浙江工商(shang)大(da)學食(shi)品(pin)口(kou)腔加工團(tuan)隊(dui)：食(shi)品(pin)質構(gou)新(xin)模(mo)型(xing)與質構(gou)表征(zheng)數字化(hua)

食(shi)品(pin)質構(gou)或質構(gou)性質不僅(jin)直接(jie)關系(xi)到食(shi)品(pin)的口(kou)感(gan)，也(ye)顯(xian)著(zhu)影響(xiang)食(shi)物(wu)在(zai)口(kou)腔中的風(feng)味釋放與體(ti)驗(yan)。過(guo)去數十(shi)年中，食(shi)品(pin)工(gong)業(ye)和(he)食(shi)品(pin)科學界(jie)壹(yi)直致力(li)建立(li)可行的食(shi)品(pin)質構(gou)性質評測的客(ke)觀(guan)方法，雖然取得(de)了許多進展，但(dan)是(shi)無論在食(shi)品(pin)質構(gou)理(li)論(lun)還是(shi)食(shi)品(pin)質構(gou)的分(fen)析(xi)測(ce)量(liang)技術(shu)方面(mian)，都(dou)還存(cun)在(zai)許多問(wen)題，無法準(zhun)確(que)解釋(shi)消(xiao)費(fei)者(zhe)質構(gou)感(gan)官(guan)背後的復(fu)雜(za)物(wu)理(li)學原理(li)，也(ye)不能(neng)很(hen)好(hao)滿(man)足(zu)食(shi)品(pin)工(gong)業(ye)質量(liang)控制(zhi)的需(xu)求(qiu)。

食(shi)品(pin)質構(gou)分(fen)析(xi)的難(nan)點(dian)在於其(qi)多維度和(he)多尺度共(gong)存的本(ben)質特(te)點(dian)。食(shi)品(pin)質構(gou)性質實(shi)質上(shang)是(shi)與食(shi)品(pin)材料物(wu)性相(xiang)關(guan)的且(qie)能(neng)被(bei)消費(fei)者(zhe)感(gan)知的壹(yi)系列(lie)性質的統(tong)稱，包含很多復雜(za)且(qie)微(wei)妙(miao)變(bian)化(hua)的質構(gou)屬性，其相(xiang)對(dui)應的材料學性質具(ju)有(you)多重與動(dong)態(tai)的特(te)征(zheng)。因(yin)此(ci)很(hen)難(nan)期(qi)待用單壹(yi)的方法來(lai)描述(shu)或測(ce)量(liang)食(shi)品(pin)的質構(gou)特(te)性和(he)質構(gou)感(gan)官(guan)。

基於食(shi)品(pin)質構(gou)的多維性原理(li)，浙江工商(shang)大(da)學食(shi)品(pin)口(kou)腔加工實(shi)驗(yan)室(shi)陳(chen)建設(she)教(jiao)授(shou)與英(ying)國諾(nuo)丁(ding)漢大(da)學Andrew Rosenthal 博(bo)士(shi)合(he)作，從食(shi)品(pin)材料學和(he)物性學原理(li)出發，提(ti)出了食(shi)品(pin)質構(gou)三(san)維(wei)模型(xing)，並(bing)以此準(zhun)確(que)量(liang)化(hua)不同食(shi)品(pin)的質構(gou)特(te)征(zheng)。這個(ge)新(xin)模型(xing)的提(ti)出，使(shi)得(de)建立(li)食(shi)品(pin)質構(gou)譜(pu)圖成(cheng)為可能(neng)，也(ye)為(wei)數字化(hua)時代(dai)將(jiang)傳統的食(shi)品(pin)質構(gou)的感(gan)官(guan)詞(ci)語描述(shu)轉(zhuan)變(bian)為(wei)數字化(hua)描述(shu)提供(gong)了理論依據(ju)。

食(shi)品(pin)的材料分(fen)類(lei)

