食品質(zhì)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到食(shi)品的口(kou)感，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中的風(fēng)味(wei)釋放與(yu)體驗。過去數(shù)十(shi)年中，食品工(gong)業(yè)和(he)食品科學(xué)界(jie)一直致力建立(li)可行的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評測(ce)的客觀方(fang)法，雖(sui)然取得(de)了許(xu)多進展，但是(shi)無論在食品(pin)質(zhì)構(gòu)理論還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測量(liang)技術(shù)(shu)方面，都還(hai)存在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消費者質(zhì)構(gòu)(gou)感官背后的復(fù)(fu)雜物(wu)理學(xué)原理，也(ye)不能很好滿足(zu)食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制(zhi)的需求(qiu)。

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析的難(nan)點在于其(qi)多維(wei)度和多尺度(du)共存(cun)的本(ben)質(zhì)特點。食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)實質(zhì)上是(shi)與食品(pin)材料(liao)物性相關(guān)(guan)的且能被消(xiao)費者感知的一(yi)系列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且微(wei)妙變化的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其相對應(yīng)(ying)的材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與動(dong)態(tài)的特征。因(yin)此很(hen)難期待(dai)用單一的(de)方法來描(miao)述或測量(liang)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于(yu)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的多(duo)維性原理，浙江(jiang)工商(shang)大學(xué)食品口腔(qiang)加工實驗(yan)室陳建設(shè)(she)教授與(yu)英國諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)原理(li)出發(fā)，提出(chu)了食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型(xing)，并以(yi)此準(zhǔn)(zhun)確量化不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個新模型(xing)的提出(chu)，使得建(jian)立食品質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成(cheng)為可能(neng)，也為(wei)數(shù)字化(hua)時代將傳(chuan)統(tǒng)的(de)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)(shu)字化描述提供(gong)了理論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分類有(you)很多種方法(fa)，最常見的(de)是依(yi)據(jù)食品(pin)的形態(tài)，將其分(fen)為三大類(lei)：固體食品，軟（半(ban)）固體食(shi)品，流(liu)體食品(pin)。固體食品泛(fan)指那些可以(yi)抗拒重力(li)并具有(you)特定形態(tài)且(qie)不易形(xing)變的食(shi)品，可分(fen)為干固(gu)體食品（如餅干(gan)、堅果、硬果(guo)糖等）和(he)濕固體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dāng)外(wai)應(yīng)力超出其屈(qu)服閾值時(shi)，固體食(shi)品會直接(jie)斷裂(lie)或脆裂。流(liu)體食品(pin)是指那(na)些無法抗拒(ju)重力并不(bu)具自(zi)我形態(tài)(tai)的可自由(you)流動的食品，這(zhe)類食品以其裝(zhuang)載的(de)容器的形(xing)態(tài)為(wei)形態(tài)，極微(wei)小的應(yīng)力就可(ke)引起顯著(zhu)的形變。軟固(gu)體則介于兩(liang)者之間，可抗拒(ju)重力(li)并保(bao)持一定的(de)形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變，并最終(zhong)破裂。

固體食品的三(san)維質(zhì)(zhi)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食品(pin)形變時應(yīng)(ying)力與應(yīng)變(bian)之間的典(dian)型關(guān)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食品形(xing)變特征(zheng)的口腔(qiang)感受，與(yu)食品的材料(liao)性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對于不同(tong)的食品(pin)材料，形變的內(nèi)(nei)在決定因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對于固(gu)體食品(pin)，其形變(bian)程度與形變所(suo)需的能量是(shi)兩個最重(zhong)要的(de)物理(li)變量(liang)，也直接為消費(fei)者所感知。很幸(xing)運的(de)是，這兩個物(wu)理變量都有(you)準(zhǔn)確(que)的物理(li)定義并可以被(bei)客觀的(de)量化測量。圖(tu)1所示既(ji)是固體(ti)食品的(de)應(yīng)力與(yu)形變之間(jian)的關(guān)系，而形變(bian)所需的能量(liang)（或所作(zuo)的功）則(ze)為應(yīng)力與形(xing)變距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)力(li)線下方的(de)面積(ji)。一般可(ke)以根(gen)據(jù)食品形變所(suo)需的(de)應(yīng)力大小將食(shi)品材(cai)料大(da)致分為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能(neng)量大小(xiao)則可將(jiang)食品材料分(fen)為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線表(biao)現(xiàn)為四種典(dian)型的食品材料(liao)：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且(qie)弱(Soft and weak), (d)軟且強(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(bian)程度(du)與形(xing)變能量(liang)外，還有一(yi)項非常重(zhong)要的(de)體驗是其破(po)碎程度。基于(yu)這樣的思(si)考，我們將(jiang)固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)用三個維(wei)度來量化描(miao)述：強(qiang)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的(de)六個終(zhong)端分別(bie)用六(liu)個熟(shu)悉的感官(guan)用語予以錨(mao)定：強度維度(du)分別(bie)為強(qiang)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度分(fen)別為(wei)硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別(bie)為易(yi)碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三個(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食品(pin)分為八(ba)個類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述見表(biao)1。

