食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到食(shi)品的口感，也顯(xian)著影響食物在(zai)口腔中(zhong)的風(fēng)味(wei)釋放與體驗(yan)。過去數(shù)十年中(zhong)，食品工業(yè)(ye)和食品科學(xué)界(jie)一直致力建立(li)可行的食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評測的(de)客觀(guan)方法，雖然(ran)取得了許多(duo)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)的(de)分析測量技(ji)術(shù)方(fang)面，都還存在許(xu)多問題，無法(fa)準確解釋消(xiao)費者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官(guan)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(pin)工業(yè)質(zhì)量(liang)控制的需(xu)求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難(nan)點在于其多(duo)維度和多(duo)尺度(du)共存的(de)本質(zhì)特點。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實質(zhì)上是與(yu)食品材料物性(xing)相關(guān)的且能被(bei)消費者(zhe)感知的(de)一系列性質(zhì)(zhi)的統(tǒng)稱，包含(han)很多復(fù)雜(za)且微(wei)妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)(gou)屬性，其相對(dui)應(yīng)的材料學(xué)(xue)性質(zhì)具有多重(zhong)與動態(tài)的(de)特征。因此很難(nan)期待用單一的(de)方法(fa)來描述或測量(liang)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和質(zhì)構(gòu)(gou)感官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多維(wei)性原理，浙江(jiang)工商大學(xué)(xue)食品(pin)口腔加工實驗(yan)室陳建(jian)設(shè)教授與英國(guo)諾丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料(liao)學(xué)和物性學(xué)原(yuan)理出發(fā)(fa)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型，并以此(ci)準確(que)量化不(bu)同食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征。這個(ge)新模型的提(ti)出，使得(de)建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成(cheng)為可(ke)能，也為數(shù)字(zi)化時代將(jiang)傳統(tǒng)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的感(gan)官詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化(hua)描述提供了理(li)論依據(jù)(ju)。

食品的(de)材料分類

食品的分類(lei)有很多種方(fang)法，最常見的(de)是依據(jù)(ju)食品的形態(tài)(tai)，將其分(fen)為三(san)大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品，流體(ti)食品。固體(ti)食品(pin)泛指那(na)些可(ke)以抗拒(ju)重力并具有特(te)定形態(tài)且(qie)不易形(xing)變的食品，可(ke)分為干固體食(shi)品（如餅(bing)干、堅果、硬果(guo)糖等）和濕(shi)固體食品（如(ru)蘋果、梨等）。當(dang)外應(yīng)力超出(chu)其屈(qu)服閾值時(shi)，固體食品會直(zhi)接斷裂或脆裂(lie)。流體食品(pin)是指(zhi)那些無法抗(kang)拒重力(li)并不具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流動(dong)的食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的容器(qi)的形(xing)態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小的應(yīng)(ying)力就可引起顯(xian)著的(de)形變。軟固(gu)體則介于兩(liang)者之間，可抗(kang)拒重力并保持(chi)一定的形(xing)態(tài)，但(dan)在弱外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終破(po)裂。

固體食品(pin)的三(san)維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體食品形(xing)變時應(yīng)(ying)力與應(yīng)變之間(jian)的典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)(zhi)上是食品(pin)形變特征的口(kou)腔感(gan)受，與食品(pin)的材料性質(zhì)(zhi)直接相關(guān)。而對(dui)于不(bu)同的(de)食品材(cai)料，形變的內(nèi)在(zai)決定因(yin)素有著很(hen)大的區(qū)別。對于(yu)固體食品，其形(xing)變程度與形(xing)變所需的能(neng)量是兩個(ge)最重要的物(wu)理變量，也直接(jie)為消費者(zhe)所感知(zhi)。很幸運的(de)是，這兩(liang)個物理變量(liang)都有準(zhun)確的物理定義(yi)并可以被客觀(guan)的量(liang)化測量(liang)。圖1所示既是固體(ti)食品的應(yīng)力與(yu)形變之間的關(guān)(guan)系，而(er)形變所需的能(neng)量（或(huo)所作的功(gong)）則為應(yīng)力與形(xing)變距(ju)離的乘(cheng)積，表現(xiàn)為應(yīng)(ying)力線下方(fang)的面積。一般可(ke)以根據(jù)(ju)食品形(xing)變所需(xu)的應(yīng)力(li)大小將食品(pin)材料大致分為(wei)硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所(suo)需的(de)能量大小則可(ke)將食(shi)品材料分為(wei)強(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四(si)條直線(xian)表現(xiàn)為四(si)種典型的(de)食品材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且(qie)強(Soft and strong)。

