食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)不僅(jin)直接關(guān)(guan)系到食品的(de)口感，也(ye)顯著影響(xiang)食物在口腔(qiang)中的風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)(yan)。過去數(shù)(shu)十年中(zhong)，食品(pin)工業(yè)(ye)和食品科學(xué)(xue)界一直致力(li)建立可(ke)行的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(píng)測(ce)的客觀方法，雖(sui)然取(qu)得了(le)許多進(jìn)展(zhan)，但是無論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理論還(hai)是食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)分析測量(liang)技術(shù)方(fang)面，都(dou)還存在許多(duo)問題，無法準(zhǔn)確(que)解釋消費(fèi)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原(yuan)理，也不能很好(hao)滿足(zu)食品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的需(xu)求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點(diǎn)在(zai)于其多(duo)維度和多尺(chi)度共(gong)存的本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實(shí)(shi)質(zhì)上是與食(shi)品材料物性相(xiang)關(guān)的且能(neng)被消費(fèi)者感知(zhi)的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復(fù)(fu)雜且微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對(duì)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性質(zhì)具(ju)有多(duo)重與動(dòng)態(tài)(tai)的特征。因此很(hen)難期(qi)待用(yong)單一的方(fang)法來描述或(huo)測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多維(wei)性原理，浙江工(gong)商大學(xué)食品(pin)口腔加(jia)工實(shí)驗(yàn)室陳建(jian)設(shè)教(jiao)授與英國諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)，提出了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型，并(bing)以此準(zhǔn)確量(liang)化不同(tong)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模型(xing)的提出，使(shi)得建立(li)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)譜圖成為(wei)可能，也為數(shù)(shu)字化時(shí)代(dai)將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感官詞(ci)語描述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字(zi)化描述提供了(le)理論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品(pin)的分類有很(hen)多種方法，最常(chang)見的(de)是依據(jù)食品的(de)形態(tài)，將其分為(wei)三大類：固體食(shi)品，軟（半(ban)）固體(ti)食品，流體食品(pin)。固體(ti)食品泛(fan)指那些可以(yi)抗拒重力(li)并具有特定形(xing)態(tài)且不(bu)易形變的食品(pin)，可分為干固(gu)體食品（如(ru)餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果(guo)糖等(deng)）和濕固體食品(pin)（如蘋果、梨(li)等）。當(dāng)外應(yīng)力(li)超出其屈(qu)服閾值時(shí)，固(gu)體食品會(huì)(hui)直接(jie)斷裂或(huo)脆裂。流體食品(pin)是指(zhi)那些無法抗拒(ju)重力并不具(ju)自我形態(tài)的可(ke)自由流(liu)動(dòng)的食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的(de)容器(qi)的形態(tài)為形(xing)態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)(ying)力就可引起(qi)顯著的形變。軟(ruan)固體則介(jie)于兩者之間(jian)，可抗拒重(zhong)力并保(bao)持一定的(de)形態(tài)，但在弱外(wai)應(yīng)力作用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變，并最(zui)終破(po)裂。

固體食(shi)品的三維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食品(pin)形變時(shí)(shi)應(yīng)力與(yu)應(yīng)變之間的(de)典型關(guān)系(xi)

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食品形(xing)變特征的口腔(qiang)感受，與食(shi)品的材料性(xing)質(zhì)直接(jie)相關(guān)。而對(duì)(dui)于不同的食(shi)品材料，形變(bian)的內(nèi)在決定因(yin)素有著很大(da)的區(qū)別。對(duì)于(yu)固體(ti)食品，其形(xing)變程度與形變(bian)所需的能量(liang)是兩個(gè)最重要(yao)的物理變量(liang)，也直接為消(xiao)費(fèi)者所感知(zhi)。很幸運(yùn)的(de)是，這兩個(gè)物理(li)變量都有準(zhǔn)確(que)的物理定義(yi)并可以被客(ke)觀的量化測量(liang)。圖1所示既是(shi)固體食品的應(yīng)(ying)力與形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變(bian)所需的(de)能量(liang)（或所作的功(gong)）則為應(yīng)力與形(xing)變距(ju)離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線下(xia)方的面(mian)積。一般可以(yi)根據(jù)食(shi)品形變所需的(de)應(yīng)力(li)大小將(jiang)食品材(cai)料大致(zhi)分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能量(liang)大小則可將(jiang)食品材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直(zhi)線表(biao)現(xiàn)為四種典型(xing)的食品材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)除了其形(xing)變程度與(yu)形變能量外(wai)，還有一項(xiàng)(xiang)非常重要的體(ti)驗(yàn)是其(qi)破碎程度。基于(yu)這樣的思考，我(wo)們將固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個(gè)維度(du)來量化描述：強(qiáng)(qiang)度(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)(ge)終端(duan)分別用六個(gè)熟(shu)悉的感官用語(yu)予以錨(mao)定：強(qiáng)度維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別(bie)為易碎性(xing)(Brittle)和可(ke)塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三個(gè)維度(du)的量化(hua)數(shù)值把固體(ti)食品分為(wei)八個(gè)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)特征描述(shu)見表1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三維(wei)模型