圖2. 固體食(shi)品材料質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)性的三維模(mo)型

表1. 一些典型(xing)固體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三(san)維分布(bu)

表1中三個維度變(bian)量中，強度具有(you)能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形變(bian)時的(de)應(yīng)力來表示(shi)，具有(you)應(yīng)力(li)單位（Pa）,而破(po)碎度可用破(po)碎前后(hou)的顆粒(li)大小分(fen)布或破碎前后(hou)的總表面積相(xiang)比來量化，不(bu)具量(liang)綱。

流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固(gu)體食品(pin)不同(tong)，流體食品形變(bian)時除(chu)了其(qi)形變程(cheng)度和形變所(suo)需能量外(wai)，其形變(bian)所需的時間(jian)也是極(ji)其重(zhong)要的參考參(can)數(shù)。單位時(shi)間的形(xing)變程度體(ti)現(xiàn)流體(ti)食品在外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)(chan)生形變的速(su)度或速率，直(zhi)接影響材料形(xing)變過(guo)程中(zhong)材料內(nèi)(nei)部的能量狀況(kuang)，是儲存于(yu)材料內(nèi)部還(hai)是通過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散(san)。

圖3. 流體食品(pin)剪切流動時(shi)的剪切(qie)應(yīng)力(li)與剪切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)(guan)系

圖3給出(chu)了流體材料的(de)形變關(guān)系，對(dui)比圖1的固(gu)體材料形變，其(qi)橫坐標(biāo)(biao)的形變(bian)程度(du)已為形變速(su)率（定義(yi)為單位時(shi)間的形變量）所(suo)替代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)(xian)為非常不同的(de)應(yīng)力(li)與形變(bian)速率的關(guān)(guan)系，如牛頓流(liu)體，剪切(qie)切稀流體，剪切(qie)切稠(chou)流體(ti)，觸變(bian)性流體等。

雖然上述的流(liu)變行為能準(zhǔn)確(que)描述流(liu)體食(shi)品形變(bian)的基本行為或(huo)所需外應(yīng)(ying)力（能量）的(de)關(guān)系，但是卻(que)不能顯示外應(yīng)(ying)力形變后的(de)能量儲存與耗(hao)散的情況。這(zhe)一點(dian)對于流(liu)體食品非常(chang)重要(yao)，關(guān)系到流(liu)體食品在(zai)外應(yīng)力消(xiao)失后，是(shi)否能夠彈(dan)性恢復(fù)原來(lai)的形狀(zhuang)。這個性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱(cheng)為黏(nian)彈性，并可以(yi)用大(da)形變振幅方法(fa)來準(zhǔn)確測量。wanquan彈(dan)性或(huo)wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端(duan)情況：前者意(yi)味著流(liu)體會(hui)像彈(dan)簧一樣儲存(cun)形變時的所(suo)有外加能量(liang)，當(dāng)外力取消后(hou)，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到(dao)原來狀態(tài)（零度(du)相角(jiao))，后者(zhe)則指流(liu)體像水一樣(yang)，不具任何能(neng)量儲存(cun)能力，所有外(wai)加的形變能量(liang)都會因(yin)分子或顆粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)熱能并耗散(san)（相角90度)。大部分流體食(shi)品即有一定的(de)彈性也有一定(ding)的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為(wei)黏彈性的切(qie)分點，小于(yu)45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性為(wei)主。

當(dāng)然(ran)，流體食品黏(nian)彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)(fu)雜，它與形變速(su)率或頻率直接(jie)相關(guān)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變(bian)振幅的(de)頻率增加時(shi)，流體食品(pin)的彈性傾向加(jia)強；而當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率降(jiang)低時(shi)，流體(ti)食品的黏性性(xing)質(zhì)會更加(jia)突出。

