食品質(zhi)構或質構性(xing)質不僅(jin)直接(jie)關系到(dao)食品的口(kou)感，也顯著影響(xiang)食物在(zai)口腔中(zhong)的風味釋放與(yu)體驗。過去數(shù)十(shi)年中，食品(pin)工業(yè)和食品科(ke)學界(jie)一直致力建立(li)可行的(de)食品質(zhi)構性質評(ping)測的客觀(guan)方法(fa)，雖然取得了(le)許多(duo)進展(zhan)，但是(shi)無論(lun)在食品質(zhi)構理論還(hai)是食品質(zhi)構的分(fen)析測量(liang)技術方(fang)面，都(dou)還存在許多(duo)問題，無法(fa)準確(que)解釋消費(fei)者質構(gou)感官(guan)背后的復雜(za)物理學原理(li)，也不(bu)能很好滿足(zu)食品(pin)工業(yè)質量控制(zhi)的需求。

食品質構(gou)分析的(de)難點(dian)在于其多(duo)維度和多尺(chi)度共(gong)存的本質特點(dian)。食品質構(gou)性質實質上是(shi)與食品(pin)材料物性相(xiang)關的且能(neng)被消費者感(gan)知的一(yi)系列性質的統(tǒng)(tong)稱，包含很多(duo)復雜且微妙變(bian)化的質(zhi)構屬(shu)性，其相(xiang)對應的材料(liao)學性(xing)質具有多重(zhong)與動態(tài)的特(te)征。因此很難期(qi)待用單一的方(fang)法來(lai)描述或測量(liang)食品的質構(gou)特性和質構感(gan)官。

基于食品(pin)質構的(de)多維(wei)性原理，浙江工(gong)商大學食品(pin)口腔加(jia)工實驗室(shi)陳建設教授(shou)與英國諾(nuo)丁漢大學Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong)食品材料學和(he)物性學(xue)原理出(chu)發(fā)，提出了(le)食品質構(gou)三維模型，并以(yi)此準確量(liang)化不同食品(pin)的質構特征。這(zhe)個新模(mo)型的提出(chu)，使得(de)建立食品質構(gou)譜圖成(cheng)為可能(neng)，也為(wei)數(shù)字化時代將(jiang)傳統(tǒng)的食品(pin)質構的感官詞(ci)語描述轉(zhuan)變?yōu)閿?shù)字化描(miao)述提(ti)供了理論依據(jù)(ju)。

食品的材料分(fen)類

食品的(de)分類有(you)很多種(zhong)方法，最常(chang)見的是(shi)依據(jù)(ju)食品(pin)的形態(tài)，將其(qi)分為(wei)三大類：固體(ti)食品，軟（半）固體(ti)食品(pin)，流體食品。固(gu)體食品泛(fan)指那些可(ke)以抗(kang)拒重力(li)并具有特定(ding)形態(tài)且(qie)不易形變的(de)食品，可分(fen)為干(gan)固體(ti)食品（如餅干、堅(jian)果、硬果糖等）和(he)濕固體食品（如(ru)蘋果、梨(li)等）。當外(wai)應力超出其屈(qu)服閾值(zhi)時，固體食品會(hui)直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品是(shi)指那些無法抗(kang)拒重(zhong)力并不具自(zi)我形態(tài)的可自(zi)由流動的食(shi)品，這類食(shi)品以其裝載(zai)的容器的形(xing)態(tài)為形態(tài)(tai)，極微小的應力(li)就可引(yin)起顯著的形(xing)變。軟固體則介(jie)于兩(liang)者之間，可抗(kang)拒重(zhong)力并保持一定(ding)的形態(tài)，但在弱(ruo)外應(ying)力作用下產生(sheng)形變，并最終破(po)裂。

固體食(shi)品的(de)三維質構模(mo)型

圖1. 固體(ti)食品形(xing)變時應力(li)與應變之間的(de)典型關系(xi)

食品的質構性(xing)質本質上(shang)是食品形變(bian)特征的口腔感(gan)受，與食品的材(cai)料性質(zhi)直接相(xiang)關。而對于不(bu)同的食品材料(liao)，形變(bian)的內在(zai)決定因素(su)有著很大的區(qū)(qu)別。對于固(gu)體食品(pin)，其形變程(cheng)度與(yu)形變(bian)所需的能量是(shi)兩個最重(zhong)要的物理(li)變量，也直(zhi)接為消(xiao)費者所(suo)感知。很幸運的(de)是，這(zhe)兩個物理變(bian)量都有準確(que)的物理(li)定義并可以(yi)被客(ke)觀的量化(hua)測量。圖1所示既(ji)是固體食(shi)品的應力與(yu)形變之間的關(guan)系，而形變(bian)所需的(de)能量(liang)（或所(suo)作的(de)功）則為應力(li)與形變(bian)距離的(de)乘積，表現(xiàn)(xian)為應(ying)力線(xian)下方的(de)面積(ji)。一般可以根(gen)據(jù)食品形(xing)變所需的應(ying)力大小將食品(pin)材料(liao)大致分為硬(ying)(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需(xu)的能量(liang)大小則可(ke)將食品材(cai)料分(fen)為強(qiang)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的(de)四條直線表現(xiàn)(xian)為四種典(dian)型的食(shi)品材料(liao)：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且強(Hard and strong), (c)軟且弱(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當然，固體食(shi)品的質(zhi)構性(xing)質除了(le)其形(xing)變程度與形(xing)變能量外(wai)，還有一項非常(chang)重要的體(ti)驗是其破(po)碎程度。基于(yu)這樣的思考，我(wo)們將固體(ti)食品(pin)的質構性(xing)質用三個維度(du)來量化描(miao)述：強度(du)(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六(liu)個終端分別(bie)用六個熟(shu)悉的(de)感官用語予(yu)以錨定(ding)：強度維度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎(sui)維度分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此(ci)，可以根(gen)據(jù)三個(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固體食(shi)品分為八個(ge)類別，其質構特(te)征描述見(jian)表1。

