食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)不(bu)僅直接(jie)關(guān)系到食品(pin)的口感(gan)，也顯著影(ying)響食物在(zai)口腔中的(de)風(fēng)味釋放(fang)與體驗(yàn)。過(guo)去數(shù)十(shi)年中，食品工(gong)業(yè)和食(shi)品科學(xué)界一直(zhi)致力建立可行(xing)的食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)評(píng)測的客(ke)觀方法，雖然(ran)取得了許多(duo)進(jìn)展，但是(shi)無論在食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論還(hai)是食品質(zhì)構(gòu)(gou)的分析測量(liang)技術(shù)方面，都還(hai)存在許多問(wen)題，無法準(zhǔn)(zhun)確解釋消費(fèi)(fei)者質(zhì)(zhi)構(gòu)感官背后(hou)的復(fù)雜物理(li)學(xué)原理(li)，也不(bu)能很好滿足食(shi)品工業(yè)(ye)質(zhì)量控制的(de)需求。

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)的難(nan)點(diǎn)在(zai)于其(qi)多維度和多(duo)尺度共存(cun)的本質(zhì)特點(diǎn)。食(shi)品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食(shi)品材料物性(xing)相關(guān)的(de)且能(neng)被消費(fèi)者感知(zhi)的一系列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱(cheng)，包含很多復(fù)雜(za)且微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬性(xing)，其相對(duì)(dui)應(yīng)的材(cai)料學(xué)性(xing)質(zhì)具有多(duo)重與動(dòng)態(tài)的(de)特征。因此(ci)很難期(qi)待用(yong)單一的方(fang)法來描(miao)述或(huo)測量食(shi)品的質(zhì)構(gòu)特(te)性和(he)質(zhì)構(gòu)感官。

基于(yu)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多維性原(yuan)理，浙江工商大(da)學(xué)食品口腔(qiang)加工實(shí)驗(yàn)(yan)室陳(chen)建設(shè)教授與英(ying)國諾丁漢大(da)學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作，從食品材(cai)料學(xué)和(he)物性學(xué)原理出(chu)發(fā)，提出了食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)三維模型，并(bing)以此準(zhǔn)確量化(hua)不同食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。這個(gè)新(xin)模型的提(ti)出，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成為(wei)可能，也為數(shù)字(zi)化時(shí)(shi)代將傳統(tǒng)(tong)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)感官詞語(yu)描述(shu)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字(zi)化描(miao)述提供了(le)理論依據(jù)。

食品的材料分(fen)類

食品的分類有(you)很多種(zhong)方法，最常見的(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)）固體食(shi)品，流體食品。固(gu)體食品泛指(zhi)那些可以抗(kang)拒重力并(bing)具有特定形態(tài)(tai)且不易形(xing)變的食(shi)品，可分(fen)為干(gan)固體食(shi)品（如(ru)餅干、堅(jiān)果(guo)、硬果糖(tang)等）和濕固(gu)體食品（如蘋(ping)果、梨等）。當(dāng)外應(yīng)(ying)力超出其屈服(fu)閾值(zhi)時(shí)，固(gu)體食品(pin)會(huì)直(zhi)接斷(duan)裂或脆(cui)裂。流體食(shi)品是指(zhi)那些無法抗拒(ju)重力并不具(ju)自我形態(tài)(tai)的可自由流(liu)動(dòng)的食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的容器的(de)形態(tài)為形(xing)態(tài)，極微小(xiao)的應(yīng)力就可(ke)引起(qi)顯著的形變。軟(ruan)固體則介(jie)于兩(liang)者之間(jian)，可抗拒(ju)重力(li)并保(bao)持一(yi)定的形態(tài)，但在(zai)弱外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形變(bian)，并最終(zhong)破裂。

固體食品的(de)三維質(zhì)構(gòu)模型(xing)