食(shi)品(pin)的分(fen)類(lei)有(you)很多種方法，最(zui)常(chang)見(jian)的是(shi)依據(ju)食(shi)品(pin)的形(xing)態(tai)，將(jiang)其分(fen)為(wei)三大(da)類(lei)：固(gu)體食(shi)品(pin)，軟（半）固(gu)體食(shi)品(pin)，流(liu)體(ti)食(shi)品(pin)。固(gu)體食(shi)品(pin)泛(fan)指(zhi)那(na)些(xie)可以抗拒(ju)重力(li)並(bing)具(ju)有(you)特定(ding)形(xing)態(tai)且(qie)不易(yi)形(xing)變(bian)的食(shi)品(pin)，可分(fen)為(wei)幹固(gu)體食(shi)品(pin)（如(ru)餅(bing)幹(gan)、堅果、硬果糖(tang)等(deng)）和(he)濕(shi)固(gu)體食(shi)品(pin)（如(ru)蘋(ping)果、梨等(deng)）。當(dang)外(wai)應力(li)超(chao)出其(qi)屈(qu)服閾值時，固(gu)體食(shi)品(pin)會(hui)直接(jie)斷裂或脆裂。流體食(shi)品(pin)是(shi)指那些(xie)無法抗拒(ju)重力(li)並(bing)不具(ju)自(zi)我形(xing)態(tai)的可自由(you)流動的食(shi)品(pin)，這類(lei)食(shi)品(pin)以其裝載的容(rong)器的形(xing)態(tai)為(wei)形(xing)態(tai)，極(ji)微(wei)小的應力(li)就(jiu)可引起顯(xian)著(zhu)的形(xing)變(bian)。軟固(gu)體則(ze)介(jie)於兩(liang)者(zhe)之間(jian)，可抗拒(ju)重力(li)並(bing)保(bao)持壹(yi)定(ding)的形(xing)態(tai)，但(dan)在(zai)弱(ruo)外(wai)應力(li)作用下(xia)產(chan)生形(xing)變(bian)，並(bing)最(zui)終(zhong)破(po)裂。

固(gu)體食(shi)品(pin)的三(san)維(wei)質構(gou)模(mo)型(xing)

圖(tu)1. 固(gu)體食(shi)品(pin)形(xing)變(bian)時應力(li)與應變(bian)之(zhi)間(jian)的典型(xing)關(guan)系

食(shi)品(pin)的質構(gou)性質本(ben)質上(shang)是(shi)食(shi)品(pin)形(xing)變(bian)特(te)征(zheng)的口(kou)腔感(gan)受(shou)，與食(shi)品(pin)的材料性質直接(jie)相(xiang)關(guan)。而(er)對於不同的食(shi)品(pin)材料，形(xing)變(bian)的內在決(jue)定(ding)因(yin)素(su)有(you)著很大(da)的區別(bie)。對於固(gu)體食(shi)品(pin)，其(qi)形(xing)變(bian)程(cheng)度與形(xing)變(bian)所需(xu)的能(neng)量(liang)是(shi)兩個最(zui)重要(yao)的物(wu)理(li)變(bian)量(liang)，也(ye)直接(jie)為消(xiao)費(fei)者(zhe)所感(gan)知。很幸(xing)運(yun)的是(shi)，這兩(liang)個(ge)物理變(bian)量(liang)都(dou)有(you)準確(que)的物(wu)理(li)定(ding)義(yi)並可以被(bei)客觀(guan)的量(liang)化(hua)測(ce)量(liang)。圖(tu)1所示(shi)既是(shi)固(gu)體食(shi)品(pin)的應力(li)與形(xing)變(bian)之(zhi)間(jian)的關(guan)系(xi)，而(er)形(xing)變(bian)所需(xu)的能(neng)量(liang)（或所作的功(gong)）則(ze)為應力(li)與形(xing)變(bian)距(ju)離(li)的乘(cheng)積(ji)，表現(xian)為應力(li)線下方的面(mian)積(ji)。壹(yi)般(ban)可以根據(ju)食(shi)品(pin)形(xing)變(bian)所需(xu)的應力(li)大(da)小將(jiang)食(shi)品(pin)材料大(da)致分(fen)為(wei)硬(Hard)或軟(Soft)，而(er)根據(ju)形(xing)變(bian)所需(xu)的能(neng)量(liang)大(da)小則(ze)可將(jiang)食(shi)品(pin)材料分(fen)為(wei)強(Strong)或弱(ruo)(Weak)。圖1中的四(si)條(tiao)直線表現(xian)為四(si)種典型(xing)的食(shi)品(pin)材料：(a)硬且(qie)弱(ruo)(Hard and weak), (b) 硬且(qie)強(Hard and strong), (c)軟且弱(ruo)(Soft and weak), (d)軟且強(Soft and strong)。

