu)僅直接關(guān)系到(dao)食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食(shi)物在口腔中的(de)風(fēng)味(wei)釋放與體驗(yan)。過去數(shù)十年(nian)中，食品工(gong)業(yè)和食(shi)品科學(xué)界一直(zhi)致力建(jian)立可(ke)行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客(ke)觀方法(fa)，雖然取得了(le)許多進(jìn)展，但(dan)是無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技術(shù)(shu)方面，都還存在(zai)許多問題，無(wu)法準(zhǔn)確(que)解釋消費者(zhe)質(zhì)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)(fu)雜物理(li)學(xué)原理(li)，也不能很好滿(man)足食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的(de)需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)分析的難點在(zai)于其多維度(du)和多尺度(du)共存的本質(zhì)(zhi)特點。食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)實質(zhì)上(shang)是與食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)的且(qie)能被(bei)消費(fei)者感知的(de)一系(xi)列性質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其(qi)相對應(yīng)的材(cai)料學(xué)性(xing)質(zhì)具(ju)有多重與動(dong)態(tài)的特征。因(yin)此很難期待(dai)用單一(yi)的方法來描(miao)述或測(ce)量食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于(yu)食品質(zhì)構(gòu)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商大學(xué)食(shi)品口(kou)腔加工實(shi)驗室陳建設(shè)(she)教授(shou)與英國諾(nuo)丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原(yuan)理出發(fā)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)，并以此準(zhǔn)確量(liang)化不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個新模型(xing)的提出(chu)，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜圖(tu)成為可(ke)能，也為數(shù)(shu)字化時代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描述提供(gong)了理論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分(fen)類有很多種(zhong)方法，最(zui)常見的是依據(jù)(ju)食品的形態(tài)(tai)，將其分為三(san)大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品，流體食品(pin)。固體(ti)食品泛指那(na)些可以抗拒重(zhong)力并具有特定(ding)形態(tài)且不(bu)易形變的食品(pin)，可分(fen)為干(gan)固體(ti)食品（如(ru)餅干(gan)、堅果(guo)、硬果糖(tang)等）和濕固體食(shi)品（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力(li)超出(chu)其屈服(fu)閾值時，固體食(shi)品會(hui)直接(jie)斷裂(lie)或脆裂。流體食(shi)品是指那些無(wu)法抗拒重力并(bing)不具自我形(xing)態(tài)的可自由(you)流動的食(shi)品，這類食品以(yi)其裝載的容器(qi)的形態(tài)為(wei)形態(tài)，極微(wei)小的(de)應(yīng)力(li)就可(ke)引起顯著(zhu)的形變。軟(ruan)固體則介(jie)于兩者之間(jian)，可抗拒重力(li)并保持一定(ding)的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作(zuo)用下(xia)產(chǎn)生形(xing)變，并最(zui)終破裂(lie)。

固體食(shi)品的三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品形變(bian)時應(yīng)力與(yu)應(yīng)變之(zhi)間的(de)典型關(guān)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上(shang)是食品形變(bian)特征的口(kou)腔感受，與食(shi)品的(de)材料性(xing)質(zhì)直接相關(guān)。而(er)對于不(bu)同的食品(pin)材料(liao)，形變的(de)內(nèi)在決(jue)定因素有(you)著很大的區(qū)(qu)別。對于(yu)固體食(shi)品，其形(xing)變程度與形變(bian)所需(xu)的能(neng)量是兩(liang)個最重要的物(wu)理變(bian)量，也直接為消(xiao)費者(zhe)所感知(zhi)。很幸運(yun)的是(shi)，這兩個物(wu)理變量都(dou)有準(zhǔn)(zhun)確的物理(li)定義并可(ke)以被(bei)客觀的(de)量化測(ce)量。圖1所示(shi)既是(shi)固體(ti)食品的(de)應(yīng)力(li)與形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變所需(xu)的能量(liang)（或所作的功）則(ze)為應(yīng)(ying)力與形變距(ju)離的(de)乘積，表現(xiàn)為應(yīng)(ying)力線下(xia)方的面積(ji)。一般可(ke)以根據(jù)食品(pin)形變所需(xu)的應(yīng)力大小(xiao)將食(shi)品材料(liao)大致(zhi)分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)(ju)形變所需(xu)的能量大小(xiao)則可將食品材(cai)料分(fen)為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四(si)條直線表現(xiàn)為(wei)四種典型的(de)食品材料：(a)硬且(qie)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，固體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其(qi)形變程(cheng)度與形(xing)變能量外(wai)，還有一項非(fei)常重要的體驗(yan)是其破碎程(cheng)度。基于這樣(yang)的思(si)考，我(wo)們將固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用三個(ge)維度來量(liang)化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終(zhong)端分別用(yong)六個熟悉的(de)感官(guan)用語予以錨定(ding)：強(qiáng)度維度(du)分別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維(wei)度分別(bie)為易碎(sui)性(Brittle)和可(ke)塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三個(ge)維度的量化數(shù)(shu)值把固體(ti)食品(pin)分為八(ba)個類別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描(miao)述見(jian)表1。

