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當前(qián)位(wèi)置：首頁(yè)技(jì)術(shù)文章(zhāng)浙(zhè)江(jiāng)工(gōng)商(shāng)大學食品(pǐn)口腔加(jiā)工團隊(duì)：食品質構新模型與質(zhì)構(gòu)表征數(shù)字化(huà)

浙江(jiāng)工(gōng)商大學食(shí)品(pǐn)口(kǒu)腔加工(gōng)團隊(duì)：食品質構新(xīn)模型與(yǔ)質(zhì)構表(biǎo)征數字化

更(gēng)新時間(jiān)：2023-07-27

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食品質構(gòu)或質構性(xìng)質不(bù)僅直接(jiē)關係到食品的口感，也(yě)顯(xiǎn)著影(yǐng)響食(shí)物(wù)在(zài)口(kǒu)腔中的(dí)風(fēng)味(wèi)釋放與(yǔ)體(tǐ)驗。過去數十年中，食品(pǐn)工(gōng)業(yè)和(hé)食(shí)品(pǐn)科(kē)學(xué)界一(yī)直(zhí)致力建立(lì)可行的食品質(zhì)構(gòu)性質評測的客觀方法(fǎ)，雖(suī)然取(qǔ)得了許(xǔ)多(duō)進展(zhǎn)，但是(shì)無論在食品質構(gòu)理(lǐ)論還(huán)是食品質(zhì)構的(dí)分析(xī)測量技(jì)術(shù)方麵，都還(huán)存在許(xǔ)多(duō)問題，無(wú)法(fǎ)準確解(jiě)釋消(xiāo)費者(zhě)質構(gòu)感(gǎn)官(guān)背後的復雜物理(lǐ)學(xué)原(yuán)理，也不(bù)能(néng)很(hěn)好滿足食品(pǐn)工業(yè)質量控製(zhì)的需(xū)求。

食(shí)品質(zhì)構分析的(dí)難(nán)點在(zài)於其(qí)多維(wéi)度和(hé)多(duō)尺度共(gòng)存(cún)的本(běn)質(zhì)特點。食品質構(gòu)性質(zhì)實質上是與食品材料(liào)物性(xìng)相(xiāng)關(guān)的且能被消費(fèi)者感知的一係(xì)列性質的統(tǒng)稱，包(bāo)含(hán)很(hěn)多復雜(zá)且(qiě)微(wēi)妙(miào)變化(huà)的質(zhì)構(gòu)屬性，其(qí)相對(duì)應的材(cái)料學性(xìng)質具有多重與(yǔ)動態(tài)的特(tè)征。因此很(hěn)難(nán)期(qī)待(dài)用(yòng)單(dān)一的方法來描(miáo)述(shù)或測(cè)量(liáng)食(shí)品(pǐn)的(dí)質構特性(xìng)和(hé)質(zhì)構感(gǎn)官。

基(jī)於食(shí)品(pǐn)質構的(dí)多(duō)維性原(yuán)理(lǐ)，浙江工商大學食(shí)品口腔(qiāng)加工(gōng)實驗(yàn)室(shì)陳建設(shè)教(jiào)授(shòu)與(yǔ)英國(guó)諾(nuò)丁漢大(dà)學Andrew Rosenthal 博士合(hé)作(zuò)，從食品(pǐn)材(cái)料(liào)學和物(wù)性學(xué)原理出(chū)發，提出了食品質構(gòu)三維(wéi)模型(xíng)，並(bìng)以(yǐ)此(cǐ)準確(què)量化(huà)不同食品(pǐn)的質構特(tè)征(zhēng)。這個(gè)新模型(xíng)的提出，使(shǐ)得(dé)建立食品(pǐn)質構(gòu)譜圖成為可能，也為數(shù)字化時(shí)代(dài)將傳(chuán)統的食品(pǐn)質構的感官詞語(yǔ)描述轉變(biàn)為數(shù)字(zì)化(huà)描述提供了(liǎo)理論依(yī)據。

