食品質(zhì)構(gòu)或(huo)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)不僅(jin)直接關(guān)系到(dao)食品(pin)的口感(gan)，也顯著影(ying)響食物在口(kou)腔中的風(fēng)味(wei)釋放(fang)與體驗(yàn)。過去數(shù)(shu)十年(nian)中，食品工(gong)業(yè)和食品科學(xué)(xue)界一直致力建(jian)立可行(xing)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)評(píng)測(cè)的客(ke)觀方法，雖然(ran)取得了許多(duo)進(jìn)展，但是無(wu)論在食(shi)品質(zhì)構(gòu)理論還(hai)是食(shi)品質(zhì)構(gòu)的分析(xi)測(cè)量(liang)技術(shù)(shu)方面，都(dou)還存在(zai)許多問題，無(wu)法準(zhǔn)確解釋(shi)消費(fèi)者(zhe)質(zhì)構(gòu)感官(guan)背后的復(fù)雜物(wu)理學(xué)原理(li)，也不能很好滿(man)足食品工業(yè)質(zhì)(zhi)量控制的需求(qiu)。

食品質(zhì)(zhi)構(gòu)分析的(de)難點(diǎn)在于(yu)其多維度和多(duo)尺度(du)共存的(de)本質(zhì)特(te)點(diǎn)。食品質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)實(shí)質(zhì)上是(shi)與食品材料(liao)物性相關(guān)的(de)且能被消(xiao)費(fèi)者感(gan)知的一(yi)系列性質(zhì)的(de)統(tǒng)稱，包含很(hen)多復(fù)雜且(qie)微妙變化(hua)的質(zhì)構(gòu)屬(shu)性，其相對(duì)(dui)應(yīng)的(de)材料學(xué)性質(zhì)具(ju)有多重(zhong)與動(dòng)態(tài)的特(te)征。因(yin)此很難期待(dai)用單一的方法(fa)來描述或測(cè)量(liang)食品的(de)質(zhì)構(gòu)特性和質(zhì)(zhi)構(gòu)感官。

基于食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的多(duo)維性(xing)原理，浙江(jiang)工商大學(xué)食品(pin)口腔(qiang)加工(gong)實(shí)驗(yàn)室(shi)陳建(jian)設(shè)教授與(yu)英國諾丁(ding)漢大學(xué)Andrew Rosenthal 博士(shi)合作(zuo)，從食品(pin)材料學(xué)(xue)和物(wu)性學(xué)(xue)原理出(chu)發(fā)，提出了食品(pin)質(zhì)構(gòu)三(san)維模型(xing)，并以此(ci)準(zhǔn)確(que)量化不同食品(pin)的質(zhì)構(gòu)特征(zheng)。這個(gè)新模型(xing)的提出(chu)，使得建立食(shi)品質(zhì)構(gòu)(gou)譜圖成(cheng)為可能，也為(wei)數(shù)字化(hua)時(shí)代將傳統(tǒng)(tong)的食品質(zhì)構(gòu)(gou)的感官(guan)詞語(yu)描述轉(zhuǎn)變?yōu)?wei)數(shù)字化描(miao)述提供了理(li)論依據(jù)。

食品的(de)材料分類

食品的分類有(you)很多種(zhong)方法，最常(chang)見的是依據(jù)(ju)食品(pin)的形(xing)態(tài)，將(jiang)其分為三大類(lei)：固體食(shi)品，軟（半）固體(ti)食品，流體食品(pin)。固體(ti)食品泛指那(na)些可以(yi)抗拒重力并(bing)具有特(te)定形態(tài)(tai)且不易(yi)形變(bian)的食品(pin)，可分(fen)為干固體食品(pin)（如餅(bing)干、堅(jiān)(jian)果、硬果糖等）和(he)濕固體食品(pin)（如蘋果、梨等）。當(dāng)(dang)外應(yīng)力超出(chu)其屈(qu)服閾值時(shí)，固體(ti)食品會(huì)直接(jie)斷裂或脆裂。流(liu)體食品是指(zhi)那些無(wu)法抗拒重力(li)并不具自我(wo)形態(tài)(tai)的可(ke)自由流動(dòng)的(de)食品，這(zhe)類食品以其(qi)裝載的容(rong)器的形態(tài)為(wei)形態(tài)，極微小的(de)應(yīng)力就可(ke)引起顯(xian)著的形變。軟固(gu)體則介于兩(liang)者之間，可抗(kang)拒重力并保持(chi)一定的形態(tài)(tai)，但在弱外(wai)應(yīng)力作用(yong)下產(chǎn)生(sheng)形變，并最終(zhong)破裂(lie)。

