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浙江工商大学食品口腔加工团队:食品质构新模型与质构表征数字化

更新时间:2023-07-27点击次数:518


食品质构或质构性质不仅直接关系到食品的口感,也显著影响食物在口腔中的风味释放与体验。过去数十年中,食品工业和食品科学界一直致力建立可行的食品质构性质评测的客观方法,虽然取得了许多进展,但是无论在食品质构理论还是食品质构的分析测量技术方面,都还存在许多问题,无法准确解释消费者质构感官背后的复杂物理学原理,也不能很好满足食品工业质量控制的需求。

食品质构分析的难点在于其多维度和多尺度共存的本质特点。食品质构性质实质上是与食品材料物性相关的且能被消费者感知的一系列性质的统称,包含很多复杂且微妙变化的质构属性,其相对应的材料学性质具有多重与动态的特征。因此很难期待用单一的方法来描述或测量食品的质构特性和质构感官。

基于食品质构的多维性原理,浙江工商大学食品口腔加工实验室陈建设教授与英国诺丁汉大学Andrew Rosenthal 博士合作,从食品材料学和物性学原理出发,提出了食品质构三维模型,并以此准确量化不同食品的质构特征。这个新模型的提出,使得建立食品质构谱图成为可能,也为数字化时代将传统的食品质构的感官词语描述转变为数字化描述提供了理论依据。


食品的材料分类

食品的分类有很多种方法,最常见的是依据食品的形态,将其分为三大类:固体食品,软(半)固体食品,流体食品。固体食品泛指那些可以抗拒重力并具有特定形态且不易形变的食品,可分为干固体食品(如饼干、坚果、硬果糖等)和湿固体食品(如苹果、梨等)。当外应力超出其屈服阈值时,固体食品会直接断裂或脆裂。流体食品是指那些无法抗拒重力并不具自我形态的可自由流动的食品,这类食品以其装载的容器的形态为形态,极微小的应力就可引起显著的形变。软固体则介于两者之间,可抗拒重力并保持一定的形态,但在弱外应力作用下产生形变,并最终破裂。


固体食品的三维质构模型

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1. 固体食品形变时应力与应变之间的典型关系


食品的质构性质本质上是食品形变特征的口腔感受,与食品的材料性质直接相关。而对于不同的食品材料,形变的内在决定因素有着很大的区别。对于固体食品,其形变程度与形变所需的能量是两个最重要的物理变量,也直接为消费者所感知。很幸运的是,这两个物理变量都有准确的物理定义并可以被客观的量化测量。图1所示既是固体食品的应力与形变之间的关系,而形变所需的能量(或所作的功)则为应力与形变距离的乘积,表现为应力线下方的面积。一般可以根据食品形变所需的应力大小将食品材料大致分为硬(Hard)或软(Soft),而根据形变所需的能量大小则可将食品材料分为强(Strong)或弱(Weak)。图1中的四条直线表现为四种典型的食品材料:(a)硬且弱(Hard and weak), (b) 硬且强(Hard and strong), (c)软且弱(Soft and weak), (d)软且强(Soft and strong)

当然,固体食品的质构性质除了其形变程度与形变能量外,还有一项非常重要的体验是其破碎程度。基于这样的思考,我们将固体食品的质构性质用三个维度来量化描述:强度(Strength),硬度(Hardness),破碎度(Brittleness)。维度的六个终端分别用六个熟悉的感官用语予以锚定:强度维度分别为强(Strong)和弱(Weak),硬度维度分别为硬(Hard)和软(Soft),破碎维度分别为易碎性(Brittle)和可塑性(Plastic)(见图2)。据此,可以根据三个维度的量化数值把固体食品分为八个类别,其质构特征描述见表1

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2. 固体食品材料质构特性的三维模型


1. 一些典型固体食品质构特征的三维分布

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1中三个维度变量中,强度具有能量单位(Pa.m或者J),硬度可用最大形变时的应力来表示,具有应力单位(Pa,而破碎度可用破碎前后的颗粒大小分布或破碎前后的总表面积相比来量化,不具量纲。


流体食品的质构模型

与固体食品不同,流体食品形变时除了其形变程度和形变所需能量外,其形变所需的时间也是极其重要的参考参数。单位时间的形变程度体现流体食品在外应力作用下产生形变的速度或速率,直接影响材料形变过程中材料内部的能量状况,是储存于材料内部还是通过其他形式(如热能)耗散。

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3. 流体食品剪切流动时的剪切应力与剪切速率之间的几种典型关系


