浙江工商大學食品口腔加工團隊：食品質構新模型與質構表征數字化

食品質構或質構性質不僅(jin) 直接關(guan) 係到食品的口感，也顯著影響食物在口腔中的風味釋放與(yu) 體(ti) 驗。過去數十年中，食品工業(ye) 和食品科學界一直致力建立可行的食品質構性質評測的客觀方法，雖然取得了許多進展，但是無論在食品質構理論還是食品質構的分析測量技術方麵，都還存在許多問題，無法準確解釋消費者質構感官背後的複雜物理學原理，也不能很好滿足食品工業(ye) 質量控製的需求。

食品質構分析的難點在於(yu) 其多維度和多尺度共存的本質特點。食品質構性質實質上是與(yu) 食品材料物性相關(guan) 的且能被消費者感知的一係列性質的統稱，包含很多複雜且微妙變化的質構屬性，其相對應的材料學性質具有多重與(yu) 動態的特征。因此很難期待用單一的方法來描述或測量食品的質構特性和質構感官。

基於(yu) 食品質構的多維性原理，浙江工商大學食品口腔加工實驗室陳建設教授與(yu) 英國諾丁漢大學Andrew Rosenthal 博士合作，從(cong) 食品材料學和物性學原理出發，提出了食品質構三維模型，並以此準確量化不同食品的質構特征。這個(ge) 新模型的提出，使得建立食品質構譜圖成為(wei) 可能，也為(wei) 數字化時代將傳(chuan) 統的食品質構的感官詞語描述轉變為(wei) 數字化描述提供了理論依據。

食品的材料分類

食品的分類有很多種方法，最常見的是依據食品的形態，將其分為(wei) 三大類：固體(ti) 食品，軟（半）固體(ti) 食品，流體(ti) 食品。固體(ti) 食品泛指那些可以抗拒重力並具有特定形態且不易形變的食品，可分為(wei) 幹固體(ti) 食品（如餅幹、堅果、硬果糖等）和濕固體(ti) 食品（如蘋果、梨等）。當外應力超出其屈服閾值時，固體(ti) 食品會(hui) 直接斷裂或脆裂。流體(ti) 食品是指那些無法抗拒重力並不具自我形態的可自由流動的食品，這類食品以其裝載的容器的形態為(wei) 形態，極微小的應力就可引起顯著的形變。軟固體(ti) 則介於(yu) 兩(liang) 者之間，可抗拒重力並保持一定的形態，但在弱外應力作用下產(chan) 生形變，並最終破裂。

固體(ti) 食品的三維質構模型

圖1. 固體(ti) 食品形變時應力與(yu) 應變之間的典型關(guan) 係

食品的質構性質本質上是食品形變特征的口腔感受，與(yu) 食品的材料性質直接相關(guan) 。而對於(yu) 不同的食品材料，形變的內(nei) 在決(jue) 定因素有著很大的區別。對於(yu) 固體(ti) 食品，其形變程度與(yu) 形變所需的能量是兩(liang) 個(ge) 最重要的物理變量，也直接為(wei) 消費者所感知。很幸運的是，這兩(liang) 個(ge) 物理變量都有準確的物理定義(yi) 並可以被客觀的量化測量。圖1所示既是固體(ti) 食品的應力與(yu) 形變之間的關(guan) 係，而形變所需的能量（或所作的功）則為(wei) 應力與(yu) 形變距離的乘積，表現為(wei) 應力線下方的麵積。一般可以根據食品形變所需的應力大小將食品材料大致分為(wei) 硬(Hard)或軟(Soft)，而根據形變所需的能量大小則可將食品材料分為(wei) 強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線表現為(wei) 四種典型的食品材料：(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(ti) 食品的質構性質除了其形變程度與(yu) 形變能量外，還有一項非常重要的體(ti) 驗是其破碎程度。基於(yu) 這樣的思考，我們(men) 將固體(ti) 食品的質構性質用三個(ge) 維度來量化描述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個(ge) 終端分別用六個(ge) 熟悉的感官用語予以錨定：強度維度分別為(wei) 強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別為(wei) 硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別為(wei) 易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據此，可以根據三個(ge) 維度的量化數值把固體(ti) 食品分為(wei) 八個(ge) 類別，其質構特征描述見表1。

圖2. 固體(ti) 食品材料質構特性的三維模型

表1. 一些典型固體(ti) 食品質構特征的三維分布

表1中三個(ge) 維度變量中，強度具有能量單位（Pa.m或者J），硬度可用最大形變時的應力來表示，具有應力單位（Pa）,而破碎度可用破碎前後的顆粒大小分布或破碎前後的總表麵積相比來量化，不具量綱。

流體(ti) 食品的質構模型

與(yu) 固體(ti) 食品不同，流體(ti) 食品形變時除了其形變程度和形變所需能量外，其形變所需的時間也是極其重要的參考參數。單位時間的形變程度體(ti) 現流體(ti) 食品在外應力作用下產(chan) 生形變的速度或速率，直接影響材料形變過程中材料內(nei) 部的能量狀況，是儲(chu) 存於(yu) 材料內(nei) 部還是通過其他形式（如熱能）耗散。

圖3. 流體(ti) 食品剪切流動時的剪切應力與(yu) 剪切速率之間的幾種典型關(guan) 係

圖3給出了流體(ti) 材料的形變關(guan) 係，對比圖1的固體(ti) 材料形變，其橫坐標的形變程度已為(wei) 形變速率（定義(yi) 為(wei) 單位時間的形變量）所替代。不同的流體(ti) 材料表現為(wei) 非常不同的應力與(yu) 形變速率的關(guan) 係，如牛頓流體(ti) ，剪切切稀流體(ti) ，剪切切稠流體(ti) ，觸變性流體(ti) 等。

