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

更新時間：2023-07-27

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食品質構或質構性質不僅直接關系到食品的口感，也顯著影響食物在口腔中的風味釋放與體驗。過去數十年中，食品工業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面，都還存在許多問題，無法準確解釋消費者質構感官背后的復雜物理學原理，也不能很好滿足食品工業質量控制的需求。

食品質構分析的難點在于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食品材料物性相關的且能被消費者感知的一系列性質的統稱，包含很多復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。

基于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英國諾丁漢大學Andrew Rosenthal 博士合作，從食品材料學和物性學原理出發，提出了食品質構三維模型，并以此準確量化不同食品的質構特征。這個新模型的提出，使得建立食品質構譜圖成為可能，也為數字化時代將傳統的食品質構的感官詞語描述轉變為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，將其分為三大類：固體食品，軟（半）固體食品，流體食品。固體食品泛指那些可以抗拒重力并具有特定形態且不易形變的食品，可分為干固體食品（如餅干、堅果、硬果糖等）和濕固體食品（如蘋果、梨等）。當外應力超出其屈服閾值時，固體食品會直接斷裂或脆裂。流體食品是指那些無法抗拒重力并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形態，極微小的應力就可引起顯著的形變。軟固體則介于兩者之間，可抗拒重力并保持一定的形態，但在弱外應力作用下產生形變，并最終破裂。

固體食品的三維質構模型

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圖1. 固體食品形變時應力與應變之間的典型關系

食品的質構性質本質上是食品形變特征的口腔感受，與食品的材料性質直接相關。而對于不同的食品材料，形變的內在決定因素有著很大的區別。對于固體食品，其形變程度與形變所需的能量是兩個最重要的物理變量，也直接為消費者所感知。很幸運的是，這兩個物理變量都有準確的物理定義并可以被客觀的量化測量。圖1所示既是固體食品的應力與形變之間的關系，而形變所需的能量（或所作的功）則為應力與形變距離的乘積，表現為應力線下方的面積。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強(Strong)或弱(Weak)。圖1中的四條直線表現為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，固體食品的質構性質除了其形變程度與形變能量外，還有一項非常重要的體驗是其破碎程度。基于這樣的思考，我們將固體食品的質構性質用三個維度來量化描述：強度(Strength)，硬度(Hardness)，破碎度(Brittleness)。維度的六個終端分別用六個熟悉的感官用語予以錨定：強度維度分別為強(Strong)和弱(Weak)，硬度維度分別為硬（Hard)和軟(Soft)，破碎維度分別為易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)（見圖2）。據此，可以根據三個維度的量化數值把固體食品分為八個類別，其質構特征描述見表1。

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圖2. 固體食品材料質構特性的三維模型

表1. 一些典型固體食品質構特征的三維分布

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表1中三個維度變量中，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后的顆粒大小分布或破碎前后的總表面積相比來量化，不具量綱。

流體食品的質構模型

與固體食品不同，流體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現流體食品在外應力作用下產生形變的速度或速率，直接影響材料形變過程中材料內部的能量狀況，是儲存于材料內部還是通過其他形式（如熱能）耗散。

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圖3. 流體食品剪切流動時的剪切應力與剪切速率之間的幾種典型關系

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

雖然上述的流變行為能準確描述流體食品形變的基本行為或所需外應力（能量）的關系，但是卻不能顯示外應力形變后的能量儲存與耗散的情況。這一點對于流體食品非常重要，關系到流體食品在外應力消失后，是否能夠彈性恢復原來的形狀。這個性質在流變學中稱為黏彈性，并可以用大形變振幅方法來準確測量。wanquan彈性或wanquan黏性是它的兩個ji端情況：前者意味著流體會像彈簧一樣儲存形變時的所有外加能量，當外力取消后，流體能wanquan恢復到原來狀態（零度相角)，后者則指流體像水一樣，不具任何能量儲存能力，所有外加的形變能量都會因分子或顆粒摩擦被轉變為熱能并耗散（相角90度)。大部分流體食品即有一定的彈性也有一定的黏性，相角介于0⁰ – 90⁰之間。一般以45度相角為黏彈性的切分點，小于45度彈性為主，大于45度則黏性為主。

當然，流體食品黏彈性的表征稍顯復雜，它與形變速率或頻率直接相關。一般情況下，當形變振幅的頻率增加時，流體食品的彈性傾向加強；而當形變振幅的頻率降低時，流體食品的黏性性質會更加突出。

圖4. 流體食品質構特性的三維模型

把流體材料的這些本質特征組合可以形成另一個三維度的質構模型，見圖4三個維度分別為稠度（Thickness, Consistency)，黏彈性(Viscoelasticity)，切稀切稠性（或流動行為指數n)(Flow behaviour index)。三個維度的六個末端也可以用感官詞語來表達（見表2）。

表2. 流體食品質構特性的三維模型說明

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軟固體的質構模型

上述的三維模型可以準確描述大部分固體和流體食品的質構特征，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或半固體食品，目前還沒有一個好的辦法。軟固體食品是非常廣泛的食品體系，包含質構性質由形變程度起主導作用的軟固體（如面包、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（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模型來形容，作為一個大致的方法，可以根據軟固體食品的形變程度和形變速率的作用程度，決定采用近似固體處理或近似流體處理。前者可以固體食品的三維模型處理，而后者基本上可以參照流體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，食品質構三維模型只能適用于均相的食品體系，對于多相混雜的食品（例如夾心餅干等），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分散體系相關的質構性質。分散體系食品常常包含分散顆粒，雖為均相分布，但是這些分散顆粒除了影響整體材料性質外，還會帶來一些與顆粒相關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后與唾液相互作用而產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、質構儀等一些成熟的測量技術，但是流變儀測量的結果往往因其過于基礎性，缺乏與質構口感性質的直接對應，而不被食品工業所接受。而食品質構儀測量只能是相對的測量，很大程度上只是定性測量，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重誤用的情況。我們試圖從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大優點是可以將各類食品材料進行可比較的量化分析，從而建立食品體系的質構三維譜圖分布，區分各食品之間的微妙的質構差異，為建立食品質構數字化體系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作，有些地方對原文稍有修改。

致謝：本文寫作過程中，馬添先生提出許多建設性的建議。