食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)(zhi)不僅(jin)直接關(guān)系到(dao)食品(pin)的口感，也顯(xian)著影響食(shi)物在口(kou)腔中的風(fēng)(feng)味釋放與體驗(yan)。過去數(shù)十年(nian)中，食(shi)品工(gong)業(yè)和食品科學(xué)(xue)界一直致力(li)建立可行的(de)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)評(ping)測的客觀(guan)方法，雖(sui)然取得了(le)許多(duo)進展，但是無論(lun)在食品質(zhì)構(gòu)理(li)論還是(shi)食品質(zhì)構(gòu)的(de)分析測量技術(shù)(shu)方面，都還存在(zai)許多(duo)問題，無法準確(que)解釋(shi)消費(fei)者質(zhì)構(gòu)感(gan)官背后的復(fù)(fu)雜物理學(xué)(xue)原理(li)，也不能很(hen)好滿足食品工(gong)業(yè)質(zhì)量控制的(de)需求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析的(de)難點在(zai)于其多維度(du)和多(duo)尺度共存的本(ben)質(zhì)特點。食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實質(zhì)上是(shi)與食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)的(de)且能被(bei)消費者感知(zhi)的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)(tong)稱，包含(han)很多復(fù)雜且(qie)微妙變化(hua)的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬(shu)性，其相對應(yīng)的(de)材料學(xué)(xue)性質(zhì)(zhi)具有多重(zhong)與動態(tài)的特(te)征。因此很難(nan)期待用單(dan)一的方法來(lai)描述(shu)或測量食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和(he)質(zhì)構(gòu)感(gan)官。

基于食品質(zhì)構(gòu)(gou)的多維性原理(li)，浙江工商大學(xué)(xue)食品口腔加(jia)工實驗室(shi)陳建設(shè)教授與(yu)英國諾(nuo)丁漢大學(xué)(xue)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食(shi)品材料學(xué)(xue)和物性學(xué)(xue)原理出發(fā)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模(mo)型，并以此準確(que)量化(hua)不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個新模(mo)型的提出，使(shi)得建立食品(pin)質(zhì)構(gòu)譜圖成為(wei)可能，也(ye)為數(shù)字化時代(dai)將傳統(tǒng)(tong)的食品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語描述(shu)轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化(hua)描述提供了(le)理論依據(jù)。

食品的(de)材料分(fen)類

食品(pin)的分(fen)類有很(hen)多種方法，最(zui)常見的是依(yi)據(jù)食品的形(xing)態(tài)，將其分(fen)為三(san)大類(lei)：固體食品，軟(ruan)（半）固(gu)體食品，流體(ti)食品。固(gu)體食品泛指那(na)些可以抗(kang)拒重(zhong)力并(bing)具有特定(ding)形態(tài)且(qie)不易形變的食(shi)品，可(ke)分為干固體食(shi)品（如餅干、堅果(guo)、硬果糖等）和(he)濕固體食(shi)品（如蘋(ping)果、梨等）。當(dang)外應(yīng)力超(chao)出其屈服(fu)閾值時，固體(ti)食品會直接斷(duan)裂或脆(cui)裂。流體食品是(shi)指那些(xie)無法抗拒(ju)重力(li)并不具自我(wo)形態(tài)的(de)可自由流動的(de)食品，這類食品(pin)以其裝載(zai)的容器的(de)形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力(li)就可引起顯(xian)著的形變。軟(ruan)固體則介于(yu)兩者之間(jian)，可抗拒重力并(bing)保持一定的(de)形態(tài)(tai)，但在弱外(wai)應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)生形變(bian)，并最(zui)終破裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

圖1. 固體食品形變(bian)時應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的典型關(guān)(guan)系

食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本(ben)質(zhì)上是食品(pin)形變(bian)特征的(de)口腔感(gan)受，與(yu)食品的材(cai)料性質(zhì)直接相(xiang)關(guān)。而對于(yu)不同的食品材(cai)料，形變的內(nèi)在(zai)決定因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對于(yu)固體(ti)食品，其形變(bian)程度與(yu)形變所需的能(neng)量是兩個(ge)最重(zhong)要的物理變(bian)量，也直接(jie)為消(xiao)費者所感(gan)知。很幸運的是(shi)，這兩個物(wu)理變(bian)量都有準(zhun)確的物(wu)理定義(yi)并可(ke)以被客觀的(de)量化測量。圖1所示既是固(gu)體食品的(de)應(yīng)力與(yu)形變之(zhi)間的(de)關(guān)系，而(er)形變所需(xu)的能量(liang)（或所作的功）則(ze)為應(yīng)力與(yu)形變距(ju)離的乘積，表現(xiàn)(xian)為應(yīng)(ying)力線下(xia)方的面積。一(yi)般可以(yi)根據(jù)(ju)食品(pin)形變所需的應(yīng)(ying)力大小將食(shi)品材料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形變(bian)所需(xu)的能量大小則(ze)可將食品材料(liao)分為強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為四種(zhong)典型的食品(pin)材料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiang)(Soft and strong)。