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

表1. 一些(xie)典型固體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特(te)征的三維分布(bu)

表1中三(san)個維度(du)變量中(zhong)，強(qiáng)度具有能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時(shi)的應(yīng)力來(lai)表示，具(ju)有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的總(zong)表面積(ji)相比來量化，不(bu)具量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固(gu)體食品(pin)不同，流體食品(pin)形變時除了(le)其形變程度(du)和形變(bian)所需能(neng)量外，其形變(bian)所需(xu)的時(shi)間也是極其重(zhong)要的(de)參考參(can)數(shù)。單(dan)位時間(jian)的形變程度(du)體現(xiàn)流體食(shi)品在(zai)外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變的速度(du)或速率(lv)，直接影響材(cai)料形變過程中(zhong)材料內(nèi)部的能(neng)量狀況，是儲(chu)存于材料內(nèi)部(bu)還是通過(guo)其他形式（如(ru)熱能）耗(hao)散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流動時(shi)的剪切應(yīng)(ying)力與剪切速率(lv)之間的(de)幾種(zhong)典型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體材(cai)料的形(xing)變關(guān)系，對(dui)比圖1的固體材料(liao)形變，其橫坐標(biāo)(biao)的形(xing)變程度(du)已為形變速率(lv)（定義為(wei)單位時(shi)間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的流(liu)體材料表現(xiàn)(xian)為非(fei)常不同的(de)應(yīng)力與(yu)形變(bian)速率的關(guān)系，如(ru)牛頓(dun)流體，剪切切(qie)稀流體，剪切切(qie)稠流(liu)體，觸變性流體(ti)等。

雖然上(shang)述的流變行為(wei)能準(zhǔn)確(que)描述流體食品(pin)形變的基本行(xing)為或所需外應(yīng)(ying)力（能量(liang)）的關(guān)(guan)系，但是(shi)卻不能顯(xian)示外應(yīng)力形變(bian)后的能(neng)量儲存與耗散(san)的情況。這一(yi)點對于流(liu)體食(shi)品非常重(zhong)要，關(guān)系到流(liu)體食品在外(wai)應(yīng)力消失后，是(shi)否能(neng)夠彈性恢(hui)復(fù)原(yuan)來的形狀。這(zhe)個性質(zhì)在流變(bian)學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可以(yi)用大(da)形變振(zhen)幅方法(fa)來準(zhǔn)確(que)測量。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是它(ta)的兩個(ge)ji端情況(kuang)：前者意(yi)味著流體會(hui)像彈簧一樣儲(chu)存形變時(shi)的所有外加(jia)能量(liang)，當(dāng)外(wai)力取消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到(dao)原來(lai)狀態(tài)（零(ling)度相(xiang)角)，后者則指(zhi)流體像水(shui)一樣，不具任何(he)能量儲存(cun)能力，所有(you)外加的形變(bian)能量都會因(yin)分子或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱(re)能并耗(hao)散（相角90度)。大部分流(liu)體食品即(ji)有一(yi)定的彈性(xing)也有一(yi)定的黏性(xing)，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般以45度相角為(wei)黏彈性(xing)的切分點，小(xiao)于45度彈性為主，大(da)于45度則(ze)黏性為主。

