食品質(zhì)(zhi)構(gòu)或質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)不僅直(zhi)接關(guān)系到食品(pin)的口(kou)感，也顯(xian)著影響食物(wu)在口(kou)腔中(zhong)的風(feng)味釋放與體驗(yan)。過去數(shù)(shu)十年中，食品工(gong)業(yè)和食品科(ke)學界一直(zhi)致力建立可行(xing)的食品質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)評測的客(ke)觀方法，雖然(ran)取得了許(xu)多進展，但是(shi)無論(lun)在食品質(zhì)(zhi)構(gòu)理論(lun)還是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測量技術(shù)方(fang)面，都還存(cun)在許(xu)多問題，無法(fa)準確解釋消(xiao)費者質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后(hou)的復雜物理學(xue)原理，也不能很(hen)好滿(man)足食品(pin)工業(yè)質(zhì)(zhi)量控(kong)制的需(xu)求。

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析的(de)難點在(zai)于其多維度(du)和多尺度共(gong)存的本質(zhì)特(te)點。食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)實質(zhì)上(shang)是與食品(pin)材料物性(xing)相關(guān)的且能被(bei)消費者感(gan)知的一系(xi)列性(xing)質(zhì)的統(tǒng)稱，包(bao)含很多復雜且(qie)微妙變化的質(zhì)(zhi)構(gòu)屬性，其相(xiang)對應的材(cai)料學性質(zhì)(zhi)具有多重(zhong)與動態(tài)(tai)的特(te)征。因此很難期(qi)待用單一(yi)的方(fang)法來描述或測(ce)量食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食(shi)品質(zhì)構(gòu)的(de)多維性原理(li)，浙江(jiang)工商(shang)大學食品口(kou)腔加工實驗(yan)室陳建設(shè)(she)教授與(yu)英國諾(nuo)丁漢大學(xue)Andrew Rosenthal 博士合作(zuo)，從食品(pin)材料學和物(wu)性學原理出(chu)發(fā)，提出(chu)了食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維模型，并(bing)以此準(zhun)確量化不(bu)同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征。這(zhe)個新模型的(de)提出，使得建立(li)食品質(zhì)構(gòu)譜(pu)圖成為可(ke)能，也(ye)為數(shù)字化(hua)時代(dai)將傳(chuan)統(tǒng)的食(shi)品質(zhì)構(gòu)的感官(guan)詞語描(miao)述轉(zhuǎn)變(bian)為數(shù)字化描(miao)述提供了理(li)論依據(jù)。

食品的(de)材料分類

食品的分類(lei)有很多種(zhong)方法，最(zui)常見(jian)的是(shi)依據(jù)食品的(de)形態(tài)，將其分(fen)為三(san)大類：固體(ti)食品(pin)，軟（半）固體食品(pin)，流體(ti)食品。固體(ti)食品泛指那些(xie)可以抗拒重力(li)并具有特定形(xing)態(tài)且不(bu)易形變的食(shi)品，可分為(wei)干固體食品（如(ru)餅干、堅(jian)果、硬果(guo)糖等）和濕固(gu)體食品(pin)（如蘋果、梨等）。當(dang)外應力超(chao)出其屈服(fu)閾值(zhi)時，固體食(shi)品會(hui)直接斷裂或(huo)脆裂。流(liu)體食品是指那(na)些無法抗拒(ju)重力并(bing)不具(ju)自我形(xing)態(tài)的可(ke)自由(you)流動的食(shi)品，這類食品以(yi)其裝載的容(rong)器的形態(tài)(tai)為形(xing)態(tài)，極微小(xiao)的應力(li)就可引(yin)起顯著的形(xing)變。軟固體(ti)則介于(yu)兩者之(zhi)間，可抗拒(ju)重力并保(bao)持一定的形(xing)態(tài)，但在弱(ruo)外應(ying)力作用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體(ti)食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)模(mo)型