表1. 一些(xie)典型(xing)固體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的(de)三維分布

表1中三個(gè)維(wei)度變量(liang)中，強(qiáng)(qiang)度具有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形變時(shí)(shi)的應(yīng)力來(lai)表示(shi)，具有應(yīng)(ying)力單位(wei)（Pa）,而破碎(sui)度可用破碎前(qian)后的顆粒大小(xiao)分布或破碎(sui)前后的(de)總表面(mian)積相比來量化(hua)，不具(ju)量綱。

流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)

與固體食品不(bu)同，流體食品(pin)形變時(shí)除了其(qi)形變程(cheng)度和形變所需(xu)能量外(wai)，其形變(bian)所需的時(shí)間也(ye)是極(ji)其重要(yao)的參考參數(shù)(shu)。單位時(shí)間(jian)的形(xing)變程度(du)體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在外(wai)應(yīng)力作用下產(chǎn)(chan)生形變的速(su)度或速率(lv)，直接影響材(cai)料形變過程(cheng)中材料(liao)內(nèi)部的能量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)(chu)存于材料內(nèi)部(bu)還是通過其他(ta)形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品(pin)剪切流動(dòng)時(shí)的(de)剪切應(yīng)力與剪(jian)切速率之(zhi)間的(de)幾種典(dian)型關(guān)(guan)系

圖3給出了流體材(cai)料的形變(bian)關(guān)系(xi)，對(duì)比圖1的固體材(cai)料形(xing)變，其橫坐標(biāo)(biao)的形(xing)變程度已為形(xing)變速率(lv)（定義(yi)為單位(wei)時(shí)間的形變(bian)量）所(suo)替代。不(bu)同的(de)流體材料表現(xiàn)(xian)為非常不同的(de)應(yīng)力與形(xing)變速率的關(guān)系(xi)，如牛頓流體，剪(jian)切切稀流體，剪(jian)切切稠流體，觸(chu)變性流體等(deng)。

雖然上述(shu)的流變行為能(neng)準(zhǔn)確描述流(liu)體食品形(xing)變的基本(ben)行為(wei)或所需外應(yīng)(ying)力（能量）的關(guān)系(xi)，但是卻(que)不能顯示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量儲(chǔ)存與(yu)耗散的情(qing)況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)(dui)于流體(ti)食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體食品在外(wai)應(yīng)力消失后(hou)，是否能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的(de)形狀。這個(gè)性(xing)質(zhì)在流變學(xué)中(zhong)稱為(wei)黏彈性(xing)，并可(ke)以用大形變振(zhen)幅方法來準(zhǔn)(zhun)確測量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性(xing)是它的兩個(gè)(ge)ji端情況：前者意(yi)味著(zhe)流體會(huì)像(xiang)彈簧(huang)一樣儲(chǔ)存形變(bian)時(shí)的所有外加(jia)能量，當(dāng)外(wai)力取(qu)消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原來狀(zhuang)態(tài)（零(ling)度相角)，后者則(ze)指流體像(xiang)水一樣(yang)，不具任何(he)能量儲(chǔ)存(cun)能力，所有外(wai)加的形變能量(liang)都會(huì)因分子或(huo)顆粒摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變(bian)為熱能(neng)并耗(hao)散（相角90度)。大部(bu)分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一(yi)定的黏性(xing)，相角介(jie)于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相角為黏(nian)彈性的切分(fen)點(diǎn)，小于(yu)45度彈(dan)性為主(zhu)，大于45度則黏(nian)性為(wei)主。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏彈性(xing)的表征(zheng)稍顯復(fù)雜(za)，它與(yu)形變速率或(huo)頻率直(zhi)接相(xiang)關(guān)。一般情(qing)況下(xia)，當(dāng)形變振幅(fu)的頻率(lv)增加時(shí)(shi)，流體食(shi)品的(de)彈性傾(qing)向加強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率降(jiang)低時(shí)，流(liu)體食品的黏(nian)性性質(zhì)會(huì)更(geng)加突(tu)出。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)特性(xing)的三維模型(xing)