當然，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變程(cheng)度與形(xing)變能量(liang)外，還有一項非(fei)常重要的體驗(yan)是其破碎程(cheng)度?；谶@樣(yang)的思考，我們(men)將固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個維度來量(liang)化描述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎(sui)度(Brittleness)。維度的六(liu)個終端(duan)分別(bie)用六個熟悉(xi)的感官用語(yu)予以錨(mao)定：強度維(wei)度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別(bie)為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別(bie)為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以(yi)根據(jù)三(san)個維度的量(liang)化數(shù)值(zhi)把固體食品(pin)分為八(ba)個類(lei)別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品(pin)材料質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模(mo)型

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特征的三維(wei)分布(bu)

表1中三(san)個維度變量(liang)中，強度具(ju)有能量單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變(bian)時的應(yīng)力(li)來表示，具(ju)有應(yīng)力單位(wei)（Pa）,而破碎度(du)可用破碎前后(hou)的顆粒大(da)小分布或破(po)碎前后的(de)總表面(mian)積相比來量化(hua)，不具量(liang)綱。

流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)模(mo)型

與固體食(shi)品不同，流體食(shi)品形變時(shi)除了其形變(bian)程度和形(xing)變所需(xu)能量外，其形變(bian)所需的時(shi)間也(ye)是極其重要(yao)的參考參數(shù)(shu)。單位時間的(de)形變程度體現(xiàn)(xian)流體食(shi)品在(zai)外應(yīng)(ying)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)的速度或(huo)速率，直接影(ying)響材料形變(bian)過程中材料(liao)內(nèi)部的能量狀(zhuang)況，是(shi)儲存于(yu)材料內(nèi)部還是(shi)通過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食品(pin)剪切流動時(shi)的剪切應(yīng)力與(yu)剪切速率(lv)之間的(de)幾種典型關(guān)系(xi)

圖3給出了(le)流體材料(liao)的形變關(guān)系，對(dui)比圖1的固(gu)體材料(liao)形變，其橫(heng)坐標的形(xing)變程度已為形(xing)變速率(lv)（定義(yi)為單(dan)位時間的形變(bian)量）所替代。不(bu)同的(de)流體材料(liao)表現(xiàn)(xian)為非常不同(tong)的應(yīng)力與形變(bian)速率的關(guān)系(xi)，如牛(niu)頓流體(ti)，剪切(qie)切稀流(liu)體，剪切切稠(chou)流體，觸變(bian)性流(liu)體等。

雖然上述(shu)的流變(bian)行為能準確(que)描述流(liu)體食品形變(bian)的基本行為或(huo)所需外應(yīng)(ying)力（能量）的關(guān)系(xi)，但是卻(que)不能顯(xian)示外應(yīng)(ying)力形變后的能(neng)量儲存(cun)與耗散(san)的情況(kuang)。這一點對于(yu)流體食(shi)品非常重要(yao)，關(guān)系(xi)到流體食(shi)品在外(wai)應(yīng)力消失后，是(shi)否能夠(gou)彈性(xing)恢復(fù)原來的(de)形狀。這(zhe)個性質(zhì)(zhi)在流(liu)變學(xué)中稱為(wei)黏彈性(xing)，并可以用大形(xing)變振幅(fu)方法來準確測(ce)量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性(xing)是它(ta)的兩個ji端情況(kuang)：前者意味著流(liu)體會像彈簧(huang)一樣儲存(cun)形變時的所(suo)有外(wai)加能量(liang)，當外力(li)取消后(hou)，流體能wanquan恢復(fù)到原(yuan)來狀(zhuang)態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則指(zhi)流體(ti)像水一樣，不具(ju)任何(he)能量儲(chu)存能力，所有外(wai)加的形變(bian)能量都會因(yin)分子或(huo)顆粒摩擦(ca)被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?neng)并耗散（相角90度)。大部分流體(ti)食品即有一(yi)定的彈性也(ye)有一(yi)定的黏(nian)性，相角介于(yu)0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的切分(fen)點，小于45度彈性為主，大(da)于45度則黏性為主(zhu)。

當然(ran)，流體食品黏彈(dan)性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜，它與(yu)形變速率(lv)或頻(pin)率直接相(xiang)關(guān)。一(yi)般情況下(xia)，當形變振幅(fu)的頻率增加時(shi)，流體食(shi)品的彈性傾(qing)向加強；而(er)當形變振幅的(de)頻率降(jiang)低時，流體食品(pin)的黏性(xing)性質(zhì)會更(geng)加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