食(shí)品的(dí)材料分類

食(shí)品(pǐn)的分(fēn)類有很多(duō)種方法，最常(cháng)見(jiàn)的是依(yī)據食(shí)品的形態，將其分(fēn)為(wéi)三(sān)大(dà)類(lèi)：固(gù)體食品，軟（半）固體食(shí)品，流(liú)體食品。固體食品(pǐn)泛(fàn)指那(nà)些可以(yǐ)抗拒(jù)重力並具(jù)有(yǒu)特(tè)定形態(tài)且(qiě)不易形變的(dí)食(shí)品，可分(fēn)為(wéi)幹固體(tǐ)食(shí)品（如餅(bǐng)幹，堅果(guǒ)，硬果糖(táng)等(děng)）和濕(shī)固(gù)體食(shí)品（如蘋果，梨等(děng)）。當外(wài)應(yīng)力超出(chū)其(qí)屈(qū)服(fú)閾(yù)值(zhí)時，固(gù)體(tǐ)食(shí)品會直接斷(duàn)裂或脆(cuì)裂。流(liú)體食品(pǐn)是指那些無(wú)法(fǎ)抗拒重(zhòng)力並不(bù)具自我形(xíng)態的(dí)可自(zì)由流(liú)動的(dí)食品(pǐn)，這(zhè)類(lèi)食(shí)品(pǐn)以(yǐ)其裝載(zǎi)的容器的形(xíng)態為(wéi)形態，極(jí)微小(xiǎo)的(dí)應力(lì)就可(kě)引(yǐn)起顯著(zhù)的(dí)形變(biàn)。軟固體則介(jiè)於(yú)兩者之(zhī)間(jiān)，可(kě)抗拒重力並保(bǎo)持一定(dìng)的(dí)形態，但(dàn)在(zài)弱外應力作用(yòng)下產(chǎn)生形變，並最終(zhōng)破(pò)裂。

固(gù)體食品(pǐn)的三(sān)維質構(gòu)模型

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圖1. 固(gù)體食品形變時(shí)應力與(yǔ)應變(biàn)之間的(dí)典型關係

食品(pǐn)的質構(gòu)性(xìng)質(zhì)本(běn)質(zhì)上(shàng)是食品形變(biàn)特(tè)征(zhēng)的(dí)口(kǒu)腔(qiāng)感受，與(yǔ)食品(pǐn)的材料(liào)性質(zhì)直接相(xiāng)關(guān)。而(ér)對於不同(tóng)的食品材料，形(xíng)變的內在決(jué)定(dìng)因(yīn)素有著很大(dà)的區別(bié)。對(duì)於固體(tǐ)食(shí)品，其形變程度與形變(biàn)所(suǒ)需(xū)的(dí)能(néng)量是兩個最重要(yào)的物(wù)理(lǐ)變(biàn)量，也直接(jiē)為消(xiāo)費者(zhě)所感知。很(hěn)幸運的(dí)是，這(zhè)兩個(gè)物理變量(liáng)都有準(zhǔn)確的物理(lǐ)定(dìng)義(yì)並(bìng)可以(yǐ)被(bèi)客觀的量化測(cè)量。圖1所示既是固(gù)體食(shí)品的(dí)應力(lì)與形(xíng)變之間的(dí)關(guān)係，而形(xíng)變所(suǒ)需(xū)的(dí)能(néng)量（或(huò)所作的(dí)功）則(zé)為(wéi)應力與形變距離的乘積(jī)，表(biǎo)現(xiàn)為應力(lì)綫下方(fāng)的(dí)麵(miàn)積。一般可(kě)以根(gēn)據食(shí)品(pǐn)形(xíng)變所需的應(yīng)力(lì)大(dà)小(xiǎo)將食品(pǐn)材(cái)料大致分為(wéi)硬(Hard)或軟(ruǎn)(Soft)，而根(gēn)據形變所需(xū)的(dí)能量(liáng)大小則可將食(shí)品材料分(fēn)為強(qiáng)(Strong)或弱(Weak)。圖1中(zhōng)的(dí)四條(tiáo)直綫(xiàn)表現(xiàn)為(wéi)四種典型(xíng)的(dí)食品材(cái)料：(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬(yìng)且強(Hard and strong), (c)軟(ruǎn)且(qiě)弱(Soft and weak), (d)軟且(qiě)強(Soft and strong)。