圖2. 固體食品(pin)材料(liao)質構特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典型固(gu)體食品質構(gou)特征的三(san)維分布

表1中三個維(wei)度變量中(zhong)，強度具有能量(liang)單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形變時(shi)的應力來表(biao)示，具有應力單(dan)位（Pa）,而破碎(sui)度可用破碎前(qian)后的顆(ke)粒大小分布或(huo)破碎前后的(de)總表面積相比(bi)來量化，不具量(liang)綱。

流體食品的質(zhi)構模型

與固體食品(pin)不同，流體(ti)食品形(xing)變時(shi)除了(le)其形變程度(du)和形變所需能(neng)量外，其形變所(suo)需的時間也是(shi)極其(qi)重要的參(can)考參數(shù)。單(dan)位時(shi)間的形(xing)變程度體(ti)現(xiàn)流體(ti)食品(pin)在外應力作用(yong)下產生(sheng)形變(bian)的速(su)度或速率(lv)，直接影響(xiang)材料形變過程(cheng)中材料內部(bu)的能量狀況(kuang)，是儲存(cun)于材料(liao)內部還是通過(guo)其他形式(shi)（如熱(re)能）耗散。

圖3. 流體食品剪切(qie)流動(dong)時的(de)剪切應力(li)與剪切速率之(zhi)間的幾種(zhong)典型關系

圖3給出了流(liu)體材料(liao)的形變關系，對(dui)比圖1的固體(ti)材料形變，其(qi)橫坐標的形變(bian)程度已為(wei)形變速率（定(ding)義為單位(wei)時間的形變量(liang)）所替代。不同的(de)流體(ti)材料表現(xiàn)為非(fei)常不(bu)同的(de)應力與形變速(su)率的關系，如(ru)牛頓流體，剪切(qie)切稀(xi)流體(ti)，剪切切稠流(liu)體，觸變性(xing)流體(ti)等。

雖然上(shang)述的(de)流變行為能(neng)準確描述流(liu)體食品(pin)形變的基(ji)本行(xing)為或所(suo)需外應力（能量(liang)）的關系，但是卻(que)不能顯示(shi)外應力形變(bian)后的能量儲(chu)存與耗散的情(qing)況。這一(yi)點對于流(liu)體食品(pin)非常重要(yao)，關系到流(liu)體食品在外(wai)應力消失后(hou)，是否能夠彈(dan)性恢復原來(lai)的形狀。這個性(xing)質在流變學(xue)中稱為黏(nian)彈性，并可以用(yong)大形變振(zhen)幅方法來準(zhun)確測量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它的兩(liang)個ji端情況：前者(zhe)意味(wei)著流體會像彈(dan)簧一樣儲(chu)存形變時的所(suo)有外(wai)加能量，當外力(li)取消(xiao)后，流體(ti)能wanquan恢復到原來狀(zhuang)態(tài)（零度相(xiang)角)，后者則指(zhi)流體像(xiang)水一(yi)樣，不(bu)具任何能量儲(chu)存能力(li)，所有外加(jia)的形變能量(liang)都會因分子或(huo)顆粒(li)摩擦被轉變?yōu)?wei)熱能(neng)并耗散(san)（相角(jiao)90度)。大部分流體食(shi)品即(ji)有一定的彈性(xing)也有一(yi)定的黏性，相角(jiao)介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏(nian)彈性的切分點(dian)，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性(xing)為主。

當然，流體食品(pin)黏彈(dan)性的表(biao)征稍顯復(fu)雜，它(ta)與形(xing)變速率或(huo)頻率直(zhi)接相關。一般(ban)情況下，當形變(bian)振幅的頻率(lv)增加時，流(liu)體食(shi)品的(de)彈性傾向加強(qiang)；而當形(xing)變振(zhen)幅的頻(pin)率降低(di)時，流體(ti)食品的(de)黏性性質會更(geng)加突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質構特(te)性的(de)三維模型

把流體材料的(de)這些本(ben)質特征組合可(ke)以形成另一個(ge)三維(wei)度的質構模型(xing)，見圖4三個維度分(fen)別為(wei)稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動行為(wei)指數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個(ge)維度的六(liu)個末端(duan)也可(ke)以用感官詞(ci)語來表(biao)達（見表2）。