圖4. 流體(ti)食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維模型(xing)

把流(liu)體材料的(de)這些本質(zhì)特征(zheng)組合可以形成(cheng)另一個(ge)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模(mo)型，見圖4三個維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性（或(huo)流動行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(ge)維度的六(liu)個末端也可(ke)以用感(gan)官詞語來表達(da)（見表(biao)2）。

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

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述(shu)的三維(wei)模型(xing)可以準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)大部分固體(ti)和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成(cheng)食品(pin)質(zhì)構(gòu)的(de)空間分布(bu)圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)(qu)別不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。但是(shi)如何處理(li)軟固體(ti)或半(ban)固體食品，目(mu)前還沒有一(yi)個好的(de)辦法。軟固體(ti)食品(pin)是非(fei)常廣泛的(de)食品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形(xing)變程度起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體（如(ru)面包、饅頭(tou)、豆腐、果凍、凝膠(jiao)類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟(ruan)固體（如(ru)酸奶和其(qi)他糊狀類(lei)食品）。如此廣(guang)泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難(nan)以用一個模型(xing)來形(xing)容，作(zuo)為一個(ge)大致(zhi)的方法，可以(yi)根據(jù)軟固體(ti)食品的形變程(cheng)度和形變(bian)速率的作用(yong)程度(du)，決定采(cai)用近似固(gu)體處理或近(jin)似流(liu)體處理(li)。前者可以(yi)固體食(shi)品的三維模(mo)型處理，而后者(zhe)基本上可(ke)以參(can)照流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型來處理(li)。

?

三維模型的(de)局限性

本文提出(chu)的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)，突破了(le)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理論，但(dan)是模(mo)型的應(yīng)用仍(reng)有一定(ding)的局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能適用于(yu)均相(xiang)的食品體(ti)系，對于多相混(hun)雜的(de)食品（例如夾(jia)心餅干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征則應(yīng)該分相(xiang)描述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不能(neng)描述(shu)一些與分(fen)散體系相關(guān)(guan)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系食品(pin)常常包含分(fen)散顆粒，雖為(wei)均相分布，但是(shi)這些(xie)分散顆粒除了(le)影響整體材料(liao)性質(zhì)外(wai)，還會帶來(lai)一些與顆(ke)粒相(xiang)關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口感(gan)特征，如顆粒(li)感、粉感等(deng)。另外，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的三維模型(xing)也不(bu)包括(kuo)因食物入口后(hou)與唾液相互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成(cheng)分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀感、滑(hua)溜感等(deng)。

?

食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)雖然已經(jīng)有(you)如流變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一些(xie)成熟的(de)測量技術(shù)，但(dan)是流變儀測(ce)量的結(jié)果往往(wang)因其過于(yu)基礎(chǔ)性，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口感(gan)性質(zhì)的直接(jie)對應(yīng)，而(er)不被食(shi)品工(gong)業(yè)所接受。而(er)食品質(zhì)構(gòu)儀(yi)測量只能是相(xiang)對的測量，很大(da)程度上只是(shi)定性測量(liang)，其測量的方(fang)式和測量(liang)的結(jié)(jie)果缺乏明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實驗室(shi)之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析結(jié)果(guo)無法直接比較(jiao)。zui明顯的(de)例子是文獻(xian)上廣泛報道的(de)所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯的(de)缺陷和被嚴(yan)重誤用的情況(kuang)。我們試圖從食(shi)品材料的形(xing)變原(yuan)理出發(fā)，揭示食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官的食品(pin)材料學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型的zui大(da)優(yōu)點是可(ke)以將(jiang)各類食品(pin)材料進行可比(bi)較的量化(hua)分析(xi)，從而建(jian)立食(shi)品體(ti)系的質(zhì)構(gòu)(gou)三維譜(pu)圖分(fen)布，區(qū)分各(ge)食品(pin)之間(jian)的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化體(ti)系提(ti)供了可(ke)靠的理論依(yi)據(jù)。

?

原文由英國諾(nuo)丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作者）與浙江(jiang)工商大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者）合作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原文(wen)重新整(zheng)理寫作，有(you)些地(di)方對原文稍有(you)修改。

?

致謝：本文寫(xie)作過程(cheng)中，馬(ma)添先生提出許(xu)多建設(shè)性的建(jian)議。