當然，固體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)除了其(qi)形變程度與(yu)形變能量外，還(hai)有一(yi)項非(fei)常重要的(de)體驗是其破(po)碎程度?；?yu)這樣的(de)思考，我們將(jiang)固體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用三(san)個維度(du)來量化(hua)描述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個終端分別(bie)用六個熟悉的(de)感官用語予(yu)以錨(mao)定：強度維(wei)度分別為強(qiang)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分(fen)別為易碎性(xing)(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根據(jù)三(san)個維度的量(liang)化數(shù)值把固(gu)體食品分為(wei)八個類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)特征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的三(san)維模型(xing)

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

表1中三個(ge)維度變量(liang)中，強度具(ju)有能量單(dan)位（Pa.m或者J），硬度可用(yong)最大形(xing)變時的應(yīng)力(li)來表(biao)示，具(ju)有應(yīng)力單位（Pa）,而破(po)碎度可(ke)用破碎前后(hou)的顆粒大小(xiao)分布或破(po)碎前后(hou)的總(zong)表面(mian)積相比來量化(hua)，不具量綱。

流體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

與固體(ti)食品(pin)不同，流體食(shi)品形變(bian)時除了其(qi)形變程度和(he)形變所需能量(liang)外，其形變所(suo)需的時間也是(shi)極其重(zhong)要的(de)參考參數(shù)。單位(wei)時間(jian)的形變程(cheng)度體(ti)現(xiàn)流體食品在(zai)外應(yīng)力作(zuo)用下產(chǎn)(chan)生形變的速(su)度或速率，直接(jie)影響材料形變(bian)過程中材料(liao)內(nèi)部的能量(liang)狀況，是儲存(cun)于材(cai)料內(nèi)部還是通(tong)過其他形式(shi)（如熱能）耗散(san)。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dong)時的剪切應(yīng)(ying)力與剪切速(su)率之間的幾種(zhong)典型(xing)關(guān)系

圖3給出了流(liu)體材料(liao)的形變關(guān)(guan)系，對(dui)比圖1的固體材(cai)料形(xing)變，其橫坐標(biao)的形變程度(du)已為形變速(su)率（定義為單位(wei)時間的形(xing)變量）所替代。不(bu)同的流體材料(liao)表現(xiàn)為(wei)非常(chang)不同的(de)應(yīng)力與形(xing)變速(su)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。

雖然上述的(de)流變行為能(neng)準確描(miao)述流體(ti)食品(pin)形變的基(ji)本行為(wei)或所需(xu)外應(yīng)力(li)（能量）的(de)關(guān)系，但(dan)是卻不能顯(xian)示外(wai)應(yīng)力形變后的(de)能量(liang)儲存與耗(hao)散的(de)情況。這(zhe)一點對(dui)于流體(ti)食品非常重要(yao)，關(guān)系(xi)到流體食品在(zai)外應(yīng)力消失(shi)后，是否能夠彈(dan)性恢復(fù)原(yuan)來的形(xing)狀。這個性質(zhì)(zhi)在流變學(xué)中稱(cheng)為黏彈性(xing)，并可以用(yong)大形變振幅方(fang)法來準確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端情況：前(qian)者意味著(zhe)流體會像彈簧(huang)一樣儲存形(xing)變時的所有(you)外加(jia)能量，當外(wai)力取消后，流體(ti)能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零度(du)相角)，后者則(ze)指流體(ti)像水(shui)一樣，不具(ju)任何能量(liang)儲存能力，所有(you)外加的形變(bian)能量都會(hui)因分子或顆粒(li)摩擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊?re)能并耗散（相(xiang)角90度)。大部分流體(ti)食品即(ji)有一定的(de)彈性也有一定(ding)的黏性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般以(yi)45度相(xiang)角為黏(nian)彈性的切分點(dian)，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則(ze)黏性為主。

當然，流(liu)體食品黏彈性(xing)的表(biao)征稍顯復(fù)雜(za)，它與形(xing)變速率或頻率(lv)直接相關(guān)。一般(ban)情況下(xia)，當形(xing)變振幅的(de)頻率增(zeng)加時，流體食(shi)品的(de)彈性(xing)傾向加強(qiang)；而當形變振(zhen)幅的頻率(lv)降低時，流體食(shi)品的(de)黏性(xing)性質(zhì)會(hui)更加突出(chu)。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三(san)維模型