把流體(ti)材料的這些本(ben)質(zhì)特征(zheng)組合可以形(xing)成另一個(gè)三(san)維度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，見圖4三個(gè)(ge)維度分別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性(xing)（或流(liu)動(dòng)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的(de)六個(gè)末端也(ye)可以(yi)用感官詞語來(lai)表達(dá)（見表(biao)2）。

表2. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型說明(ming)

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)確(que)描述(shu)大部分(fen)固體和流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形(xing)成食品質(zhì)構(gòu)(gou)的空間(jian)分布圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是如(ru)何處理軟固體(ti)或半固體食品(pin)，目前還(hai)沒有一個(gè)好的(de)辦法(fa)。軟固體(ti)食品(pin)是非常(chang)廣泛(fan)的食(shi)品體系，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形(xing)變程度起主(zhu)導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體(ti)（如面包、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝(ning)膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變速(su)率起主(zhu)導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如酸奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如(ru)此廣泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)難以(yi)用一個(gè)模型(xing)來形容，作為(wei)一個(gè)大致的(de)方法，可(ke)以根據(jù)軟固體(ti)食品(pin)的形(xing)變程度和形(xing)變速率的(de)作用(yong)程度，決定(ding)采用近(jin)似固體處(chu)理或近(jin)似流體處(chu)理。前者可以固(gu)體食品的三(san)維模型處理(li)，而后(hou)者基本上可以(yi)參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理。

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三維模型的(de)局限性

本文(wen)提出(chu)的食品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型，突(tu)破了食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理(li)論，但(dan)是模型的應(yīng)(ying)用仍有一定的(de)局限性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能(neng)適用于(yu)均相的食品(pin)體系，對(duì)于多(duo)相混雜(za)的食品（例(li)如夾心(xin)餅干(gan)等），其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征則(ze)應(yīng)該分(fen)相描述(shu)。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦(yi)不能描述(shu)一些(xie)與分散(san)體系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散(san)體系食品(pin)常常(chang)包含分(fen)散顆粒，雖為(wei)均相分布，但是(shi)這些分散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料(liao)性質(zhì)外，還會(huì)帶(dai)來一些(xie)與顆粒相(xiang)關(guān)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆(ke)粒感、粉感等。另(ling)外，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維模型(xing)也不包(bao)括因食(shi)物入(ru)口后與唾液(ye)相互作(zuo)用而產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化(hua)因而引(yin)起的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀(se)感、滑溜感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析雖(sui)然已經(jīng)有如(ru)流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成熟(shu)的測量技術(shù)，但(dan)是流變(bian)儀測量的(de)結(jié)果(guo)往往因(yin)其過(guo)于基礎(chǔ)性，缺乏(fa)與質(zhì)(zhi)構(gòu)口感性質(zhì)(zhi)的直(zhi)接對(duì)應(yīng)(ying)，而不被食品(pin)工業(yè)所接(jie)受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)儀測量只(zhi)能是相對(duì)(dui)的測量，很(hen)大程度上只(zhi)是定(ding)性測量，其(qi)測量的(de)方式和(he)測量的(de)結(jié)果缺乏(fa)明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)(zhun)，各實(shí)驗(yàn)(yan)室之(zhi)間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分(fen)析結(jié)果無法直(zhi)接比(bi)較。zui明顯的(de)例子是文獻(xiàn)(xian)上廣(guang)泛報(bào)(bao)道的所謂的(de)質(zhì)構(gòu)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重誤(wu)用的情(qing)況。我們(men)試圖從食品(pin)材料的形變原(yuan)理出(chu)發(fā)，揭示(shi)食品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的(de)食品材料(liao)學(xué)本(ben)質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可以將各(ge)類食品材料(liao)進(jìn)行可比(bi)較的量化分(fen)析，從而建立(li)食品體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維譜(pu)圖分(fen)布，區(qū)(qu)分各(ge)食品之間的微(wei)妙的質(zhì)(zhi)構(gòu)差異(yi)，為建立食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系提供了可(ke)靠的理論依據(jù)(ju)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第一作者(zhe)）與浙江工商(shang)大學(xué)(xue)陳建設(shè)(she)教授（通訊作(zuo)者）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根(gen)據(jù)原(yuan)文重新整理寫(xie)作，有些地方(fang)對(duì)原(yuan)文稍有(you)修改。

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致謝：本(ben)文寫作(zuo)過程中，馬添(tian)先生提(ti)出許多建設(shè)(she)性的建議。