食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)不僅直(zhi)接關(guān)系(xi)到食(shi)品的(de)口感，也顯(xian)著影(ying)響食物在口腔(qiang)中的(de)風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yan)。過去(qu)數(shù)十年(nian)中，食品工業(yè)和(he)食品科(ke)學(xué)界一直致(zhi)力建立可行的(de)食品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評測的(de)客觀方法(fa)，雖然取得(de)了許多進(jìn)展，但(dan)是無論在食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)理論(lun)還是食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測量技(ji)術(shù)方面，都還存(cun)在許多(duo)問題(ti)，無法準(zhǔn)確解(jie)釋消費者質(zhì)構(gòu)(gou)感官背(bei)后的(de)復(fù)雜物理(li)學(xué)原理，也不(bu)能很好滿足(zu)食品工業(yè)(ye)質(zhì)量(liang)控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難點在于其(qi)多維度和(he)多尺度共存的(de)本質(zhì)特(te)點。食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實質(zhì)上是與(yu)食品(pin)材料(liao)物性相關(guān)的(de)且能被消費(fei)者感知(zhi)的一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包(bao)含很(hen)多復(fù)雜(za)且微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對應(yīng)(ying)的材料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與(yu)動態(tài)的特征(zheng)。因此很(hen)難期待用(yong)單一的(de)方法來(lai)描述或(huo)測量食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)感官(guan)。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性(xing)原理(li)，浙江工(gong)商大學(xué)食品(pin)口腔加(jia)工實驗室陳(chen)建設(shè)教授與(yu)英國諾(nuo)丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食(shi)品材(cai)料學(xué)和物(wu)性學(xué)原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型，并(bing)以此準(zhǔn)(zhun)確量化不同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。這個(ge)新模型的提出(chu)，使得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為可(ke)能，也為(wei)數(shù)字化時代(dai)將傳統(tǒng)的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的感官詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字(zi)化描(miao)述提(ti)供了(le)理論依據(jù)。

食品(pin)的材(cai)料分類(lei)

食品的分類(lei)有很多(duo)種方法(fa)，最常見的(de)是依(yi)據(jù)食品(pin)的形(xing)態(tài)，將其分為三(san)大類(lei)：固體食品，軟（半(ban)）固體食品，流(liu)體食品(pin)。固體食品泛(fan)指那些可(ke)以抗拒重(zhong)力并具(ju)有特定形(xing)態(tài)且不易形變(bian)的食品，可分(fen)為干固體食品(pin)（如餅干、堅(jian)果、硬果糖等(deng)）和濕固(gu)體食品(pin)（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈(qu)服閾值(zhi)時，固體食(shi)品會直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品是指(zhi)那些無法抗拒(ju)重力(li)并不(bu)具自我形態(tài)的(de)可自由(you)流動的食(shi)品，這類食品以(yi)其裝載的容(rong)器的(de)形態(tài)(tai)為形態(tài)，極(ji)微小的應(yīng)力(li)就可引起(qi)顯著的形(xing)變。軟固體則(ze)介于兩者(zhe)之間，可抗(kang)拒重力(li)并保持(chi)一定的(de)形態(tài)，但在(zai)弱外(wai)應(yīng)力作用下產(chǎn)(chan)生形(xing)變，并最(zui)終破裂。

固體食(shi)品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體(ti)食品形變時應(yīng)(ying)力與應(yīng)變之(zhi)間的(de)典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是食(shi)品形(xing)變特征(zheng)的口腔(qiang)感受(shou)，與食品(pin)的材料性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)。而對于(yu)不同的食品材(cai)料，形變的(de)內(nèi)在決定(ding)因素有著很(hen)大的區(qū)(qu)別。對于固(gu)體食品，其(qi)形變程度與(yu)形變所需(xu)的能量是(shi)兩個最重要的(de)物理變量，也直(zhi)接為消(xiao)費者所感知(zhi)。很幸運的是(shi)，這兩個物(wu)理變量都(dou)有準(zhǔn)確的(de)物理定(ding)義并(bing)可以被客觀的(de)量化測量(liang)。圖1所示既是固(gu)體食(shi)品的應(yīng)(ying)力與(yu)形變(bian)之間的關(guān)(guan)系，而形變所需(xu)的能量（或所作(zuo)的功）則為應(yīng)(ying)力與形(xing)變距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線下方的面(mian)積。一(yi)般可(ke)以根據(jù)食品(pin)形變所(suo)需的應(yīng)力大小(xiao)將食(shi)品材料大(da)致分為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的(de)能量大小(xiao)則可將(jiang)食品材(cai)料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條(tiao)直線(xian)表現(xiàn)為四種典(dian)型的(de)食品(pin)材料：(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)(qiang)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除了(le)其形(xing)變程度與形(xing)變能量外，還(hai)有一項非常(chang)重要的體(ti)驗是(shi)其破(po)碎程度?；谶@(zhe)樣的思(si)考，我們(men)將固體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三個(ge)維度來(lai)量化(hua)描述：強(qiáng)度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六(liu)個終端分別(bie)用六個熟悉(xi)的感官(guan)用語予以(yi)錨定：強(qiáng)度(du)維度(du)分別為強(qiáng)(qiang)(Strong)和弱(ruo)(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎維(wei)度分(fen)別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根(gen)據(jù)三(san)個維度的(de)量化數(shù)值把固(gu)體食品分為八(ba)個類(lei)別，其質(zhì)構(gòu)特征(zheng)描述見表1。