圖1. 固體食品形變(bian)時應力(li)與應變之間(jian)的典型關(guān)(guan)系

食品的質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)本質(zhì)上(shang)是食(shi)品形變特征(zheng)的口腔感受(shou)，與食品的材料(liao)性質(zhì)直接相關(guān)(guan)。而對于不同(tong)的食品材料，形(xing)變的內(nèi)在決(jue)定因素有(you)著很大的(de)區(qū)別。對(dui)于固(gu)體食品(pin)，其形變(bian)程度與形(xing)變所需的能(neng)量是兩個最(zui)重要的物理(li)變量，也直接為(wei)消費者所感(gan)知。很幸運(yun)的是，這兩個(ge)物理變量都有(you)準確的物理(li)定義并(bing)可以被客觀的(de)量化(hua)測量。圖(tu)1所示(shi)既是固體食品(pin)的應力(li)與形變之(zhi)間的關(guān)系(xi)，而形變所(suo)需的能量（或(huo)所作的(de)功）則為(wei)應力與形(xing)變距離的乘積(ji)，表現(xiàn)(xian)為應(ying)力線下方的面(mian)積。一般可以根(gen)據(jù)食(shi)品形變所需(xu)的應力大小(xiao)將食品材料(liao)大致分為(wei)硬(Hard)或軟(ruan)(Soft)，而根據(jù)形(xing)變所需的能(neng)量大小則可(ke)將食品材(cai)料分為(wei)強(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的(de)四條直線表現(xiàn)(xian)為四種(zhong)典型的食品材(cai)料：(a)硬且(qie)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(ran)，固體(ti)食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了其形變程(cheng)度與(yu)形變能量外，還(hai)有一項非常(chang)重要的體(ti)驗是其(qi)破碎程(cheng)度?；谶@(zhe)樣的(de)思考(kao)，我們將(jiang)固體(ti)食品(pin)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)用(yong)三個(ge)維度來量化描(miao)述：強度(du)(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(du)(Brittleness)。維度的六個(ge)終端分別用六(liu)個熟悉的感(gan)官用語予以(yi)錨定：強度(du)維度分別(bie)為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度(du)分別為硬(ying)（Hard)和軟(Soft)，破碎維度(du)分別為易(yi)碎性(xing)(Brittle)和可塑(su)性(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可(ke)以根據(jù)三(san)個維度的(de)量化數(shù)值(zhi)把固體食品(pin)分為八個類別(bie)，其質(zhì)構(gòu)(gou)特征描(miao)述見表1。

圖2. 固體食品材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性的(de)三維(wei)模型(xing)

表1. 一些典型固(gu)體食品(pin)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，強度具有能(neng)量單位（Pa.m或者J），硬度可(ke)用最大形(xing)變時的應力來(lai)表示，具有(you)應力單位（Pa）,而破碎度可用(yong)破碎前后的顆(ke)粒大小分布(bu)或破碎前后的(de)總表面(mian)積相比(bi)來量(liang)化，不(bu)具量綱。

流體食品的(de)質(zhì)構(gòu)模型

與固體食(shi)品不(bu)同，流體食(shi)品形(xing)變時除(chu)了其形變程度(du)和形變所(suo)需能量外(wai)，其形變(bian)所需的時間(jian)也是極(ji)其重要(yao)的參考參數(shù)(shu)。單位時間的(de)形變(bian)程度體現(xiàn)(xian)流體食品(pin)在外應力作(zuo)用下產(chǎn)生(sheng)形變的(de)速度(du)或速(su)率，直(zhi)接影響材料形(xing)變過程(cheng)中材料內(nèi)(nei)部的(de)能量狀況，是儲(chu)存于材料內(nèi)(nei)部還是通過其(qi)他形式（如熱能(neng)）耗散。

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

圖3給出了流體(ti)材料的形變(bian)關(guān)系(xi)，對比圖1的固體材料形(xing)變，其橫坐(zuo)標的(de)形變程(cheng)度已為形(xing)變速率（定義為(wei)單位時間的(de)形變(bian)量）所替(ti)代。不(bu)同的流體材(cai)料表(biao)現(xiàn)為(wei)非常不同的應(ying)力與形變(bian)速率的關(guān)(guan)系，如牛(niu)頓流體(ti)，剪切切稀(xi)流體，剪(jian)切切稠流體，觸(chu)變性流體等。