當(dang)然(ran)，固(gu)體食(shi)品(pin)的質構(gou)性質除(chu)了其形(xing)變(bian)程(cheng)度與形(xing)變(bian)能(neng)量(liang)外(wai)，還有(you)壹(yi)項非(fei)常(chang)重要(yao)的體(ti)驗(yan)是(shi)其破(po)碎程(cheng)度。基於這樣(yang)的思(si)考，我們(men)將(jiang)固(gu)體食(shi)品(pin)的質構(gou)性質用三(san)個(ge)維度來量(liang)化(hua)描述(shu)：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破(po)碎度(Brittleness)。維(wei)度的六(liu)個(ge)終(zhong)端分(fen)別(bie)用六(liu)個(ge)熟悉(xi)的感(gan)官(guan)用語予(yu)以錨(mao)定(ding)：強度維度分(fen)別(bie)為強(Strong)和(he)弱(Weak)，硬度維度分(fen)別(bie)為硬（Hard)和(he)軟(Soft)，破(po)碎維度分(fen)別(bie)為易(yi)碎性(Brittle)和(he)可塑性(Plastic)（見(jian)圖(tu)2）。據(ju)此，可以根據(ju)三個(ge)維度的量(liang)化(hua)數值把(ba)固(gu)體食(shi)品(pin)分(fen)為(wei)八個類(lei)別(bie)，其質構(gou)特(te)征(zheng)描述(shu)見(jian)表1。

圖2. 固(gu)體食(shi)品(pin)材料質構(gou)特(te)性的三(san)維(wei)模型(xing)

表1. 壹(yi)些(xie)典型(xing)固(gu)體食(shi)品(pin)質構(gou)特(te)征(zheng)的三(san)維(wei)分(fen)布(bu)

表1中三個維度變(bian)量(liang)中，強度具有(you)能(neng)量(liang)單位(wei)（Pa.m或者(zhe)J），硬度可用最(zui)大(da)形(xing)變(bian)時的應力(li)來(lai)表示(shi)，具有(you)應力(li)單位(wei)（Pa）,而(er)破(po)碎度可用破(po)碎前後的顆(ke)粒大(da)小分(fen)布(bu)或破(po)碎前後的總(zong)表面(mian)積(ji)相(xiang)比來(lai)量(liang)化(hua)，不具(ju)量(liang)綱(gang)。

流體食(shi)品(pin)的質構(gou)模(mo)型(xing)

與固(gu)體食(shi)品(pin)不同，流(liu)體(ti)食(shi)品(pin)形(xing)變(bian)時除(chu)了其形(xing)變(bian)程(cheng)度和(he)形(xing)變(bian)所需(xu)能(neng)量(liang)外(wai)，其(qi)形(xing)變(bian)所需(xu)的時間也(ye)是(shi)極(ji)其(qi)重要(yao)的參(can)考參(can)數。單位(wei)時間的形(xing)變(bian)程(cheng)度體現流(liu)體食(shi)品(pin)在(zai)外(wai)應力(li)作用下(xia)產(chan)生形(xing)變(bian)的速(su)度或速(su)率，直接(jie)影響(xiang)材料形(xing)變(bian)過(guo)程(cheng)中材料內部的能(neng)量(liang)狀(zhuang)況，是(shi)儲(chu)存於材料內部還是(shi)通(tong)過(guo)其他(ta)形(xing)式(shi)（如(ru)熱(re)能(neng)）耗散。

圖3. 流體(ti)食(shi)品(pin)剪(jian)切(qie)流(liu)動(dong)時的剪(jian)切(qie)應力(li)與剪(jian)切(qie)速(su)率(lv)之(zhi)間(jian)的幾(ji)種典型(xing)關(guan)系

