食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系(xi)到食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食物(wu)在口腔(qiang)中的風(fēng)(feng)味釋放與(yu)體驗(yàn)。過(guò)去(qu)數(shù)十年中，食品(pin)工業(yè)和食(shi)品科學(xué)界(jie)一直致力建(jian)立可行的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(píng)測(cè)的(de)客觀方法，雖然(ran)取得了許多進(jìn)(jin)展，但是無(wú)論(lun)在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還(hai)是食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測(cè)量技(ji)術(shù)方(fang)面，都還(hai)存在(zai)許多問(wèn)(wen)題，無(wú)法(fa)準(zhǔn)確解釋消(xiao)費(fèi)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背(bei)后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理(li)，也不能(neng)很好滿足(zu)食品(pin)工業(yè)(ye)質(zhì)量控(kong)制的需求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)(dian)在于(yu)其多(duo)維度和多尺度(du)共存的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上是與(yu)食品材料物(wu)性相關(guān)(guan)的且能被消(xiao)費(fèi)者感(gan)知的一系(xi)列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多(duo)復(fù)雜且(qie)微妙變(bian)化的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其相對(duì)(dui)應(yīng)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)具有多(duo)重與動(dòng)態(tài)(tai)的特征。因此(ci)很難期(qi)待用單一(yi)的方法(fa)來(lái)描(miao)述或測(cè)量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特性(xing)和質(zhì)構(gòu)感官。

基于食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性原(yuan)理，浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)食品口(kou)腔加工(gong)實(shí)驗(yàn)(yan)室陳建設(shè)教(jiao)授與英國(guó)諾丁(ding)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)原理出發(fā)，提(ti)出了食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型，并以此準(zhǔn)(zhun)確量化不(bu)同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征。這個(gè)新(xin)模型的(de)提出，使(shi)得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為(wei)可能，也為數(shù)字(zi)化時(shí)代將傳統(tǒng)(tong)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語(yǔ)描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)(shu)字化描(miao)述提(ti)供了理論(lun)依據(jù)。

食品(pin)的材料分類(lei)

食品的分類有(you)很多種方法，最(zui)常見(jiàn)的(de)是依據(jù)食品(pin)的形態(tài)，將其(qi)分為(wei)三大類：固體(ti)食品，軟（半）固(gu)體食品(pin)，流體食(shi)品。固體食品泛(fan)指那些(xie)可以抗(kang)拒重(zhong)力并(bing)具有特(te)定形態(tài)(tai)且不易形變的(de)食品，可分為(wei)干固體食品(pin)（如餅(bing)干、堅(jiān)果、硬果(guo)糖等）和濕固(gu)體食品（如蘋(ping)果、梨等(deng)）。當(dāng)外應(yīng)力超(chao)出其(qi)屈服(fu)閾值(zhi)時(shí)，固體(ti)食品會(huì)(hui)直接斷裂(lie)或脆裂(lie)。流體(ti)食品是指那(na)些無(wú)法抗拒(ju)重力并不具自(zi)我形(xing)態(tài)的可(ke)自由(you)流動(dòng)的食品，這(zhe)類食品以(yi)其裝(zhuang)載的容器的形(xing)態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應(yīng)力(li)就可引起顯著(zhu)的形變。軟固(gu)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)，但在弱(ruo)外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生形(xing)變，并最終破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品(pin)形變時(shí)應(yīng)力(li)與應(yīng)變(bian)之間的典型(xing)關(guān)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食品形(xing)變特(te)征的(de)口腔感受，與食(shi)品的材料(liao)性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對(duì)于不(bu)同的(de)食品材料，形變(bian)的內(nèi)在決(jue)定因(yin)素有著很大的(de)區(qū)別。對(duì)于(yu)固體食品，其形(xing)變程度(du)與形變(bian)所需的能量(liang)是兩(liang)個(gè)最重要的(de)物理變(bian)量，也直接為消(xiao)費(fèi)者(zhe)所感知(zhi)。很幸運(yùn)(yun)的是，這兩個(gè)(ge)物理變(bian)量都有準(zhǔn)確(que)的物理定(ding)義并可(ke)以被(bei)客觀(guan)的量化測(cè)(ce)量。圖1所示既是固體(ti)食品的(de)應(yīng)力(li)與形變之(zhi)間的關(guān)(guan)系，而形(xing)變所需的能量(liang)（或所作(zuo)的功）則為(wei)應(yīng)力與形變距(ju)離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力(li)線下方(fang)的面積(ji)。一般可以(yi)根據(jù)食品形(xing)變所(suo)需的(de)應(yīng)力大小將(jiang)食品(pin)材料大(da)致分為硬(ying)(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量(liang)大小則可將(jiang)食品材料分(fen)為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線表現(xiàn)為四(si)種典型(xing)的食品(pin)材料(liao)：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然(ran)，固體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除了其(qi)形變程度(du)與形變能量外(wai)，還有(you)一項(xiàng)非(fei)常重要的體驗(yàn)(yan)是其破碎程(cheng)度?；谶@樣(yang)的思考，我們(men)將固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用三個(gè)維(wei)度來(lái)量化(hua)描述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分別(bie)用六個(gè)熟悉的(de)感官用語(yǔ)予以(yi)錨定(ding)：強(qiáng)度維度分別(bie)為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見(jiàn)圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三(san)個(gè)維度的(de)量化數(shù)(shu)值把(ba)固體食(shi)品分為八(ba)個(gè)類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征描述見(jiàn)(jian)表1。