當(dāng)然(ran)，流體(ti)食品黏彈(dan)性的表征稍顯(xian)復(fù)雜，它與形變(bian)速率或(huo)頻率(lv)直接相關(guān)。一(yi)般情(qing)況下(xia)，當(dāng)形變振幅的(de)頻率增加(jia)時，流體食(shi)品的彈性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率降低時，流(liu)體食(shi)品的黏性(xing)性質(zhì)(zhi)會更加突出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

把流(liu)體材料(liao)的這些本質(zhì)特(te)征組合可(ke)以形成另一(yi)個三(san)維度的(de)質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個維度分(fen)別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個(ge)末端也可以用(yong)感官詞語來表(biao)達(dá)（見表(biao)2）。

表2. 流體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維(wei)模型說明(ming)

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維模(mo)型可以準(zhǔn)確描(miao)述大部分固體(ti)和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同(tong)食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特征。但是如(ru)何處理軟(ruan)固體或(huo)半固體食品，目(mu)前還沒(mei)有一個好的辦(ban)法。軟固體食品(pin)是非常廣泛的(de)食品體(ti)系，包(bao)含質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變程度(du)起主導(dǎo)(dao)作用(yong)的軟固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝膠(jiao)類食(shi)品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速率(lv)起主(zhu)導(dǎo)作用的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他糊(hu)狀類食品）。如此(ci)廣泛差異的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以用一個(ge)模型來形(xing)容，作為(wei)一個大致的(de)方法，可以根(gen)據(jù)軟(ruan)固體食(shi)品的形變程度(du)和形變速(su)率的作用(yong)程度，決定采(cai)用近似(shi)固體處理或(huo)近似流體處理(li)。前者(zhe)可以固(gu)體食品的(de)三維模型(xing)處理，而后者基(ji)本上(shang)可以參照流(liu)體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)來處理。

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三維模型的(de)局限(xian)性

本文提(ti)出的食品質(zhì)(zhi)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(shi)模型的(de)應(yīng)用(yong)仍有一定的局(ju)限性(xing)。首先，食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型只能(neng)適用于(yu)均相的食(shi)品體系(xi)，對于多相混(hun)雜的食品（例(li)如夾心(xin)餅干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)該(gai)分相描(miao)述。第二(er)，三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)亦不能描述(shu)一些與(yu)分散(san)體系相(xiang)關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系(xi)食品常常包(bao)含分散顆(ke)粒，雖為均(jun)相分布，但是(shi)這些分散顆(ke)粒除了影響整(zheng)體材料性質(zhì)(zhi)外，還會帶(dai)來一些與顆粒(li)相關(guān)(guan)的特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特征，如(ru)顆粒感(gan)、粉感等(deng)。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型也(ye)不包(bao)括因食物入(ru)口后與唾液(ye)相互(hu)作用(yong)而產(chǎn)生成分(fen)或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)，如澀感、滑溜感(gan)等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然已經(jīng)有(you)如流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成(cheng)熟的測量(liang)技術(shù)(shu)，但是(shi)流變儀(yi)測量的結(jié)(jie)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)的直接(jie)對應(yīng)，而(er)不被(bei)食品工業(yè)(ye)所接(jie)受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測(ce)量只能是相(xiang)對的測(ce)量，很大程(cheng)度上(shang)只是定性(xing)測量，其測(ce)量的方式和測(ce)量的結(jié)(jie)果缺乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)，各實(shi)驗室(shi)之間的質(zhì)構(gòu)分(fen)析結(jié)(jie)果無法直接比(bi)較。zui明(ming)顯的(de)例子是文(wen)獻(xiàn)上廣泛報道(dao)的所謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的(de)缺陷和被(bei)嚴(yán)重誤用的(de)情況。我們(men)試圖從食品材(cai)料的形變原理(li)出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和(he)感官的食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大優(yōu)點(dian)是可以將各(ge)類食品(pin)材料(liao)進(jìn)行可比較的(de)量化分析(xi)，從而建立食品(pin)體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維譜圖(tu)分布，區(qū)(qu)分各食品(pin)之間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化體系提(ti)供了可靠的(de)理論(lun)依據(jù)。

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原文(wen)由英國諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作(zuo)者）與浙江工商(shang)大學(xué)陳(chen)建設(shè)教授（通訊(xun)作者(zhe)）合作(zuo)完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根(gen)據(jù)原文(wen)重新整理寫(xie)作，有些地方(fang)對原文(wen)稍有(you)修改(gai)。

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