圖2. 固體食品材(cai)料質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維(wei)模型

表1. 一些典型(xing)固體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三(san)維分布

表1中三(san)個維度變量(liang)中，強(qiáng)度(du)具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形(xing)變時的應(yīng)(ying)力來表示，具有(you)應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度(du)可用破(po)碎前(qian)后的顆(ke)粒大小分(fen)布或破碎(sui)前后的(de)總表面積相(xiang)比來量化(hua)，不具量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固(gu)體食品不(bu)同，流體食(shi)品形(xing)變時除了(le)其形變(bian)程度(du)和形變所需能(neng)量外，其形(xing)變所需的(de)時間也是極(ji)其重(zhong)要的參考參(can)數(shù)。單位時間的(de)形變程度(du)體現(xiàn)流體(ti)食品在外應(yīng)(ying)力作用下產(chǎn)生(sheng)形變的速(su)度或(huo)速率，直接(jie)影響材料形(xing)變過程中材(cai)料內(nèi)部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲存于(yu)材料內(nèi)(nei)部還(hai)是通過其(qi)他形式（如(ru)熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品剪切流(liu)動時的剪(jian)切應(yīng)力與(yu)剪切速率(lv)之間的幾種典(dian)型關(guān)系

圖3給出(chu)了流體材(cai)料的(de)形變關(guān)系，對(dui)比圖1的固體材料形(xing)變，其(qi)橫坐標(biāo)(biao)的形變(bian)程度(du)已為(wei)形變速(su)率（定義(yi)為單(dan)位時(shi)間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的流體(ti)材料表現(xiàn)為(wei)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(chou)流體，觸變(bian)性流體等。

雖然上述的(de)流變行(xing)為能準(zhǔn)確描述(shu)流體食品形(xing)變的基(ji)本行為或(huo)所需外應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系，但是(shi)卻不(bu)能顯示外(wai)應(yīng)力形變后(hou)的能量儲存與(yu)耗散的情(qing)況。這一點(dian)對于流(liu)體食品非常(chang)重要，關(guān)系(xi)到流(liu)體食品在外應(yīng)(ying)力消失后(hou)，是否能夠(gou)彈性恢(hui)復(fù)原來(lai)的形狀。這個(ge)性質(zhì)在流(liu)變學(xué)中稱為(wei)黏彈性，并(bing)可以用(yong)大形變(bian)振幅方法來(lai)準(zhǔn)確測量。wanquan彈性(xing)或wanquan黏性是它的(de)兩個ji端情(qing)況：前者意(yi)味著(zhe)流體會像彈簧(huang)一樣儲存形(xing)變時(shi)的所有外加能(neng)量，當(dāng)(dang)外力取消后(hou)，流體能(neng)wanquan恢復(fù)到(dao)原來(lai)狀態(tài)（零(ling)度相角)，后者則指流體(ti)像水一樣(yang)，不具任何(he)能量儲存能力(li)，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(bian)為熱能(neng)并耗散（相角90度)。大部分(fen)流體食(shi)品即有(you)一定的彈性(xing)也有一定的黏(nian)性，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相(xiang)角為(wei)黏彈性的切分(fen)點，小于45度彈性(xing)為主，大于45度則(ze)黏性為主。

當(dāng)然，流體食品(pin)黏彈(dan)性的表(biao)征稍顯復(fù)(fu)雜，它與(yu)形變速率(lv)或頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情況(kuang)下，當(dāng)形變振幅(fu)的頻率增加(jia)時，流體食品的(de)彈性傾(qing)向加強(qiáng)；而當(dāng)形(xing)變振幅(fu)的頻率降低(di)時，流(liu)體食品的黏(nian)性性(xing)質(zhì)會更加突(tu)出。