固體食品的三(san)維質(zhì)構(gòu)(gou)模型

圖1. 固體食(shi)品形(xing)變時(shí)(shi)應(yīng)力與應(yīng)變(bian)之間的典型關(guān)(guan)系

食品的(de)質(zhì)構(gòu)(gou)性質(zhì)本質(zhì)上是(shi)食品形變(bian)特征的口(kou)腔感受，與(yu)食品的材料性(xing)質(zhì)直接相關(guān)。而(er)對(duì)于不同(tong)的食品(pin)材料，形(xing)變的內(nèi)在決(jue)定因(yin)素有著很(hen)大的區(qū)(qu)別。對(duì)于固體食(shi)品，其形變程度(du)與形(xing)變所需(xu)的能量(liang)是兩個(gè)最重(zhong)要的物理變(bian)量，也直(zhi)接為消(xiao)費(fèi)者所感知。很(hen)幸運(yùn)的(de)是，這兩個(gè)物(wu)理變量都有(you)準(zhǔn)確的物理定(ding)義并可以(yi)被客(ke)觀的量(liang)化測(cè)量。圖1所示(shi)既是(shi)固體(ti)食品的應(yīng)力與(yu)形變(bian)之間的關(guān)系，而(er)形變所(suo)需的(de)能量(liang)（或所作(zuo)的功）則為(wei)應(yīng)力與形變(bian)距離的乘積(ji)，表現(xiàn)為應(yīng)力線(xian)下方的面積。一(yi)般可以根據(jù)(ju)食品(pin)形變(bian)所需的應(yīng)力(li)大小將食(shi)品材料大致分(fen)為硬(Hard)或軟(Soft)，而根據(jù)形變所(suo)需的能量大小(xiao)則可將食品(pin)材料分為(wei)強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線(xian)表現(xiàn)為(wei)四種典型(xing)的食品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(Hard and weak), (b) 硬且強(qiáng)(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(qiáng)(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gu)體食品的質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)除了(le)其形變程(cheng)度與形(xing)變能量外，還(hai)有一項(xiàng)非常(chang)重要的體驗(yàn)(yan)是其(qi)破碎程度。基(ji)于這樣的思(si)考，我們(men)將固(gu)體食品的(de)質(zhì)構(gòu)性(xing)質(zhì)用三個(gè)維(wei)度來量(liang)化描述：強(qiáng)度(du)(Strength)，硬度(du)(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(gè)終(zhong)端分(fen)別用六個(gè)(ge)熟悉(xi)的感官(guan)用語予以錨(mao)定：強(qiáng)度維度分(fen)別為強(qiáng)(Strong)和弱(Weak)，硬度維(wei)度分別為硬（Hard)和軟(ruan)(Soft)，破碎(sui)維度(du)分別為(wei)易碎性(Brittle)和可塑性(xing)(Plastic)（見圖2）。據(jù)此，可以根據(jù)(ju)三個(gè)(ge)維度的量化(hua)數(shù)值把固(gu)體食品分為(wei)八個(gè)(ge)類別，其(qi)質(zhì)構(gòu)(gou)特征描述(shu)見表1。

圖2. 固體食品(pin)材料(liao)質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模型(xing)

表1. 一些典型固體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特(te)征的三維分布(bu)

表1中三個(gè)維度(du)變量(liang)中，強(qiáng)度具有(you)能量單位（Pa.m或者J），硬度可用最(zui)大形變時(shí)的應(yīng)(ying)力來表示，具(ju)有應(yīng)力單(dan)位（Pa）,而破碎度(du)可用破(po)碎前后(hou)的顆粒大小分(fen)布或破(po)碎前后的總(zong)表面(mian)積相比來量(liang)化，不具(ju)量綱。

流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)模型(xing)

與固(gu)體食(shi)品不同，流(liu)體食品(pin)形變時(shí)除了其(qi)形變程度和形(xing)變所需能量(liang)外，其形變所(suo)需的時(shí)間也(ye)是極其重要(yao)的參考參數(shù)。單(dan)位時(shí)(shi)間的形變程(cheng)度體(ti)現(xiàn)流體食品(pin)在外應(yīng)力作(zuo)用下(xia)產(chǎn)生(sheng)形變的速度或(huo)速率，直接(jie)影響材料(liao)形變過(guo)程中(zhong)材料(liao)內(nèi)部(bu)的能量狀況，是(shi)儲(chǔ)存(cun)于材(cai)料內(nèi)部還(hai)是通過(guo)其他形式（如(ru)熱能(neng)）耗散。

圖3. 流體食(shi)品剪切流(liu)動(dòng)時(shí)的剪切應(yīng)(ying)力與剪切速(su)率之間的幾(ji)種典型關(guān)系(xi)