圖1. 固體(ti)食品形變(bian)時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)本質(zhì)上是(shi)食品(pin)形變特征的(de)口腔感受，與(yu)食品(pin)的材(cai)料性質(zhì)直(zhi)接相關(guān)(guan)。而對(duì)(dui)于不同的食(shi)品材料，形(xing)變的內(nèi)在(zai)決定因(yin)素有著很(hen)大的區(qū)別(bie)。對(duì)于(yu)固體食品，其形(xing)變程度與(yu)形變所需的(de)能量是兩個(gè)(ge)最重要的物(wu)理變量，也直接(jie)為消費(fèi)者所感(gan)知。很幸運(yùn)的(de)是，這(zhe)兩個(gè)物理變(bian)量都有準(zhǔn)(zhun)確的物理(li)定義(yi)并可以被客觀(guan)的量化測量(liang)。圖1所示既是固體(ti)食品的應(yīng)(ying)力與形變之間(jian)的關(guān)系(xi)，而形變所(suo)需的能量（或所(suo)作的功）則為(wei)應(yīng)力與形變距(ju)離的乘積，表(biao)現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的面積。一(yi)般可(ke)以根據(jù)(ju)食品形變所(suo)需的應(yīng)力大小(xiao)將食品材(cai)料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根(gen)據(jù)形變(bian)所需的能量(liang)大小則可(ke)將食品材(cai)料分為強(qiáng)(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直(zhi)線表現(xiàn)為四(si)種典(dian)型的食品材料(liao)：(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(ran)，固體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)除(chu)了其形變(bian)程度與形(xing)變能量外(wai)，還有一(yi)項(xiàng)非(fei)常重要的體(ti)驗(yàn)是(shi)其破碎(sui)程度?；谶@(zhe)樣的思(si)考，我們將(jiang)固體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)用(yong)三個(gè)維度(du)來量(liang)化描述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的(de)六個(gè)(ge)終端(duan)分別(bie)用六個(gè)熟(shu)悉的(de)感官用語予以(yi)錨定：強(qiáng)度維(wei)度分別為(wei)強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分(fen)別為易碎性(xing)(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖(tu)2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)維度的(de)量化數(shù)值把(ba)固體食品分為(wei)八個(gè)類別，其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模(mo)型

表1. 一些典(dian)型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特征(zheng)的三維分布(bu)

表1中三個(gè)維(wei)度變量中，強(qiáng)度(du)具有(you)能量單位(wei)（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時(shí)的應(yīng)(ying)力來表示(shi)，具有應(yīng)(ying)力單(dan)位（Pa）,而破碎度可(ke)用破碎(sui)前后的顆(ke)粒大小分(fen)布或破碎(sui)前后的總表面(mian)積相(xiang)比來量化(hua)，不具量綱。

流體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

與固體食品(pin)不同，流體食(shi)品形變時(shí)除了(le)其形變程度和(he)形變所需能量(liang)外，其形(xing)變所需的時(shí)間(jian)也是極其(qi)重要的(de)參考參(can)數(shù)。單位時(shí)間的(de)形變程度體(ti)現(xiàn)流體食品在(zai)外應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生形(xing)變的速度或速(su)率，直接(jie)影響(xiang)材料形變(bian)過程中(zhong)材料內(nèi)(nei)部的能量狀(zhuang)況，是儲(chǔ)存于材(cai)料內(nèi)部還是通(tong)過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食品剪(jian)切流動(dòng)時(shí)(shi)的剪切應(yīng)力與(yu)剪切速(su)率之間的(de)幾種典型(xing)關(guān)系

圖3給出(chu)了流(liu)體材料的形(xing)變關(guān)系(xi)，對(duì)比圖(tu)1的固體材料形(xing)變，其橫坐標(biāo)的(de)形變程度已為(wei)形變(bian)速率（定義為單(dan)位時(shí)間的(de)形變量(liang)）所替代(dai)。不同的流體材(cai)料表(biao)現(xiàn)為非(fei)常不同的應(yīng)(ying)力與形變速(su)率的關(guān)系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀流體，剪(jian)切切(qie)稠流(liu)體，觸變性流體(ti)等。