當(dāng)然，固(gù)體食品(pǐn)的質構性(xìng)質(zhì)除(chú)了其(qí)形變程度(dù)與形變(biàn)能(néng)量(liáng)外，還有一(yī)項非常(cháng)重(zhòng)要(yào)的體驗是(shì)其破碎程度。基(jī)於(yú)這(zhè)樣(yàng)的思考，我們將(jiāng)固體食品的質(zhì)構性(xìng)質用三個(gè)維(wéi)度(dù)來(lái)量化描述：強度(Strength)，硬(yìng)度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維(wéi)度的(dí)六個(gè)終端分(fēn)別用(yòng)六個(gè)熟悉(xī)的(dí)感官(guān)用語予以錨(máo)定：強(qiáng)度(dù)維度分別為強(qiáng)(Strong)和弱(ruò)(Weak)，硬度維(wéi)度(dù)分別(bié)為硬(yìng)（Hard)和軟(ruǎn)(Soft)，破碎維度(dù)分(fēn)別(bié)為易碎(suì)性(Brittle)和可(kě)塑性(xìng)(Plastic)（見圖2）。據此(cǐ)，可以根據(jù)三個(gè)維(wéi)度的(dí)量化(huà)數值(zhí)把固體(tǐ)食品分為(wéi)八個類別(bié)，其質構特征描(miáo)述見表1。

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圖2. 固體(tǐ)食品(pǐn)材料質構(gòu)特(tè)性的(dí)三維模型

表1. 一(yī)些典型(xíng)固(gù)體(tǐ)食(shí)品質構(gòu)特征(zhēng)的(dí)三維(wéi)分布

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表(biǎo)1中三(sān)個維度變(biàn)量中，強度具(jù)有能(néng)量單(dān)位(wèi)（Pa.m或(huò)者(zhě)J），硬(yìng)度可(kě)用最大形(xíng)變(biàn)時(shí)的(dí)應力(lì)來(lái)表示，具(jù)有應(yīng)力單(dān)位（Pa）,而破(pò)碎度可用(yòng)破(pò)碎前後的(dí)顆粒大小分布(bù)或(huò)破(pò)碎前後的總(zǒng)表麵積相(xiāng)比(bǐ)來(lái)量化，不具(jù)量綱(gāng)。

流體食品(pǐn)的質構模型(xíng)

與固體食品(pǐn)不(bù)同，流體食品形變(biàn)時(shí)除了其(qí)形(xíng)變(biàn)程度(dù)和(hé)形變(biàn)所需(xū)能(néng)量外(wài)，其形變(biàn)所需(xū)的時(shí)間也是(shì)極(jí)其(qí)重(zhòng)要的(dí)參考參數(shù)。單位(wèi)時(shí)間(jiān)的形(xíng)變程度(dù)體(tǐ)現流(liú)體(tǐ)食品在外應(yīng)力(lì)作用(yòng)下產生(shēng)形(xíng)變的速(sù)度或速率，直接影響(xiǎng)材料形(xíng)變過(guò)程(chéng)中材料內部的(dí)能量(liáng)狀(zhuàng)況(kuàng)，是(shì)儲存於材(cái)料內部(bù)還是通過(guò)其他(tā)形式（如熱能）耗散(sàn)。

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圖(tú)3. 流(liú)體(tǐ)食品(pǐn)剪(jiǎn)切(qiē)流(liú)動時的(dí)剪切應力與剪切速率之間(jiān)的幾種典(diǎn)型(xíng)關(guān)係