把流體材(cai)料的這些本(ben)質(zhì)特(te)征組合(he)可以形成(cheng)另一個(ge)三維(wei)度的質(zhì)構(gòu)(gou)模型，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(liu)動行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個末端也可以(yi)用感官詞(ci)語來(lai)表達（見表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模型(xing)說明(ming)

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的(de)三維模型可以(yi)準確描(miao)述大部分固體(ti)和流體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征，形成(cheng)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空(kong)間分布(bu)圖，以準確區(qū)別(bie)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何處(chu)理軟固體或(huo)半固(gu)體食品，目前(qian)還沒有一(yi)個好的辦(ban)法。軟固體食(shi)品是(shi)非常廣(guang)泛的(de)食品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變(bian)程度起主(zhu)導(dǎo)作(zuo)用的(de)軟固體（如面包(bao)、饅頭、豆腐、果凍(dong)、凝膠(jiao)類食品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形變速(su)率起(qi)主導(dǎo)作用(yong)的軟(ruan)固體(ti)（如酸(suan)奶和(he)其他糊狀類食(shi)品）。如此廣泛差(cha)異的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用(yong)一個(ge)模型來形容，作(zuo)為一個大致的(de)方法，可以根據(jù)(ju)軟固體(ti)食品的形(xing)變程度和(he)形變速率的作(zuo)用程度(du)，決定采用近(jin)似固體處理或(huo)近似流體處(chu)理。前者可以(yi)固體食品(pin)的三維(wei)模型處理，而(er)后者基(ji)本上可(ke)以參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)來處理。

?

三維模型的局(ju)限性

本文提出的食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型，突(tu)破了食品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理論，但(dan)是模型的(de)應(yīng)用仍有(you)一定的局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型(xing)只能適用(yong)于均相(xiang)的食品(pin)體系，對于多(duo)相混雜的食(shi)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(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型亦不(bu)能描述一(yi)些與分(fen)散體系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分(fen)散體系食品常(chang)常包含分散(san)顆粒，雖為均相(xiang)分布，但(dan)是這(zhe)些分散顆粒除(chu)了影響(xiang)整體材料性質(zhì)(zhi)外，還會帶來(lai)一些(xie)與顆粒相關(guān)的(de)特殊的質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征(zheng)，如顆粒感、粉感(gan)等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維模(mo)型也不包括(kuo)因食物入(ru)口后與唾液(ye)相互(hu)作用(yong)而產(chǎn)生(sheng)成分或微結(jié)(jie)構(gòu)變化因而引(yin)起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征(zheng)，如澀感、滑溜感(gan)等。

?

食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字(zi)化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析雖(sui)然已經(jīng)(jing)有如流(liu)變儀(yi)、質(zhì)構(gòu)儀等一些(xie)成熟的(de)測量技術(shù)(shu)，但是流(liu)變儀測(ce)量的結(jié)果往往(wang)因其過于基(ji)礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直(zhi)接對應(yīng)，而(er)不被(bei)食品工業(yè)所接(jie)受。而食品(pin)質(zhì)構(gòu)儀測量只(zhi)能是相對的(de)測量(liang)，很大程度上(shang)只是定性(xing)測量，其測量(liang)的方(fang)式和測量的結(jié)(jie)果缺乏明確的(de)標準，各(ge)實驗(yan)室之間(jian)的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法直(zhi)接比較。zui明(ming)顯的(de)例子是(shi)文獻上廣泛報(bao)道的所謂(wei)的質(zhì)(zhi)構(gòu)剖析分(fen)析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被(bei)嚴重誤(wu)用的情(qing)況。我們試圖(tu)從食品(pin)材料的形變(bian)原理出發(fā)，揭(jie)示食品(pin)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)和感(gan)官的(de)食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)的zui大優(yōu)(you)點是可(ke)以將各類食(shi)品材料進行(xing)可比較的量化(hua)分析，從而(er)建立食品(pin)體系的(de)質(zhì)構(gòu)三維譜(pu)圖分布(bu)，區(qū)分各食品(pin)之間的(de)微妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為(wei)建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)體系(xi)提供(gong)了可靠的理(li)論依(yi)據(jù)。

?

原文(wen)由英(ying)國諾丁(ding)漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作(zuo)者）與(yu)浙江工商(shang)大學(xué)陳建(jian)設(shè)教授(shou)（通訊作者）合作(zuo)完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)原(yuan)文重新整理(li)寫作，有些(xie)地方(fang)對原文(wen)稍有(you)修改。

?

致謝：本(ben)文寫作過程中(zhong)，馬添(tian)先生(sheng)提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的(de)建議(yi)。