圖4. 流體食品(pin)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模型

把流體(ti)材料的這(zhe)些本質(zhì)特征組(zu)合可以形成(cheng)另一個三(san)維度(du)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見(jian)圖4三個(ge)維度(du)分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀(xi)切稠性（或流動(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的(de)六個末端也可(ke)以用感官(guan)詞語來(lai)表達(dá)（見表2）。

表2. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維模型說(shuo)明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維(wei)模型可以(yi)準(zhǔn)確描(miao)述大部分(fen)固體和流(liu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形成(cheng)食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)的空(kong)間分布(bu)圖，以(yi)準(zhǔn)確區(qū)(qu)別不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但是(shi)如何處理(li)軟固體或半固(gu)體食(shi)品，目前還沒(mei)有一個好(hao)的辦法(fa)。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)性質(zhì)由形(xing)變程(cheng)度起主導(dǎo)作用(yong)的軟固體（如面(mian)包、饅(man)頭、豆腐、果凍、凝(ning)膠類食品），和(he)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由(you)形變速率起主(zhu)導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如酸(suan)奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如此廣(guang)泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)難以(yi)用一個模型(xing)來形容，作(zuo)為一個大致的(de)方法，可以根據(jù)(ju)軟固體食品(pin)的形變(bian)程度(du)和形變速(su)率的作(zuo)用程度(du)，決定(ding)采用近(jin)似固體(ti)處理(li)或近似流體(ti)處理。前者可(ke)以固體(ti)食品的(de)三維模型(xing)處理，而(er)后者基(ji)本上可以(yi)參照流體(ti)食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型來處(chu)理。

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三維模(mo)型的局限(xian)性

本文提出的(de)食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)，突破了(le)食品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳(chuan)統(tǒng)理論(lun)，但是模型(xing)的應(yīng)(ying)用仍(reng)有一定(ding)的局限(xian)性。首先，食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只能(neng)適用于均相(xiang)的食品體(ti)系，對于多(duo)相混雜的(de)食品(pin)（例如夾心餅干(gan)等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)該(gai)分相(xiang)描述。第二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦(yi)不能描述一些(xie)與分散體系(xi)相關(guān)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)。分(fen)散體(ti)系食品常常(chang)包含分散顆(ke)粒，雖為均(jun)相分布，但是(shi)這些分散顆粒(li)除了影響整(zheng)體材料性質(zhì)外(wai)，還會帶來一(yi)些與顆(ke)粒相(xiang)關(guān)的特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感特征，如(ru)顆粒感、粉(fen)感等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型也不(bu)包括因食(shi)物入口后與唾(tuo)液相(xiang)互作(zuo)用而產(chǎn)(chan)生成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變(bian)化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)特(te)征，如(ru)澀感、滑溜(liu)感等。

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食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖然已(yi)經(jīng)有如流變(bian)儀、質(zhì)構(gòu)儀等(deng)一些成熟(shu)的測量技術(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)(chu)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的(de)直接對應(yīng)(ying)，而不被食品工(gong)業(yè)所(suo)接受。而(er)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測量(liang)只能是(shi)相對的(de)測量，很大程(cheng)度上只(zhi)是定性測量，其(qi)測量的方式(shi)和測量(liang)的結(jié)果缺(que)乏明確(que)的標(biāo)準(zhǔn)，各(ge)實驗室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果(guo)無法直接比較(jiao)。zui明顯(xian)的例子是文獻(xiàn)(xian)上廣泛報道(dao)的所(suo)謂的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析(xi)分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯(xian)的缺陷和(he)被嚴(yán)重誤(wu)用的情(qing)況。我(wo)們試圖從(cong)食品材料(liao)的形變原(yuan)理出(chu)發(fā)，揭示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官的(de)食品材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模(mo)型的zui大(da)優(yōu)點(dian)是可以(yi)將各(ge)類食品材料(liao)進(jìn)行可比較(jiao)的量化(hua)分析(xi)，從而建立食品(pin)體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)譜圖分布(bu)，區(qū)分各食品之(zhi)間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化(hua)體系提供了(le)可靠的(de)理論(lun)依據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與浙(zhe)江工商大學(xué)(xue)陳建設(shè)教授(shou)（通訊作者(zhe)）合作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)(ju)原文重新整(zheng)理寫作，有(you)些地(di)方對原(yuan)文稍有(you)修改。

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