圖3給(gěi)出了流體(tǐ)材料(liào)的(dí)形變關(guān)係(xì)，對比(bǐ)圖1的固(gù)體(tǐ)材(cái)料(liào)形變，其(qí)橫坐(zuò)標的形變程度已(yǐ)為(wéi)形(xíng)變(biàn)速率（定義(yì)為單位時(shí)間的形(xíng)變量）所(suǒ)替代。不同(tóng)的流體材料(liào)表現(xiàn)為非常不(bù)同的(dí)應(yīng)力(lì)與(yǔ)形變速率(shuài)的(dí)關係(xì)，如牛頓流體，剪切切(qiē)稀(xī)流體，剪(jiǎn)切(qiē)切稠流體，觸變性(xìng)流體等。

雖然(rán)上述的流(liú)變行為能準確描述流(liú)體食品(pǐn)形變(biàn)的基(jī)本行為或所需外(wài)應(yīng)力（能量(liáng)）的(dí)關(guān)係(xì)，但是卻(què)不(bù)能顯示(shì)外應力(lì)形(xíng)變(biàn)後(hòu)的(dí)能量儲存與(yǔ)耗(hào)散(sàn)的(dí)情況。這一點(diǎn)對(duì)於(yú)流體食品(pǐn)非常(cháng)重(zhòng)要(yào)，關係到流體(tǐ)食品(pǐn)在外(wài)應力(lì)消(xiāo)失(shī)後(hòu)，是(shì)否(fǒu)能夠彈(dàn)性恢(huī)復(fù)原來(lái)的形(xíng)狀。這個(gè)性(xìng)質在(zài)流(liú)變(biàn)學中稱為(wéi)黏彈(dàn)性，並(bìng)可以(yǐ)用(yòng)大形變(biàn)振幅(fú)方(fāng)法(fǎ)來(lái)準(zhǔn)確(què)測量(liáng)。wanquan彈性或wanquan黏(nián)性(xìng)是它(tā)的兩(liǎng)個(gè)ji端情況：前(qián)者意味著流(liú)體(tǐ)會(huì)像(xiàng)彈簧一(yī)樣儲存形(xíng)變(biàn)時(shí)的所(suǒ)有外加(jiā)能量，當外力(lì)取消(xiāo)後(hòu)，流體(tǐ)能wanquan恢(huī)復(fù)到原(yuán)來狀(zhuàng)態（零(líng)度相(xiāng)角(jiǎo))，後(hòu)者則指(zhǐ)流體(tǐ)像水一樣，不(bù)具(jù)任何(hé)能(néng)量儲存能(néng)力，所(suǒ)有外(wài)加的(dí)形(xíng)變能量(liáng)都會因(yīn)分子或(huò)顆(kē)粒(lì)摩擦(cā)被(bèi)轉變為熱能(néng)並耗散(sàn)（相角90度(dù))。大部(bù)分流(liú)體食品(pǐn)即有一(yī)定的(dí)彈性(xìng)也(yě)有一(yī)定(dìng)的黏(nián)性，相(xiāng)角介於0⁰ – 90⁰之間(jiān)。一般(bān)以(yǐ)45度(dù)相(xiāng)角(jiǎo)為(wéi)黏彈性(xìng)的(dí)切(qiē)分(fēn)點，小於45度彈性(xìng)為主(zhǔ)，大於(yú)45度則黏性為主。

當然(rán)，流(liú)體(tǐ)食(shí)品(pǐn)黏(nián)彈(dàn)性的表征稍顯復雜(zá)，它與形變速率或(huò)頻率(shuài)直(zhí)接相(xiāng)關(guān)。一(yī)般情況下，當形變(biàn)振幅(fú)的(dí)頻率(shuài)增加時，流體食(shí)品的(dí)彈(dàn)性傾(qīng)向加(jiā)強(qiáng)；而(ér)當形變振(zhèn)幅的頻(pín)率降低(dī)時，流體食(shí)品的黏性(xìng)性質會更加突出。

圖(tú)4. 流體食(shí)品質構特性(xìng)的三(sān)維(wéi)模型(xíng)