圖2. 固體(ti)食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特(te)性的(de)三維模型(xing)

表1. 一些典型固(gu)體食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)特征的(de)三維分布(bu)

表1中三個(gè)維度(du)變量中，強(qiáng)度(du)具有能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形(xing)變時(shí)的應(yīng)力(li)來(lái)表示，具(ju)有應(yīng)(ying)力單(dan)位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎前后的(de)顆粒大小(xiao)分布(bu)或破碎前后的(de)總表面積相比(bi)來(lái)量化(hua)，不具量(liang)綱。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食品(pin)不同，流(liu)體食品(pin)形變時(shí)除(chu)了其形變程度(du)和形變所(suo)需能量外(wai)，其形變所(suo)需的時(shí)間也是(shi)極其重(zhong)要的參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間(jian)的形(xing)變程度體現(xiàn)(xian)流體食品(pin)在外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變的速度或(huo)速率，直接(jie)影響材料形(xing)變過(guò)程中(zhong)材料內(nèi)部的能(neng)量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存于材(cai)料內(nèi)部還是通(tong)過(guò)其他形(xing)式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dòng)(dong)時(shí)的剪切應(yīng)(ying)力與剪切速率(lv)之間的幾(ji)種典型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體材料的(de)形變關(guān)系，對(duì)(dui)比圖1的固體(ti)材料形變，其橫(heng)坐標(biāo)的形變(bian)程度已(yi)為形變速率（定(ding)義為單位時(shí)間(jian)的形變量）所替(ti)代。不同的流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不同的(de)應(yīng)力與形變(bian)速率的(de)關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀流體(ti)，剪切切稠流體(ti)，觸變性流(liu)體等。

雖然上(shang)述的流(liu)變行為能準(zhǔn)確(que)描述流體食(shi)品形(xing)變的基本(ben)行為或所需外(wai)應(yīng)力（能量）的關(guān)(guan)系，但是卻(que)不能顯(xian)示外應(yīng)力(li)形變后的能量(liang)儲(chǔ)存與耗散(san)的情況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)(dui)于流體食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(yīng)(ying)力消失后，是否(fou)能夠彈性(xing)恢復(fù)原(yuan)來(lái)的形狀。這(zhe)個(gè)性質(zhì)在(zai)流變學(xué)(xue)中稱為(wei)黏彈(dan)性，并可以(yi)用大形變振幅(fu)方法來(lái)準(zhǔn)確測(cè)(ce)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性(xing)是它的(de)兩個(gè)ji端情況(kuang)：前者(zhe)意味著流體會(huì)(hui)像彈簧一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)(shi)的所(suo)有外加能量，當(dāng)(dang)外力取(qu)消后，流體能(neng)wanquan恢復(fù)(fu)到原來(lái)狀(zhuang)態(tài)（零度相角(jiao))，后者則指流體(ti)像水(shui)一樣，不具(ju)任何能量(liang)儲(chǔ)存能力，所(suo)有外加的形(xing)變能量都會(huì)因(yin)分子或顆粒(li)摩擦被轉(zhuǎn)(zhuan)變?yōu)?wei)熱能并耗散（相(xiang)角90度)。大部分(fen)流體食品即(ji)有一(yi)定的彈(dan)性也有(you)一定的黏(nian)性，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相(xiang)角為黏(nian)彈性的切分點(diǎn)(dian)，小于45度彈性為(wei)主，大(da)于45度則黏性(xing)為主。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏彈(dan)性的表(biao)征稍顯(xian)復(fù)雜，它與(yu)形變速率或(huo)頻率直接相關(guān)(guan)。一般情況下，當(dāng)(dang)形變振幅的頻(pin)率增加時(shí)(shi)，流體食品的(de)彈性傾(qing)向加強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅的(de)頻率降低(di)時(shí)，流體食品(pin)的黏性性(xing)質(zhì)會(huì)更加(jia)突出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的(de)三維模型