表2. 流體食品(pin)質構特性(xing)的三維模型說(shuo)明

軟固體的質(zhi)構模型

上述的三維模(mo)型可以準確(que)描述大部分(fen)固體和流體食(shi)品的質構(gou)特征，形成(cheng)食品(pin)質構的空(kong)間分布圖(tu)，以準(zhun)確區(qū)(qu)別不同(tong)食品的(de)質構特(te)征。但(dan)是如何處理(li)軟固體或半(ban)固體(ti)食品，目(mu)前還沒有一(yi)個好(hao)的辦法。軟(ruan)固體食品(pin)是非常廣泛(fan)的食品體系(xi)，包含質構性(xing)質由形變程度(du)起主導(dao)作用的軟(ruan)固體（如(ru)面包、饅頭、豆(dou)腐、果(guo)凍、凝膠類食品(pin)），和質構性質由(you)形變速(su)率起主(zhu)導作用的軟(ruan)固體(ti)（如酸奶和(he)其他糊狀(zhuang)類食品）。如(ru)此廣泛(fan)差異(yi)的質構(gou)性質難以用(yong)一個(ge)模型來(lai)形容，作為一(yi)個大致的(de)方法，可以根據(jù)(ju)軟固體食品(pin)的形變程度(du)和形變速(su)率的作用程度(du)，決定(ding)采用近似固體(ti)處理或近似(shi)流體處理。前(qian)者可以固體食(shi)品的三(san)維模型(xing)處理，而后者基(ji)本上可以(yi)參照流體食品(pin)的質構模(mo)型來(lai)處理(li)。

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三維(wei)模型的局限性(xing)

本文提(ti)出的食(shi)品質構三(san)維模型(xing)，突破了食品(pin)質構的傳(chuan)統(tǒng)理論，但是模(mo)型的應用仍(reng)有一定的(de)局限性(xing)。首先，食(shi)品質(zhi)構三維(wei)模型只能適(shi)用于(yu)均相的(de)食品(pin)體系，對于多相(xiang)混雜的食品（例(li)如夾心餅干(gan)等），其質構特征(zheng)則應該分(fen)相描述。第(di)二，三維質(zhi)構模型(xing)亦不能描述(shu)一些(xie)與分(fen)散體系相關的(de)質構(gou)性質(zhi)。分散體系食(shi)品常常包含分(fen)散顆粒(li)，雖為(wei)均相(xiang)分布，但是這(zhe)些分散顆粒除(chu)了影響整體材(cai)料性質外(wai)，還會帶來一些(xie)與顆粒相關(guan)的特(te)殊的質構口感(gan)特征，如(ru)顆粒(li)感、粉感等。另(ling)外，食品質(zhi)構的三(san)維模型也不包(bao)括因食物入口(kou)后與唾液相互(hu)作用而(er)產生成分或(huo)微結(jie)構變化因而(er)引起的(de)質構特(te)征，如澀(se)感、滑溜(liu)感等。

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食品質構(gou)數(shù)字化

食品質構分(fen)析雖然(ran)已經有如流(liu)變儀、質構儀(yi)等一些成熟的(de)測量技術(shu)，但是(shi)流變儀測量(liang)的結(jie)果往(wang)往因(yin)其過(guo)于基礎性，缺(que)乏與質構口(kou)感性質的(de)直接對應，而(er)不被食品工(gong)業(yè)所接(jie)受。而食品(pin)質構(gou)儀測量只能是(shi)相對的測(ce)量，很大(da)程度(du)上只(zhi)是定性測量，其(qi)測量的(de)方式和測(ce)量的結果(guo)缺乏明確(que)的標準，各實(shi)驗室之(zhi)間的質構(gou)分析(xi)結果(guo)無法直接比較(jiao)。zui明顯的(de)例子(zi)是文獻上廣(guang)泛報道(dao)的所謂的質(zhi)構剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴重誤(wu)用的情況。我(wo)們試圖從食品(pin)材料的形變(bian)原理出發(fā)(fa)，揭示(shi)食品(pin)質構性(xing)質和(he)感官的食(shi)品材料學本(ben)質。食(shi)品質構(gou)三維模型的(de)zui大優(yōu)點是可以(yi)將各類食品材(cai)料進行可比較(jiao)的量(liang)化分(fen)析，從(cong)而建立食(shi)品體系的質構(gou)三維譜圖分布(bu)，區(qū)分各(ge)食品(pin)之間的微(wei)妙的質構差(cha)異，為建立食品(pin)質構(gou)數(shù)字化體(ti)系提供了可(ke)靠的理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國(guo)諾丁(ding)漢大(da)學Andrew Rosenthal博士（第一(yi)作者(zhe)）與浙(zhe)江工商大學(xue)陳建設教授（通(tong)訊作者(zhe)）合作(zuo)完成，發(fā)表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷，第(di)4期。本文根據(jù)(ju)原文重新(xin)整理寫(xie)作，有些(xie)地方對原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝(xie)：本文寫(xie)作過程(cheng)中，馬添先(xian)生提(ti)出許多建設性(xing)的建(jian)議。