把流(liú)體材料的(dí)這些本質特征組(zǔ)合(hé)可以(yǐ)形(xíng)成(chéng)另(lìng)一個三(sān)維度(dù)的質構模(mó)型，見圖4三個(gè)維(wéi)度分(fēn)別為稠(chóu)度(dù)（Thickness, Consistency)，黏彈性(xìng)(Viscoelasticity)，切(qiē)稀(xī)切(qiē)稠性(xìng)（或(huò)流動行(háng)為(wéi)指數n)(Flow behaviour index)。三(sān)個維度的(dí)六個末端也(yě)可以用感(gǎn)官詞(cí)語來(lái)表達（見表(biǎo)2）。

表2. 流體(tǐ)食(shí)品質構特性(xìng)的(dí)三維(wéi)模(mó)型說(shuō)明(míng)

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軟(ruǎn)固體的質構(gòu)模型

上(shàng)述的三(sān)維(wéi)模(mó)型可(kě)以(yǐ)準(zhǔn)確描(miáo)述大(dà)部(bù)分固(gù)體(tǐ)和流體食(shí)品的(dí)質(zhì)構特(tè)征，形成(chéng)食品(pǐn)質構的(dí)空(kōng)間分布圖，以準(zhǔn)確(què)區(qū)別不(bù)同(tóng)食品的(dí)質構特征。但是如(rú)何處(chǔ)理(lǐ)軟固(gù)體或(huò)半(bàn)固(gù)體食品(pǐn)，目前還沒有(yǒu)一個好的辦法。軟(ruǎn)固體食品是非常廣(guǎng)泛(fàn)的食品體(tǐ)係，包(bāo)含質構(gòu)性質由(yóu)形變(biàn)程度起(qǐ)主(zhǔ)導(dǎo)作用的軟固體(tǐ)（如麵(miàn)包，饅頭，豆腐，果凍，凝(níng)膠類食(shí)品(pǐn)），和質構性質由(yóu)形變速率起主導(dǎo)作(zuò)用的軟(ruǎn)固體(tǐ)（如酸(suān)奶(nǎi)和(hé)其(qí)他糊狀類食品(pǐn)）。如此廣泛差異(yì)的質構性質(zhì)難(nán)以用(yòng)一個模(mó)型來(lái)形(xíng)容，作為一(yī)個大致(zhì)的方(fāng)法(fǎ)，可(kě)以根據(jù)軟固體食品(pǐn)的形(xíng)變(biàn)程度和(hé)形(xíng)變速(sù)率(shuài)的作(zuò)用(yòng)程(chéng)度(dù)，決定采用近(jìn)似固(gù)體處(chǔ)理(lǐ)或(huò)近(jìn)似(sì)流體(tǐ)處理(lǐ)。前(qián)者可(kě)以(yǐ)固體(tǐ)食品的三維(wéi)模型(xíng)處理(lǐ)，而後者基(jī)本(běn)上可以(yǐ)參(cān)照(zhào)流(liú)體食(shí)品的質構(gòu)模型(xíng)來(lái)處(chǔ)理(lǐ)。

三維(wéi)模型的局限性

本(běn)文提出(chū)的食品質(zhì)構三維(wéi)模型，突破了(liǎo)食品(pǐn)質(zhì)構(gòu)的(dí)傳(chuán)統(tǒng)理(lǐ)論，但是(shì)模型(xíng)的(dí)應用仍(réng)有(yǒu)一(yī)定的局(jú)限性(xìng)。首先，食品質(zhì)構三維模型隻能(néng)適用(yòng)於(yú)均相(xiāng)的(dí)食(shí)品(pǐn)體(tǐ)係，對於多相(xiāng)混(hùn)雜的食(shí)品（例如夾心(xīn)餅幹等），其質構(gòu)特征(zhēng)則應該(gāi)分(fēn)相描(miáo)述(shù)。第二，三(sān)維(wéi)質構(gòu)模(mó)型亦(yì)不能描述(shù)一(yī)些與分(fēn)散體(tǐ)係相關(guān)的(dí)質構性質(zhì)。分(fēn)散體係(xì)食品常(cháng)常(cháng)包(bāo)含分(fēn)散顆粒，雖(suī)為均相分(fēn)布，但是這些(xiē)分散(sàn)顆粒(lì)除(chú)了(liǎo)影(yǐng)響整體(tǐ)材料性(xìng)質外(wài)，還會(huì)帶來(lái)一(yī)些與顆(kē)粒相關(guān)的特殊(shū)的質(zhì)構口感特(tè)征，如顆(kē)粒(lì)感(gǎn)，粉感等。另外，食(shí)品(pǐn)質(zhì)構的(dí)三(sān)維模(mó)型也不(bù)包括因食物入(rù)口後與唾(tuò)液相(xiāng)互作(zuò)用(yòng)而產生成分或微結(jié)構變(biàn)化因而引起的(dí)質構特征(zhēng)，如(rú)澀(sè)感，滑(huá)溜(liū)感等。