圖3給出了流體(ti)材料(liao)的形變(bian)關(guān)系，對(duì)(dui)比圖1的固體(ti)材料(liao)形變(bian)，其橫(heng)坐標(biāo)的形變程(cheng)度已為形變速(su)率（定義為(wei)單位時(shí)間的(de)形變(bian)量）所替代。不(bu)同的流體(ti)材料(liao)表現(xiàn)為(wei)非常不(bu)同的應(yīng)(ying)力與形(xing)變速率的關(guān)系(xi)，如牛頓(dun)流體(ti)，剪切切稀流(liu)體，剪切切(qie)稠流體，觸變(bian)性流體等。

雖然上述(shu)的流變(bian)行為(wei)能準(zhǔn)確描述流(liu)體食(shi)品形變的(de)基本行(xing)為或所(suo)需外(wai)應(yīng)力(li)（能量）的(de)關(guān)系，但(dan)是卻(que)不能顯(xian)示外應(yīng)力(li)形變后(hou)的能量儲(chǔ)(chu)存與耗散(san)的情況。這(zhe)一點(diǎn)對(duì)于流體(ti)食品非常(chang)重要，關(guān)系到(dao)流體(ti)食品(pin)在外應(yīng)力消(xiao)失后，是否(fou)能夠彈性(xing)恢復(fù)原來的形(xing)狀。這個(gè)(ge)性質(zhì)在(zai)流變學(xué)中稱(cheng)為黏彈性，并可(ke)以用(yong)大形變振(zhen)幅方法來準(zhǔn)(zhun)確測(cè)量。wanquan彈(dan)性或(huo)wanquan黏性是(shi)它的兩個(gè)(ge)ji端情況：前者意(yi)味著(zhe)流體會(huì)像彈簧(huang)一樣儲(chǔ)(chu)存形(xing)變時(shí)的所(suo)有外加能(neng)量，當(dāng)外力取消(xiao)后，流體能wanquan恢復(fù)到(dao)原來狀(zhuang)態(tài)（零度(du)相角)，后者則指(zhi)流體(ti)像水一樣(yang)，不具任何能(neng)量儲(chǔ)存(cun)能力，所(suo)有外加的形變(bian)能量都會(huì)(hui)因分子或顆(ke)粒摩擦被轉(zhuǎn)變(bian)為熱能并耗(hao)散（相角90度)。大部分(fen)流體食(shi)品即(ji)有一定(ding)的彈性(xing)也有一定(ding)的黏性，相(xiang)角介于0⁰ – 90⁰之間(jian)。一般(ban)以45度相角為黏彈(dan)性的(de)切分點(diǎn)，小于(yu)45度彈性(xing)為主，大于(yu)45度則黏性(xing)為主(zhu)。

當(dāng)然，流體(ti)食品黏(nian)彈性的表征稍(shao)顯復(fù)雜，它(ta)與形變速(su)率或頻率直接(jie)相關(guān)。一般(ban)情況(kuang)下，當(dāng)形變振(zhen)幅的頻率(lv)增加時(shí)，流體食(shi)品的(de)彈性傾向加(jia)強(qiáng)；而當(dāng)(dang)形變(bian)振幅的頻率降(jiang)低時(shí)(shi)，流體食品的(de)黏性(xing)性質(zhì)會(huì)更加(jia)突出。

圖4. 流體食品質(zhì)構(gòu)(gou)特性的三維模(mo)型

把流體(ti)材料的這些本(ben)質(zhì)特征組合(he)可以形成另一(yi)個(gè)三維度的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型(xing)，見圖(tu)4三個(gè)(ge)維度分別為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或(huo)流動(dòng)(dong)行為指數(shù)(shu)n)(Flow behaviour index)。三個(gè)維度的(de)六個(gè)末(mo)端也可以(yi)用感官詞語來(lai)表達(dá)（見(jian)表2）。

表2. 流體(ti)食品質(zhì)構(gòu)特性(xing)的三維模(mo)型說明

軟固體(ti)的質(zhì)(zhi)構(gòu)模型

上述的三(san)維模型可以準(zhǔn)(zhun)確描述(shu)大部分固(gu)體和流體(ti)食品的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，形成食(shi)品質(zhì)(zhi)構(gòu)的(de)空間(jian)分布圖，以準(zhǔn)(zhun)確區(qū)別不同食(shi)品的質(zhì)(zhi)構(gòu)特征。但是(shi)如何處(chu)理軟(ruan)固體(ti)或半固體(ti)食品，目(mu)前還沒有(you)一個(gè)好的(de)辦法。軟(ruan)固體食品是(shi)非常廣泛(fan)的食(shi)品體系，包含(han)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形(xing)變程度(du)起主導(dǎo)作用(yong)的軟固(gu)體（如面包、饅(man)頭、豆(dou)腐、果(guo)凍、凝膠類食品(pin)），和質(zhì)(zhi)構(gòu)性質(zhì)(zhi)由形變速率起(qi)主導(dǎo)(dao)作用的軟固(gu)體（如酸(suan)奶和其他糊(hu)狀類(lei)食品）。如此廣(guang)泛差異(yi)的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)難以(yi)用一個(gè)模型(xing)來形容，作為(wei)一個(gè)大(da)致的(de)方法(fa)，可以根(gen)據(jù)軟固體食品(pin)的形變(bian)程度(du)和形變速率的(de)作用程(cheng)度，決定(ding)采用(yong)近似固體(ti)處理或(huo)近似流體處理(li)。前者可以固體(ti)食品的(de)三維模型處(chu)理，而后者(zhe)基本上可(ke)以參照流體食(shi)品的質(zhì)構(gòu)(gou)模型來(lai)處理。