圖(tu)3給出了流體材料的形(xing)變(bian)關(guan)系(xi)，對比圖(tu)1的固(gu)體材料形(xing)變(bian)，其(qi)橫(heng)坐(zuo)標的形(xing)變(bian)程(cheng)度已為形(xing)變(bian)速(su)率(lv)（定(ding)義(yi)為單位(wei)時間的形(xing)變(bian)量(liang)）所替代(dai)。不同的流(liu)體(ti)材料表現(xian)為非(fei)常(chang)不同的應力(li)與形(xing)變(bian)速(su)率(lv)的關(guan)系(xi)，如(ru)牛(niu)頓(dun)流(liu)體，剪切(qie)切(qie)稀流體(ti)，剪切(qie)切(qie)稠(chou)流(liu)體(ti)，觸變(bian)性流體(ti)等(deng)。

雖然上述(shu)的流(liu)變(bian)行為能(neng)準(zhun)確(que)描述(shu)流體(ti)食(shi)品(pin)形(xing)變(bian)的基本(ben)行為或所需(xu)外(wai)應力(li)（能(neng)量(liang)）的關(guan)系(xi)，但(dan)是(shi)卻不能(neng)顯(xian)示(shi)外應力(li)形(xing)變(bian)後的能(neng)量(liang)儲(chu)存與耗散的情(qing)況。這壹(yi)點(dian)對於流(liu)體(ti)食(shi)品(pin)非(fei)常(chang)重要(yao)，關(guan)系到流(liu)體食(shi)品(pin)在(zai)外(wai)應力(li)消(xiao)失後，是(shi)否能(neng)夠彈(dan)性恢復(fu)原來(lai)的形(xing)狀(zhuang)。這個(ge)性質在(zai)流變(bian)學中稱為(wei)黏彈(dan)性，並可以用大(da)形(xing)變(bian)振(zhen)幅方法來(lai)準(zhun)確(que)測(ce)量(liang)。wanquan彈(dan)性或wanquan黏性是(shi)它的兩(liang)個(ge)ji端情(qing)況：前者(zhe)意味(wei)著流體會(hui)像彈(dan)簧(huang)壹(yi)樣(yang)儲(chu)存形(xing)變(bian)時的所有(you)外加能(neng)量(liang)，當(dang)外(wai)力(li)取(qu)消(xiao)後，流(liu)體(ti)能(neng)wanquan恢(hui)復(fu)到原來(lai)狀(zhuang)態（零(ling)度相(xiang)角(jiao))，後者(zhe)則(ze)指流體像水壹(yi)樣(yang)，不具(ju)任(ren)何能(neng)量(liang)儲(chu)存能(neng)力(li)，所有(you)外加的形(xing)變(bian)能(neng)量(liang)都(dou)會(hui)因(yin)分(fen)子(zi)或顆(ke)粒摩擦被(bei)轉(zhuan)變(bian)為(wei)熱(re)能(neng)並(bing)耗散（相(xiang)角(jiao)90度)。大(da)部分(fen)流(liu)體食(shi)品(pin)即有(you)壹(yi)定(ding)的彈(dan)性也(ye)有(you)壹(yi)定(ding)的黏(nian)性，相(xiang)角(jiao)介(jie)於0⁰ – 90⁰之(zhi)間(jian)。壹(yi)般(ban)以45度相(xiang)角(jiao)為(wei)黏(nian)彈(dan)性的切(qie)分(fen)點(dian)，小於45度彈(dan)性為主(zhu)，大(da)於45度則(ze)黏性為主(zhu)。

當(dang)然(ran)，流(liu)體食(shi)品(pin)黏(nian)彈(dan)性的表征(zheng)稍顯復雜(za)，它(ta)與形(xing)變(bian)速(su)率(lv)或頻(pin)率直接(jie)相(xiang)關(guan)。壹(yi)般(ban)情(qing)況下，當(dang)形(xing)變(bian)振(zhen)幅的頻(pin)率增加時，流體(ti)食(shi)品(pin)的彈(dan)性傾(qing)向加強；而(er)當(dang)形(xing)變(bian)振(zhen)幅的頻(pin)率降(jiang)低時，流體(ti)食(shi)品(pin)的黏(nian)性性質會(hui)更加突出。

圖4. 流體(ti)食(shi)品(pin)質構(gou)特(te)性的三(san)維(wei)模型(xing)