雖然上(shang)述的流變(bian)行為能準(zhǔn)確描(miao)述流體食(shi)品形變的(de)基本行(xing)為或所需外(wai)應(yīng)力（能(neng)量）的關(guān)系(xi)，但是卻不能(neng)顯示(shi)外應(yīng)力形變(bian)后的能(neng)量儲(chǔ)(chu)存與(yu)耗散的情(qing)況。這一(yi)點(diǎn)對(duì)于(yu)流體食品非(fei)常重要，關(guān)系到(dao)流體食(shi)品在外應(yīng)力(li)消失(shi)后，是否(fou)能夠彈性(xing)恢復(fù)原來(lai)的形狀。這(zhe)個(gè)性(xing)質(zhì)在(zai)流變(bian)學(xué)中稱為黏(nian)彈性，并可以(yi)用大形(xing)變振幅方(fang)法來準(zhǔn)確測量(liang)。wanquan彈性或wanquan黏性(xing)是它的兩個(gè)ji端(duan)情況：前者意味(wei)著流體會(huì)像(xiang)彈簧一樣儲(chǔ)(chu)存形變時(shí)(shi)的所有外(wai)加能量，當(dāng)外力(li)取消后，流(liu)體能wanquan恢復(fù)到原來(lai)狀態(tài)（零(ling)度相角(jiao))，后者則指流(liu)體像水(shui)一樣，不(bu)具任何(he)能量儲(chǔ)(chu)存能力，所(suo)有外(wai)加的形(xing)變能量(liang)都會(huì)因分(fen)子或顆(ke)粒摩(mo)擦被轉(zhuǎn)變?yōu)闊?re)能并耗散(san)（相角90度)。大部(bu)分流體食(shi)品即有一(yi)定的彈性也(ye)有一定的黏(nian)性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的(de)切分點(diǎn)，小于(yu)45度彈性為主，大(da)于45度則(ze)黏性為(wei)主。

當(dāng)然，流(liu)體食品(pin)黏彈性的表征(zheng)稍顯復(fù)雜(za)，它與(yu)形變速率或(huo)頻率(lv)直接相關(guān)(guan)。一般情況下(xia)，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率增加(jia)時(shí)，流(liu)體食品的(de)彈性傾向(xiang)加強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變振幅的(de)頻率降低時(shí)(shi)，流體食品的黏(nian)性性質(zhì)會(huì)更(geng)加突出。

圖4. 流體食品質(zhì)(zhi)構(gòu)特性的三(san)維模(mo)型

把流體材料(liao)的這(zhe)些本質(zhì)(zhi)特征組合(he)可以形成(cheng)另一(yi)個(gè)三維度(du)的質(zhì)構(gòu)模型(xing)，見圖4三個(gè)(ge)維度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈(dan)性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)(ge)維度(du)的六(liu)個(gè)末端也可(ke)以用感(gan)官詞語來表達(dá)(da)（見表2）。

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

軟固體(ti)的質(zhì)構(gòu)(gou)模型

上述的三維(wei)模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述大部(bu)分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征，形成食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空(kong)間分布(bu)圖，以準(zhǔn)確(que)區(qū)別(bie)不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如(ru)何處理軟固體(ti)或半固體(ti)食品，目前(qian)還沒有(you)一個(gè)好的(de)辦法。軟固體(ti)食品是(shi)非常(chang)廣泛(fan)的食品體(ti)系，包含質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由形(xing)變程度起主(zhu)導(dǎo)作用的軟(ruan)固體（如(ru)面包(bao)、饅頭、豆(dou)腐、果凍、凝膠類(lei)食品(pin)），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)作用的軟(ruan)固體(ti)（如酸(suan)奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如此(ci)廣泛差異的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)難以(yi)用一個(gè)模型來(lai)形容，作(zuo)為一個(gè)大致(zhi)的方法(fa)，可以根(gen)據(jù)軟固體(ti)食品(pin)的形(xing)變程度(du)和形變(bian)速率的(de)作用程度，決定(ding)采用近似固體(ti)處理(li)或近(jin)似流(liu)體處理。前者可(ke)以固體(ti)食品的三(san)維模型處(chu)理，而后者基本(ben)上可以(yi)參照流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處(chu)理。