雖然上述(shu)的流變行為(wei)能準確描(miao)述流(liu)體食品形變的(de)基本行為或(huo)所需外應力（能(neng)量）的(de)關(guān)系，但是卻不(bu)能顯示外應(ying)力形變后(hou)的能量儲存與(yu)耗散的情況(kuang)。這一點對(dui)于流體(ti)食品非常重(zhong)要，關(guān)系到(dao)流體食品在(zai)外應(ying)力消(xiao)失后，是否能夠(gou)彈性恢(hui)復原來的(de)形狀。這個(ge)性質(zhì)在流變學(xue)中稱(cheng)為黏彈性，并(bing)可以用大形(xing)變振幅(fu)方法來準確(que)測量。wanquan彈性或(huo)wanquan黏性是它(ta)的兩個ji端情況(kuang)：前者意味著(zhe)流體會像彈(dan)簧一(yi)樣儲存形變時(shi)的所有外(wai)加能量(liang)，當外力取消(xiao)后，流體能(neng)wanquan恢復(fu)到原來狀態(tài)（零(ling)度相角)，后者(zhe)則指流體像水(shui)一樣，不具任何(he)能量儲(chu)存能(neng)力，所(suo)有外(wai)加的形(xing)變能量都會因(yin)分子或(huo)顆粒摩(mo)擦被(bei)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿?bing)耗散（相角90度)。大部分流體食(shi)品即有一定(ding)的彈性(xing)也有一定的黏(nian)性，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般(ban)以45度相角為(wei)黏彈(dan)性的切(qie)分點，小于45度彈性為主(zhu)，大于45度則黏性(xing)為主(zhu)。

當然，流體食品(pin)黏彈性(xing)的表征稍顯(xian)復雜(za)，它與形變速(su)率或(huo)頻率直(zhi)接相關(guān)。一般情(qing)況下，當形(xing)變振幅的頻率(lv)增加時，流體(ti)食品的(de)彈性傾(qing)向加強；而當(dang)形變(bian)振幅的頻率(lv)降低(di)時，流體食(shi)品的黏(nian)性性(xing)質(zhì)會更加突出(chu)。

圖4. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的(de)三維模型

把流體材料的(de)這些本質(zhì)特征(zheng)組合可以形成(cheng)另一(yi)個三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型，見圖4三個維(wei)度分(fen)別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切(qie)稠性（或流動(dong)行為指(zhi)數(shù)n)(Flow behaviour index)。三個維(wei)度的六個末端(duan)也可以用感官(guan)詞語來表達（見(jian)表2）。

表2. 流體食(shi)品質(zhì)構(gòu)特(te)性的三維模(mo)型說明

軟固體的(de)質(zhì)構(gòu)模型

上述的(de)三維模(mo)型可以準確(que)描述大部分固(gu)體和流體食品(pin)的質(zhì)(zhi)構(gòu)特(te)征，形(xing)成食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的空間分布(bu)圖，以準(zhun)確區(qū)別不同(tong)食品的質(zhì)構(gòu)特(te)征。但是如何處(chu)理軟固體或(huo)半固體食(shi)品，目(mu)前還沒(mei)有一個(ge)好的辦法。軟固(gu)體食品是非(fei)常廣泛的食(shi)品體系(xi)，包含質(zhì)(zhi)構(gòu)性(xing)質(zhì)由形變(bian)程度起主(zhu)導作(zuo)用的軟(ruan)固體（如面(mian)包、饅頭、豆腐(fu)、果凍(dong)、凝膠類食(shi)品），和質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)由(you)形變速率(lv)起主導(dao)作用(yong)的軟(ruan)固體（如酸(suan)奶和其(qi)他糊狀(zhuang)類食品(pin)）。如此廣泛(fan)差異的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)難以(yi)用一個模(mo)型來形容(rong)，作為一(yi)個大致的(de)方法，可以根據(jù)(ju)軟固(gu)體食品的(de)形變程度和(he)形變速率(lv)的作用程度，決(jue)定采用(yong)近似固體處(chu)理或近(jin)似流體處(chu)理。前者(zhe)可以固(gu)體食(shi)品的(de)三維模型處理(li)，而后者基(ji)本上可(ke)以參照(zhao)流體食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型來處理(li)。