食(shí)品質構(gòu)數字(zì)化

食(shí)品質構分(fēn)析雖(suī)然已經(jīng)有(yǒu)如流(liú)變(biàn)儀，質構(gòu)儀等一些(xiē)成(chéng)熟(shú)的測(cè)量(liáng)技術，但(dàn)是(shì)流變儀(yí)測量的(dí)結果往(wǎng)往(wǎng)因(yīn)其(qí)過(guò)於基礎(chǔ)性(xìng)，缺乏(fá)與質(zhì)構口感性(xìng)質的直接對應(yīng)，而不被食(shí)品工業所接(jiē)受。而食品(pǐn)質構(gòu)儀(yí)測量(liáng)隻(zhī)能(néng)是相(xiāng)對的測量，很(hěn)大程(chéng)度(dù)上(shàng)隻是定性(xìng)測量，其測量的方式(shì)和測量(liáng)的(dí)結果缺乏明(míng)確的標(biāo)準(zhǔn)，各實(shí)驗室(shì)之間的(dí)質(zhì)構(gòu)分析結果無法直接(jiē)比較。zui明(míng)顯的例子是文(wén)獻上(shàng)廣泛報(bào)道的所謂(wèi)的(dí)質(zhì)構(gòu)剖析分(fēn)析(xī)法(Texture Profile Analysis, TPA)，存(cún)在明(míng)顯的缺陷和(hé)被嚴(yán)重誤(wù)用(yòng)的情(qíng)況(kuàng)。我(wǒ)們試(shì)圖從(cóng)食品材料(liào)的(dí)形變(biàn)原(yuán)理(lǐ)出(chū)發，揭示食品質構(gòu)性(xìng)質和感官(guān)的食品(pǐn)材料學本質(zhì)。食(shí)品(pǐn)質(zhì)構三(sān)維(wéi)模型的zui大優點(diǎn)是(shì)可以將(jiāng)各(gè)類(lèi)食品(pǐn)材(cái)料進行(háng)可(kě)比較(jiào)的量化(huà)分析，從而建(jiàn)立(lì)食品體(tǐ)係(xì)的質構三(sān)維(wéi)譜圖(tú)分布(bù)，區分各食(shí)品之(zhī)間(jiān)的(dí)微(wēi)妙(miào)的質構(gòu)差異，為(wéi)建(jiàn)立(lì)食(shí)品(pǐn)質構(gòu)數字化體係(xì)提供(gōng)了可(kě)靠的理論依(yī)據(jù)。

原文(wén)由(yóu)英國諾(nuò)丁漢(hàn)大學Andrew Rosenthal博士(shì)（第一(yī)作(zuò)者(zhě)）與(yǔ)浙(zhè)江工(gōng)商(shāng)大學陳建設教授（通(tōng)訊作者）合作(zuò)完(wán)成(chéng)，發(fā)表(biǎo)在(zài)Journal of Texture Studies，54卷，第4期(qī)。本(běn)文根據原(yuán)文(wén)重新整(zhěng)理寫作(zuò)，有(yǒu)些地(dì)方(fāng)對原文稍有修(xiū)改。

致(zhì)謝(xiè)：本文(wén)寫作過程中(zhōng)，馬添先生(shēng)提(tí)出許多(duō)建(jiàn)設性的(dí)建議。