把流體材(cai)料的(de)這些本(ben)質(zhì)特征組(zu)合可以形(xing)成另一(yi)個(gè)三維度的(de)質(zhì)構(gòu)模型，見(jiàn)圖(tu)4三個(gè)維度(du)分別為稠度(du)（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或(huo)流動(dòng)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的六(liu)個(gè)末(mo)端也可(ke)以用(yong)感官詞語(yǔ)來(lái)表(biao)達(dá)（見(jiàn)表2）。

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

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的(de)三維模型可(ke)以準(zhǔn)確描(miao)述大部分(fen)固體和流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分(fen)布圖，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別不同食(shi)品的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是(shi)如何處理軟(ruan)固體(ti)或半固體食(shi)品，目前還沒(méi)有(you)一個(gè)好的辦法(fa)。軟固體食品(pin)是非常廣泛(fan)的食品(pin)體系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由(you)形變程度起主(zhu)導(dǎo)作(zuo)用的軟固體(ti)（如面包(bao)、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝膠類(lei)食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速(su)率起主導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體(ti)（如酸奶和其(qi)他糊狀類食品(pin)）。如此廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個(gè)模型(xing)來(lái)形容(rong)，作為一(yi)個(gè)大致的方法(fa)，可以根據(jù)(ju)軟固體(ti)食品的形變(bian)程度和形變(bian)速率的作用程(cheng)度，決定采(cai)用近似固(gu)體處理或近似(shi)流體處(chu)理。前者可以(yi)固體食品的(de)三維模型處理(li)，而后者基本上(shang)可以參照流(liu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來(lái)處(chu)理。

?

三維模型的局(ju)限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維模型，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是模(mo)型的應(yīng)用仍有(you)一定的局(ju)限性。首先(xian)，食品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只能(neng)適用于均(jun)相的(de)食品(pin)體系，對(duì)(dui)于多相混雜的(de)食品（例如夾心(xin)餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相(xiang)描述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)亦不能(neng)描述(shu)一些與分散體(ti)系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體(ti)系食(shi)品常常包(bao)含分散顆粒，雖(sui)為均相(xiang)分布，但(dan)是這些分散(san)顆粒(li)除了影響整(zheng)體材(cai)料性質(zhì)外，還會(huì)(hui)帶來(lái)(lai)一些(xie)與顆粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感特征(zheng)，如顆粒感、粉感(gan)等。另(ling)外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模型(xing)也不包括(kuo)因食物(wu)入口后與唾液(ye)相互作用而產(chǎn)(chan)生成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變(bian)化因(yin)而引起的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，如澀感(gan)、滑溜(liu)感等。

?

食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然(ran)已經(jīng)有(you)如流(liu)變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一些(xie)成熟的(de)測(cè)量(liang)技術(shù)，但(dan)是流變儀測(cè)(ce)量的結(jié)(jie)果往(wang)往因其過(guò)(guo)于基(ji)礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食品工(gong)業(yè)所接受。而食(shi)品質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量(liang)只能是相(xiang)對(duì)的測(cè)量，很(hen)大程(cheng)度上只是(shi)定性測(cè)量，其測(cè)(ce)量的方式(shi)和測(cè)(ce)量的(de)結(jié)果缺乏(fa)明確的標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)驗(yàn)室之(zhi)間的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)分析結(jié)果無(wú)法(fa)直接比較。zui明(ming)顯的例子是(shi)文獻(xiàn)上廣泛(fan)報(bào)道(dao)的所謂的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺陷(xian)和被(bei)嚴(yán)重誤用(yong)的情(qing)況。我們?cè)噲D從(cong)食品材(cai)料的形變(bian)原理(li)出發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和感(gan)官的食品(pin)材料學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)模型的(de)zui大優(yōu)點(diǎn)是(shi)可以將各類食(shi)品材料進(jìn)行可(ke)比較的量(liang)化分析，從而建(jian)立食品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分(fen)布，區(qū)(qu)分各食品之間(jian)的微妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差(cha)異，為建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系提供了(le)可靠的理(li)論依據(jù)(ju)。

?

原文(wen)由英國(guó)(guo)諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者(zhe)）與浙(zhe)江工商大學(xué)(xue)陳建設(shè)(she)教授（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)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有些(xie)地方對(duì)(dui)原文稍有修(xiu)改。

?

致謝：本文寫作(zuo)過(guò)程(cheng)中，馬(ma)添先生提(ti)出許多建設(shè)(she)性的建(jian)議。