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三維模型的(de)局限(xian)性

本文提出(chu)的食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模型(xing)，突破(po)了食品質(zhì)構(gòu)(gou)的傳統(tǒng)理論(lun)，但是模型的(de)應用仍有(you)一定(ding)的局限(xian)性。首(shou)先，食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維(wei)模型只(zhi)能適用于均相(xiang)的食品體系，對(dui)于多(duo)相混雜(za)的食(shi)品（例如夾心餅(bing)干等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征(zheng)則應(ying)該分相描(miao)述。第(di)二，三維(wei)質(zhì)構(gòu)模型亦不(bu)能描述一些(xie)與分散(san)體系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。分散(san)體系(xi)食品常常包(bao)含分散顆粒(li)，雖為(wei)均相分(fen)布，但是這些(xie)分散顆粒(li)除了影響整體(ti)材料性質(zhì)外，還(hai)會帶來(lai)一些與顆(ke)粒相關(guān)(guan)的特(te)殊的質(zhì)構(gòu)(gou)口感特(te)征，如顆粒感(gan)、粉感等。另外(wai)，食品質(zhì)構(gòu)(gou)的三維模型也(ye)不包括因(yin)食物入口后(hou)與唾液相互(hu)作用(yong)而產(chǎn)(chan)生成(cheng)分或微結(jié)構(gòu)變(bian)化因而引起的(de)質(zhì)構(gòu)特(te)征，如澀感、滑(hua)溜感等。

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食品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)字化(hua)

食品(pin)質(zhì)構(gòu)分析雖然(ran)已經(jīng)(jing)有如(ru)流變儀、質(zhì)構(gòu)儀(yi)等一些成(cheng)熟的測量技術(shù)(shu)，但是流變儀(yi)測量的(de)結(jié)果(guo)往往因(yin)其過于(yu)基礎(chǔ)性(xing)，缺乏(fa)與質(zhì)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直接(jie)對應，而不(bu)被食(shi)品工業(yè)所接受(shou)。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測量只(zhi)能是相對的測(ce)量，很大(da)程度上只是定(ding)性測量，其測量(liang)的方式和測量(liang)的結(jié)果缺乏(fa)明確的標準(zhun)，各實驗(yan)室之間的質(zhì)(zhi)構(gòu)分析(xi)結(jié)果無(wu)法直接比(bi)較。zui明顯的例子(zi)是文獻上廣(guang)泛報道的所(suo)謂的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)剖析分(fen)析法(fa)(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明(ming)顯的缺陷和被(bei)嚴重誤用(yong)的情況(kuang)。我們試圖(tu)從食品(pin)材料的形變(bian)原理出發(fā)(fa)，揭示(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和感(gan)官的食品(pin)材料學本質(zhì)(zhi)。食品質(zhì)構(gòu)(gou)三維(wei)模型(xing)的zui大優(yōu)點是(shi)可以將各(ge)類食品(pin)材料進行可比(bi)較的量化分(fen)析，從而建(jian)立食品(pin)體系(xi)的質(zhì)構(gòu)三維(wei)譜圖分布，區(qū)分(fen)各食品之間的(de)微妙的質(zhì)構(gòu)差(cha)異，為建立食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)數(shù)(shu)字化體系提供(gong)了可靠的理論(lun)依據(jù)。

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原文(wen)由英國(guo)諾丁漢(han)大學(xue)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與浙(zhe)江工(gong)商大學(xue)陳建(jian)設(shè)教授（通訊(xun)作者）合作完成(cheng)，發(fā)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文(wen)根據(jù)(ju)原文重新(xin)整理寫作(zuo)，有些(xie)地方對原文稍(shao)有修改(gai)。

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致謝：本文(wen)寫作(zuo)過程中，馬添(tian)先生提出許(xu)多建設(shè)性的(de)建議。