雖然上述的流變行為(wei) 能準確描述流體(ti) 食品形變的基本行為(wei) 或所需外應力（能量）的關(guan) 係，但是卻不能顯示外應力形變後的能量儲(chu) 存與(yu) 耗散的情況。這一點對於(yu) 流體(ti) 食品非常重要，關(guan) 係到流體(ti) 食品在外應力消失後，是否能夠彈性恢複原來的形狀。這個(ge) 性質在流變學中稱為(wei) 黏彈性，並可以用大形變振幅方法來準確測量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的兩(liang) 個(ge) ji端情況：前者意味著流體(ti) 會(hui) 像彈簧一樣儲(chu) 存形變時的所有外加能量，當外力取消後，流體(ti) 能wanquan恢複到原來狀態（零度相角)，後者則指流體(ti) 像水一樣，不具任何能量儲(chu) 存能力，所有外加的形變能量都會(hui) 因分子或顆粒摩擦被轉變為(wei) 熱能並耗散（相角90度)。大部分流體(ti) 食品即有一定的彈性也有一定的黏性，相角介於(yu) 0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為(wei) 黏彈性的切分點，小於(yu) 45度彈性為(wei) 主，大於(yu) 45度則黏性為(wei) 主。

當然，流體(ti) 食品黏彈性的表征稍顯複雜，它與(yu) 形變速率或頻率直接相關(guan) 。一般情況下，當形變振幅的頻率增加時，流體(ti) 食品的彈性傾(qing) 向加強；而當形變振幅的頻率降低時，流體(ti) 食品的黏性性質會(hui) 更加突出。

圖4. 流體(ti) 食品質構特性的三維模型

把流體(ti) 材料的這些本質特征組合可以形成另一個(ge) 三維度的質構模型，見圖4三個(ge) 維度分別為(wei) 稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或流動行為(wei) 指數n)(Flow behaviour index)。三個(ge) 維度的六個(ge) 末端也可以用感官詞語來表達（見表2）。

表2. 流體(ti) 食品質構特性的三維模型說明

軟固體(ti) 的質構模型

上述的三維模型可以準確描述大部分固體(ti) 和流體(ti) 食品的質構特征，形成食品質構的空間分布圖，以準確區別不同食品的質構特征。但是如何處理軟固體(ti) 或半固體(ti) 食品，目前還沒有一個(ge) 好的辦法。軟固體(ti) 食品是非常廣泛的食品體(ti) 係，包含質構性質由形變程度起主導作用的軟固體(ti) （如麵包、饅頭、豆腐、果凍、凝膠類食品），和質構性質由形變速率起主導作用的軟固體(ti) （如酸奶和其他糊狀類食品）。如此廣泛差異的質構性質難以用一個(ge) 模型來形容，作為(wei) 一個(ge) 大致的方法，可以根據軟固體(ti) 食品的形變程度和形變速率的作用程度，決(jue) 定采用近似固體(ti) 處理或近似流體(ti) 處理。前者可以固體(ti) 食品的三維模型處理，而後者基本上可以參照流體(ti) 食品的質構模型來處理。

三維模型的局限性

本文提出的食品質構三維模型，突破了食品質構的傳(chuan) 統理論，但是模型的應用仍有一定的局限性。首先，食品質構三維模型隻能適用於(yu) 均相的食品體(ti) 係，對於(yu) 多相混雜的食品（例如夾心餅幹等），其質構特征則應該分相描述。第二，三維質構模型亦不能描述一些與(yu) 分散體(ti) 係相關(guan) 的質構性質。分散體(ti) 係食品常常包含分散顆粒，雖為(wei) 均相分布，但是這些分散顆粒除了影響整體(ti) 材料性質外，還會(hui) 帶來一些與(yu) 顆粒相關(guan) 的特殊的質構口感特征，如顆粒感、粉感等。另外，食品質構的三維模型也不包括因食物入口後與(yu) 唾液相互作用而產(chan) 生成分或微結構變化因而引起的質構特征，如澀感、滑溜感等。

食品質構數字化

食品質構分析雖然已經有如流變儀(yi) 、質構儀(yi) 等一些成熟的測量技術，但是流變儀(yi) 測量的結果往往因其過於(yu) 基礎性，缺乏與(yu) 質構口感性質的直接對應，而不被食品工業(ye) 所接受。而食品質構儀(yi) 測量隻能是相對的測量，很大程度上隻是定性測量，其測量的方式和測量的結果缺乏明確的標準，各實驗室之間的質構分析結果無法直接比較。zui明顯的例子是文獻上廣泛報道的所謂的質構剖析分析法(Texture Profile Analysis, TPA)，存在明顯的缺陷和被嚴(yan) 重誤用的情況。我們(men) 試圖從(cong) 食品材料的形變原理出發，揭示食品質構性質和感官的食品材料學本質。食品質構三維模型的zui大優(you) 點是可以將各類食品材料進行可比較的量化分析，從(cong) 而建立食品體(ti) 係的質構三維譜圖分布，區分各食品之間的微妙的質構差異，為(wei) 建立食品質構數字化體(ti) 係提供了可靠的理論依據。

原文由英國諾丁漢大學Andrew Rosenthal博士（第一作者）與(yu) 浙江工商大學陳建設教授（通訊作者）合作完成，發表在Journal of Texture Studies，54卷，第4期。本文根據原文重新整理寫(xie) 作，有些地方對原文稍有修改。

致謝：本文寫(xie) 作過程中，馬添先生提出許多建設性的建議。