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三維模型(xing)的局限性

本文(wen)提出的食品(pin)質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，突破(po)了食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)傳統(tǒng)理論，但是(shi)模型的(de)應(yīng)用仍有一定(ding)的局限(xian)性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型只(zhi)能適用于均(jun)相的食品體系(xi)，對(duì)于多相(xiang)混雜的(de)食品(pin)（例如夾心(xin)餅干等），其(qi)質(zhì)構(gòu)特(te)征則(ze)應(yīng)該分相(xiang)描述。第二，三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能(neng)描述一(yi)些與分散體(ti)系相關(guān)的質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)。分散(san)體系食(shi)品常(chang)常包含分散顆(ke)粒，雖為均相分(fen)布，但是這些(xie)分散顆粒(li)除了影響整(zheng)體材(cai)料性質(zhì)(zhi)外，還會(huì)帶來(lai)一些與顆(ke)粒相關(guān)的特殊(shu)的質(zhì)構(gòu)口感特(te)征，如顆粒(li)感、粉(fen)感等。另外，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三維(wei)模型(xing)也不包(bao)括因(yin)食物入口(kou)后與唾(tuo)液相互作用而(er)產(chǎn)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特征，如(ru)澀感、滑溜感等(deng)。

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食品質(zhì)構(gòu)(gou)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)(gou)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)(jing)有如流變儀、質(zhì)(zhi)構(gòu)儀等(deng)一些成熟的測(ce)量技術(shù)，但是流(liu)變儀測量的結(jié)(jie)果往(wang)往因其過于(yu)基礎(chǔ)性，缺(que)乏與質(zhì)構(gòu)(gou)口感性質(zhì)的(de)直接對(duì)應(yīng)，而不(bu)被食品工業(yè)(ye)所接受(shou)。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(ce)量只能是相(xiang)對(duì)的測量，很大(da)程度上只(zhi)是定性測量(liang)，其測(ce)量的方式和(he)測量的結(jié)果(guo)缺乏(fa)明確的標(biāo)(biao)準(zhǔn)，各實(shí)(shi)驗(yàn)室之間的(de)質(zhì)構(gòu)分析結(jié)(jie)果無(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的例(li)子是(shi)文獻(xiàn)上(shang)廣泛報(bào)(bao)道的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在(zai)明顯(xian)的缺陷和被(bei)嚴(yán)重(zhong)誤用的情(qing)況。我們?cè)噲D(tu)從食(shi)品材(cai)料的形變(bian)原理(li)出發(fā)(fa)，揭示食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)和感官的(de)食品(pin)材料學(xué)本(ben)質(zhì)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可(ke)以將各(ge)類食(shi)品材(cai)料進(jìn)行可(ke)比較的(de)量化分析(xi)，從而建立(li)食品(pin)體系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三(san)維譜(pu)圖分(fen)布，區(qū)分各食(shi)品之間的微妙(miao)的質(zhì)構(gòu)差異(yi)，為建立食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字(zi)化體系提供(gong)了可靠(kao)的理論依(yi)據(jù)。

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原文由(you)英國諾(nuo)丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士（第(di)一作者）與(yu)浙江工(gong)商大學(xué)(xue)陳建設(shè)教授(shou)（通訊作者）合(he)作完成，發(fā)表(biao)在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)原(yuan)文重新整(zheng)理寫(xie)作，有些地方對(duì)(dui)原文稍有修改(gai)。

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致謝(xie)：本文(wen)寫作過程中(zhong)，馬添先生提出(chu)許多建(jian)設(shè)性的建議(yi)。