把(ba)流體(ti)材料的這些(xie)本(ben)質特(te)征(zheng)組合(he)可以形(xing)成(cheng)另(ling)壹(yi)個三(san)維度的質構(gou)模(mo)型(xing)，見(jian)圖(tu)4三個維度分(fen)別(bie)為稠(chou)度（Thickness, Consistency)，黏(nian)彈(dan)性(Viscoelasticity)，切(qie)稀切(qie)稠(chou)性（或流(liu)動行為指(zhi)數n)(Flow behaviour index)。三個維度的六(liu)個(ge)末端也(ye)可以用感(gan)官(guan)詞(ci)語來表達(da)（見(jian)表2）。

表2. 流體(ti)食(shi)品(pin)質構(gou)特(te)性的三(san)維(wei)模型(xing)說(shuo)明(ming)

軟固(gu)體的質構(gou)模(mo)型(xing)

上述(shu)的三(san)維(wei)模型(xing)可以準確(que)描述(shu)大(da)部分(fen)固(gu)體和(he)流體(ti)食(shi)品(pin)的質構(gou)特(te)征(zheng)，形(xing)成(cheng)食(shi)品(pin)質構(gou)的空(kong)間(jian)分(fen)布(bu)圖，以準確(que)區別(bie)不同食(shi)品(pin)的質構(gou)特(te)征(zheng)。但(dan)是(shi)如(ru)何處(chu)理軟固(gu)體或半(ban)固(gu)體食(shi)品(pin)，目(mu)前還沒(mei)有(you)壹(yi)個好(hao)的辦(ban)法。軟固(gu)體食(shi)品(pin)是(shi)非(fei)常(chang)廣(guang)泛的食(shi)品(pin)體(ti)系(xi)，包含質構(gou)性質由(you)形(xing)變(bian)程(cheng)度起主(zhu)導(dao)作用的軟固(gu)體（如(ru)面包、饅頭、豆腐(fu)、果凍(dong)、凝(ning)膠類(lei)食(shi)品(pin)），和(he)質構(gou)性質由(you)形(xing)變(bian)速(su)率(lv)起主(zhu)導(dao)作用的軟固(gu)體（如(ru)酸(suan)奶和(he)其他(ta)糊(hu)狀(zhuang)類(lei)食(shi)品(pin)）。如(ru)此廣(guang)泛差(cha)異的質構(gou)性質難(nan)以用壹(yi)個模(mo)型(xing)來(lai)形(xing)容(rong)，作為壹(yi)個大(da)致的方法，可以根據(ju)軟固(gu)體食(shi)品(pin)的形(xing)變(bian)程(cheng)度和(he)形(xing)變(bian)速(su)率(lv)的作用程(cheng)度，決定(ding)采(cai)用近(jin)似(si)固(gu)體處(chu)理(li)或近(jin)似(si)流(liu)體(ti)處(chu)理(li)。前者(zhe)可以固(gu)體食(shi)品(pin)的三(san)維(wei)模型(xing)處(chu)理，而(er)後者(zhe)基本(ben)上(shang)可以參(can)照(zhao)流體食(shi)品(pin)的質構(gou)模(mo)型(xing)來(lai)處理。

三(san)維(wei)模型(xing)的局(ju)限性

本(ben)文提出的食(shi)品(pin)質構(gou)三(san)維(wei)模型(xing)，突破(po)了食(shi)品(pin)質構(gou)的傳統理論(lun)，但(dan)是(shi)模型(xing)的應用仍(reng)有(you)壹(yi)定(ding)的局(ju)限性。首(shou)先(xian)，食(shi)品(pin)質構(gou)三(san)維(wei)模型(xing)只能(neng)適(shi)用於均(jun)相(xiang)的食(shi)品(pin)體(ti)系(xi)，對(dui)於多相(xiang)混(hun)雜(za)的食(shi)品(pin)（例(li)如(ru)夾心餅(bing)幹(gan)等(deng)），其(qi)質構(gou)特(te)征(zheng)則(ze)應該分(fen)相(xiang)描述(shu)。第二(er)，三(san)維(wei)質構(gou)模(mo)型(xing)亦不能(neng)描述(shu)壹(yi)些(xie)與分(fen)散(san)體系相(xiang)關(guan)的質構(gou)性質。分(fen)散(san)體系食(shi)品(pin)常(chang)常(chang)包含分(fen)散(san)顆粒，雖為均(jun)相(xiang)分(fen)布(bu)，但(dan)是(shi)這些(xie)分(fen)散(san)顆粒除(chu)了影響(xiang)整體材料性質外(wai)，還會(hui)帶(dai)來壹(yi)些(xie)與顆(ke)粒相(xiang)關(guan)的特(te)殊的質構(gou)口(kou)感(gan)特(te)征(zheng)，如(ru)顆粒感(gan)、粉(fen)感(gan)等(deng)。另(ling)外，食(shi)品(pin)質構(gou)的三(san)維(wei)模型(xing)也(ye)不包括(kuo)因(yin)食(shi)物(wu)入(ru)口(kou)後與唾液(ye)相(xiang)互作用而(er)產(chan)生成(cheng)分(fen)或微(wei)結構(gou)變(bian)化(hua)因(yin)而(er)引起的質構(gou)特(te)征(zheng)，如(ru)澀感(gan)、滑(hua)溜感(gan)等(deng)。