3给出了流体材料的形变关系,对比图1的固体材料形变,其横坐标的形变程度已为形变速率(定义为单位时间的形变量)所替代。不同的流体材料表现为非常不同的应力与形变速率的关系,如牛顿流体,剪切切稀流体,剪切切稠流体,触变性流体等。

虽然上述的流变行为能准确描述流体食品形变的基本行为或所需外应力(能量)的关系,但是却不能显示外应力形变后的能量储存与耗散的情况。这一点对于流体食品非常重要,关系到流体食品在外应力消失后,是否能够弹性恢复原来的形状。这个性质在流变学中称为黏弹性,并可以用大形变振幅方法来准确测量。wanquan弹性或wanquan黏性是它的两个ji端情况:前者意味着流体会像弹簧一样储存形变时的所有外加能量,当外力取消后,流体能wanquan恢复到原来状态(零度相角),后者则指流体像水一样,不具任何能量储存能力,所有外加的形变能量都会因分子或颗粒摩擦被转变为热能并耗散(相角90)。大部分流体食品即有一定的弹性也有一定的黏性,相角介于00 – 900之间。一般以45度相角为黏弹性的切分点,小于45度弹性为主,大于45度则黏性为主。

当然,流体食品黏弹性的表征稍显复杂,它与形变速率或频率直接相关。一般情况下,当形变振幅的频率增加时,流体食品的弹性倾向加强;而当形变振幅的频率降低时,流体食品的黏性性质会更加突出。

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4. 流体食品质构特性的三维模型


把流体材料的这些本质特征组合可以形成另一个三维度的质构模型,见图4三个维度分别为稠度(Thickness, Consistency),黏弹性(Viscoelasticity),切稀切稠性(或流动行为指数n)(Flow behaviour index)。三个维度的六个末端也可以用感官词语来表达(见表2)。

2. 流体食品质构特性的三维模型说明

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软固体的质构模型

上述的三维模型可以准确描述大部分固体和流体食品的质构特征,形成食品质构的空间分布图,以准确区别不同食品的质构特征。但是如何处理软固体或半固体食品,目前还没有一个好的办法。软固体食品是非常广泛的食品体系,包含质构性质由形变程度起主导作用的软固体(如面包、馒头、豆腐、果冻、凝胶类食品),和质构性质由形变速率起主导作用的软固体(如酸奶和其他糊状类食品)。如此广泛差异的质构性质难以用一个模型来形容,作为一个大致的方法,可以根据软固体食品的形变程度和形变速率的作用程度,决定采用近似固体处理或近似流体处理。前者可以固体食品的三维模型处理,而后者基本上可以参照流体食品的质构模型来处理。

 

三维模型的局限性

本文提出的食品质构三维模型,突破了食品质构的传统理论,但是模型的应用仍有一定的局限性。首先,食品质构三维模型只能适用于均相的食品体系,对于多相混杂的食品(例如夹心饼干等),其质构特征则应该分相描述。第二,三维质构模型亦不能描述一些与分散体系相关的质构性质。分散体系食品常常包含分散颗粒,虽为均相分布,但是这些分散颗粒除了影响整体材料性质外,还会带来一些与颗粒相关的特殊的质构口感特征,如颗粒感、粉感等。另外,食品质构的三维模型也不包括因食物入口后与唾液相互作用而产生成分或微结构变化因而引起的质构特征,如涩感、滑溜感等。

 

食品质构数字化

食品质构分析虽然已经有如流变仪、质构仪等一些成熟的测量技术,但是流变仪测量的结果往往因其过于基础性,缺乏与质构口感性质的直接对应,而不被食品工业所接受。而食品质构仪测量只能是相对的测量,很大程度上只是定性测量,其测量的方式和测量的结果缺乏明确的标准,各实验室之间的质构分析结果无法直接比较。zui明显的例子是文献上广泛报道的所谓的质构剖析分析法(Texture Profile Analysis, TPA),存在明显的缺陷和被严重误用的情况。我们试图从食品材料的形变原理出发,揭示食品质构性质和感官的食品材料学本质。食品质构三维模型的zui大优点是可以将各类食品材料进行可比较的量化分析,从而建立食品体系的质构三维谱图分布,区分各食品之间的微妙的质构差异,为建立食品质构数字化体系提供了可靠的理论依据。

 

原文由英国诺丁汉大学Andrew Rosenthal博士(第一作者)与浙江工商大学陈建设教授(通讯作者)合作完成,发表在Journal of Texture Studies54卷,第4。本文根据原文重新整理写作,有些地方对原文稍有修改。

 

致谢:本文写作过程中,马添先生提出许多建设性的建议。



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