把流體材料的(de)這些本質(zhì)特征(zheng)組合可(ke)以形成另(ling)一個三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個維度分別(bie)為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠(chou)性（或流(liu)動行(xing)為指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維度(du)的六個末端(duan)也可以(yi)用感官(guan)詞語來(lai)表達（見表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維(wei)模型(xing)說明

軟固體的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三(san)維模型(xing)可以準確描(miao)述大部分固(gu)體和流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成食(shi)品質(zhì)構(gòu)的空間(jian)分布圖(tu)，以準確(que)區(qū)別(bie)不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但(dan)是如何處理軟(ruan)固體或半(ban)固體食品，目前(qian)還沒有(you)一個好的(de)辦法。軟(ruan)固體食品(pin)是非常廣泛的(de)食品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)由形(xing)變程度起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如(ru)面包(bao)、饅頭、豆腐、果凍(dong)、凝膠類食(shi)品），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)由形變(bian)速率起主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如酸奶和(he)其他糊(hu)狀類食(shi)品）。如此廣泛(fan)差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)難以用一(yi)個模(mo)型來形容，作(zuo)為一個(ge)大致的方法(fa)，可以根據(jù)軟(ruan)固體食品(pin)的形變(bian)程度和(he)形變速率(lv)的作(zuo)用程(cheng)度，決定采用(yong)近似固體處(chu)理或近似(shi)流體處(chu)理。前(qian)者可(ke)以固體食(shi)品的三維模型(xing)處理(li)，而后者基本上(shang)可以參(can)照流(liu)體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來(lai)處理。

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三維模(mo)型的(de)局限性

本文提出(chu)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型，突(tu)破了食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模(mo)型的應(yīng)用仍(reng)有一定(ding)的局限性(xing)。首先，食品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型(xing)只能適(shi)用于均(jun)相的食(shi)品體系(xi)，對于(yu)多相混雜的食(shi)品（例如夾心(xin)餅干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)則應(yīng)該(gai)分相(xiang)描述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦不(bu)能描述一(yi)些與分散體系(xi)相關(guān)的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)。分散體(ti)系食品(pin)常常包含分散(san)顆粒，雖(sui)為均相分布(bu)，但是這些分(fen)散顆粒除了(le)影響整體(ti)材料(liao)性質(zhì)外，還會(hui)帶來一些(xie)與顆粒相(xiang)關(guān)的特殊的質(zhì)(zhi)構(gòu)口感特(te)征，如顆(ke)粒感、粉感(gan)等。另外，食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)三維模型也不(bu)包括因(yin)食物入口(kou)后與唾液(ye)相互(hu)作用(yong)而產(chǎn)生(sheng)成分或微結(jié)構(gòu)(gou)變化因而引起(qi)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，如(ru)澀感、滑(hua)溜感等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品質(zhì)構(gòu)分(fen)析雖(sui)然已經(jīng)有如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成(cheng)熟的測(ce)量技術(shù)(shu)，但是流變儀測(ce)量的結(jié)(jie)果往(wang)往因其過(guo)于基礎(chǔ)性(xing)，缺乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性(xing)質(zhì)的直接對應(yīng)(ying)，而不(bu)被食品工業(yè)(ye)所接受(shou)。而食品質(zhì)構(gòu)(gou)儀測量只能(neng)是相對的測(ce)量，很大程度上(shang)只是(shi)定性(xing)測量，其測(ce)量的方式和(he)測量的結(jié)果缺(que)乏明確的標(biao)準，各實(shi)驗室之(zhi)間的質(zhì)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無法(fa)直接(jie)比較。zui明顯的(de)例子是文獻上(shang)廣泛報道的(de)所謂的質(zhì)構(gòu)剖(pou)析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yan)重誤用的情況(kuang)。我們試圖從食(shi)品材料的(de)形變(bian)原理出發(fā)，揭示(shi)食品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)和感官的食品(pin)材料學(xué)(xue)本質(zhì)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型(xing)的zui大優(yōu)點是可(ke)以將各類食品(pin)材料進(jin)行可比(bi)較的量化分(fen)析，從而(er)建立(li)食品體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維(wei)譜圖(tu)分布，區(qū)分各食(shi)品之(zhi)間的微妙的(de)質(zhì)構(gòu)差異，為(wei)建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系(xi)提供了(le)可靠的理(li)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(gong)商大(da)學(xué)陳建設(shè)教授(shou)（通訊(xun)作者）合作完(wan)成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文重新(xin)整理(li)寫作，有些地(di)方對原文(wen)稍有修改。

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致謝：本文(wen)寫作過程中，馬(ma)添先生提(ti)出許多(duo)建設(shè)(she)性的(de)建議。