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三維模型(xing)的局限性(xing)

本文提出的食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型，突破了(le)食品質(zhì)(zhi)構(gòu)的傳統(tǒng)(tong)理論(lun)，但是模(mo)型的應(yīng)用仍(reng)有一定的局(ju)限性。首先，食(shi)品質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型只能適(shi)用于均相(xiang)的食(shi)品體系，對(duì)于(yu)多相混(hun)雜的(de)食品（例如(ru)夾心餅干(gan)等），其質(zhì)(zhi)構(gòu)特征則應(yīng)(ying)該分相(xiang)描述(shu)。第二(er)，三維質(zhì)構(gòu)模(mo)型亦不能(neng)描述一些(xie)與分散(san)體系相關(guān)的(de)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)(zhi)。分散體系(xi)食品常常包含(han)分散顆粒(li)，雖為均相分布(bu)，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(huì)帶來一些(xie)與顆粒(li)相關(guān)的特殊的(de)質(zhì)構(gòu)口(kou)感特征，如顆粒(li)感、粉感等。另外(wai)，食品(pin)質(zhì)構(gòu)的三(san)維模(mo)型也不(bu)包括(kuo)因食物入口(kou)后與唾液(ye)相互作用(yong)而產(chǎn)(chan)生成分或(huo)微結(jié)構(gòu)(gou)變化因而(er)引起的質(zhì)構(gòu)(gou)特征，如澀感、滑(hua)溜感(gan)等。

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食品(pin)質(zhì)構(gòu)數(shù)字化

食品質(zhì)構(gòu)分析(xi)雖然(ran)已經(jīng)有(you)如流(liu)變儀、質(zhì)構(gòu)(gou)儀等一些(xie)成熟的測(cè)量(liang)技術(shù)，但(dan)是流變儀測(cè)量(liang)的結(jié)果往(wang)往因其過于(yu)基礎(chǔ)(chu)性，缺乏與質(zhì)(zhi)構(gòu)口(kou)感性質(zhì)的直(zhi)接對(duì)(dui)應(yīng)，而不被食(shi)品工業(yè)所(suo)接受。而食品質(zhì)(zhi)構(gòu)儀測(cè)量只能(neng)是相對(duì)的測(cè)(ce)量，很大(da)程度上只是(shi)定性測(cè)(ce)量，其測(cè)量(liang)的方式和測(cè)量(liang)的結(jié)果缺乏(fa)明確的(de)標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)驗(yàn)(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(xiàn)上廣(guang)泛報(bào)道的所謂(wei)的質(zhì)構(gòu)剖析(xi)分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺(que)陷和被嚴(yán)重(zhong)誤用(yong)的情況。我們?cè)?shi)圖從食品(pin)材料的形變?cè)?yuan)理出發(fā)，揭示(shi)食品(pin)質(zhì)構(gòu)性質(zhì)和(he)感官(guan)的食品材(cai)料學(xué)本質(zhì)。食品(pin)質(zhì)構(gòu)三維模(mo)型的zui大優(yōu)點(diǎn)(dian)是可(ke)以將(jiang)各類食品材(cai)料進(jìn)行可比(bi)較的量化分析(xi)，從而建立食(shi)品體(ti)系的質(zhì)(zhi)構(gòu)三維譜圖分(fen)布，區(qū)分各食(shi)品之間的微(wei)妙的質(zhì)構(gòu)(gou)差異，為建立(li)食品質(zhì)構(gòu)數(shù)字(zi)化體(ti)系提(ti)供了可靠的(de)理論依(yi)據(jù)。

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原文由英國諾(nuo)丁漢大學(xué)Andrew Rosenthal博士(shi)（第一作者）與浙(zhe)江工商大學(xué)陳(chen)建設(shè)教授(shou)（通訊作者）合(he)作完成，發(fā)(fa)表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據(jù)(ju)原文重新整(zheng)理寫作，有(you)些地方對(duì)原(yuan)文稍有修(xiu)改。

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致謝(xie)：本文寫作過程(cheng)中，馬添先(xian)生提出(chu)許多(duo)建設(shè)性的(de)建議。