食(shi)品(pin)質構(gou)數字化(hua)

食(shi)品(pin)質構(gou)分(fen)析(xi)雖然已經(jing)有(you)如(ru)流變(bian)儀(yi)、質構(gou)儀(yi)等(deng)壹(yi)些(xie)成(cheng)熟的測(ce)量(liang)技術(shu)，但(dan)是(shi)流變(bian)儀(yi)測(ce)量(liang)的結果往(wang)往(wang)因(yin)其(qi)過(guo)於基礎性，缺乏(fa)與質構(gou)口(kou)感(gan)性質的直接(jie)對應，而(er)不被(bei)食(shi)品(pin)工(gong)業(ye)所接(jie)受。而(er)食(shi)品(pin)質構(gou)儀(yi)測(ce)量(liang)只能(neng)是(shi)相(xiang)對(dui)的測(ce)量(liang)，很(hen)大(da)程(cheng)度上只是(shi)定(ding)性測量(liang)，其(qi)測(ce)量(liang)的方式(shi)和(he)測量(liang)的結果缺乏(fa)明(ming)確(que)的標準，各(ge)實(shi)驗(yan)室(shi)之間(jian)的質構(gou)分(fen)析(xi)結果無(wu)法直接(jie)比較(jiao)。zui明(ming)顯(xian)的例(li)子(zi)是(shi)文獻上廣泛(fan)報道的所謂(wei)的質構(gou)剖析(xi)分(fen)析(xi)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存(cun)在明(ming)顯(xian)的缺陷(xian)和(he)被(bei)嚴重誤(wu)用的情(qing)況。我們(men)試圖(tu)從食(shi)品(pin)材料的形(xing)變(bian)原理(li)出發，揭(jie)示(shi)食(shi)品(pin)質構(gou)性質和(he)感(gan)官(guan)的食(shi)品(pin)材料學本(ben)質。食(shi)品(pin)質構(gou)三(san)維(wei)模型(xing)的zui大(da)優(you)點(dian)是(shi)可以將(jiang)各(ge)類(lei)食(shi)品(pin)材料進(jin)行可比較(jiao)的量(liang)化(hua)分(fen)析(xi)，從而(er)建立(li)食(shi)品(pin)體(ti)系(xi)的質構(gou)三(san)維(wei)譜(pu)圖分(fen)布(bu)，區分(fen)各(ge)食(shi)品(pin)之(zhi)間(jian)的微(wei)妙(miao)的質構(gou)差(cha)異，為(wei)建立(li)食(shi)品(pin)質構(gou)數字化(hua)體(ti)系提(ti)供(gong)了可靠的理(li)論(lun)依據(ju)。

原文由(you)英(ying)國諾(nuo)丁(ding)漢大(da)學Andrew Rosenthal博(bo)士(shi)（第(di)壹(yi)作者(zhe)）與浙江工商(shang)大(da)學陳(chen)建設(she)教(jiao)授(shou)（通(tong)訊(xun)作者(zhe)）合(he)作完成(cheng)，發表在(zai)Journal of Texture Studies，54卷(juan)，第4期(qi)。本(ben)文根據(ju)原文重新(xin)整理寫(xie)作，有(you)些(xie)地方對(dui)原文稍有(you)修改。

致謝(xie)：本(ben)文寫(xie)作過(guo)程(cheng)中，馬添先生提(ti)出許(xu)多建設(she)性的建議。