食品的质构及其性质

陈 伟，陈建设

（浙江工商大学食品与生物工程学院 食品口腔加工实验室 杭州310018）

食品质构是一类食品感官性质的总称，是食品材料与结构性质的感官体现。食品的质构性质直接影响食品的口腔行为、风味释放和感官愉悦，在消费者对食品的喜好程度上起到十分重要的作用。食品质构的研究已有半个多世纪的历程，虽然取得了一系列的重大研究进展，但是食品质构的材料学本质与其实验室评判仍然存在许多困惑。本文总结了食品质构研究的进展，旨在为今后的相关研究提供理论参考。

1 食品质构的定义

在食品物性学研究中[1]，质构被描述成消费者对食品的入口、接触、咀嚼、吞咽产生的一系列综合感受，在消费者用语中普遍称之为口感，也称为食品质地。质构一词原意是指织物的编制组织、材料构成等情况[2]，最早由Matz 引入，用于食品感官质量的描述，之后便形成了一系列的定义和描述[3-7]（表1）。现在普遍认为食品质构是通过视觉、触觉和听觉等方式对食品的分子结构、微观结构、宏观结构的感官认知，而最具有价值并处于主导地位的信号来自于口腔的触觉感知[8-9]。

食品质构的本质是食品结构与材料性质的感官体现，受食品的组成成分、结构和状态的影响。有研究者认为同一个质构定义并不能完全描述全部食品质构性质，对于不同类别的食品，定义可能各有不同。总结上述的不同定义，食品质构有如下特点[7]：

1） 质构不是一个单一的特性，而是一组性质的总称；

2） 质构性质在宏观上具有力学特性，与其微结构性质直接相关；

3） 质构性质可用流变特性进行解释；

4） 质构性质可由手、眼和口腔加工感受；

5） 质构性质可由感官评价或者仪器测量分析进行定性或定量评测；

6） 质构性质是强度性质，可用特定的物理量来表达。

简而言之，食品质构来自其材料的物理特性，其性质特征可通过人的器官，如手的接触、眼的观察及口腔的加工而获得综合感受，可通过仪器分析和感官评价来进行数据获取与描述，从而对食品品质进行量化评判[10-12]。

2 质构性质的分类

1963年，Szczesniak[13]将食品的感官指标描述为客观上能够测定的指标，并对食品的质构进行分类，将食品质构的感官指标分成机械特性、几何特性和其它特性，见表2。

从表2中得知，硬度、内聚性、黏性、弹性和黏附性组成了机械特性的一次特性，而其相对应的二次特性（酥脆性、咀嚼性和胶黏性）则更加贴近生活的描述；粒子大小、形状和方向组成了几何特性，其它特性则有水分含量和脂肪含量。该表把能够通过客观方法测定的食品质构指标和各种食品质构的习惯性术语（更加贴近生活化的描述）进行了对比、总结和概述。硬度是指在仪器测定或者感官咀嚼固体食物时，断裂所需最大的力，对于凝胶类食物，亦可称之为韧性[14-15]；内聚性被认为是材料学特性，其材料学上的定义已经被认同，然而其感官和物理定义到目前还没有统一的认识，仍存在争议；黏性和弹性可统称为黏弹性，可用模量表示，绝对的黏性体大多表现在牛顿型液体中，将形变转换为流动，无储能；绝对的弹性体，如胡克定律弹簧，几乎把形变全部储存为能量。生活中所遇到的食物几乎都处于绝对黏性和绝对弹性之间；黏附性可指食物在测试或者感官咀嚼时，食物对测试探头或者口腔的吸附能力[14-15]；粒子大小、形状和方向会影响食品的视觉和微观结构；而水分含量和脂肪含量对食品的口腔行为具有重要影响，与口腔湿润感和油腻感直接相关。

表1 食品质构的定义Table 1 Definition of food texture

表2 参考样表Table 2 Reference sample

3 质构对于食品的重要性

随着消费者经济水平和生活质量的提高，人们对食品品质的要求也越来越高，而外观、营养、风味、质构是消费者时刻关注的重要品质[16]。当消费者在选购食品时，首先感知的是食品的外观，进食后品尝到食品的风味释放，同时也品尝到食品质构性质的口感，最后根据风味、质构、可接受度选择是否吞咽。

长期以来，食品研究者对食品的风味感官进行了大量研究，而食品质构感官的重要性却没有被很好的重视[17-18]。其实食品在口腔加工的时候，食品质构这一特性自始至终都有强烈体现。食品质构特性在微观上受食品组分以及组分间的相互作用影响，然而在宏观上却以物理特征为主。通过硬、软、脆、黏、滑溜等感官，能够大致判断出食品的一些品质，如新鲜度、成熟度等。众多研究结果表明，质构对于消费者判断食品品质来说具有一定的可靠性，例如：马铃薯片是否具有脆性，布丁是否具有细腻度等。因此，食品厂商若想消费者在食用产品时，产生舒适感和“美感”，必须大力加强对食品质构的研究，从而提高产品的市场竞争力。除了口感和愉悦感之外，食品质构的另一重要影响是饮食的安全，尤其是一些特殊人群和弱势群体（病人、老人、小孩、智障者等）。他们由于饮食吞咽能力下降，常出现呛咳，甚至窒息的危险，适当的食品质构是这些弱势人群进食安全的重要保证，是维持生活品质与健康的重要手段，同时也对食品营养、风味具有相辅相成的效果。

综上所知，对于一般消费者来说，食品质构的重要性至少体现在4 个方面：1） 口感和饮食愉悦感；2）风味的释放；3）食品营养成分的贮藏，以及在体内的释放、消化和吸收；4）食物的口腔行为与饮食安全[19]。

4 食品质构性质的分析与测量

食品质构是一个组合性质，在感官中，对于不同的食品和文化背景，体现为一系列的质构性质或质构参数。因而其分析或量化评判十分复杂。在这些方法中，除了一些经验式测量外，流变学分析是最为重要的基础分析，而质构仪则是最为普遍使用的模拟仪器。

4.1 流变学测量

流变学是研究物质流动和变形的科学，由美国化学家宾汉（E.C.Bingham）首次提出了流变学即“Rheology”的概念[6]。流动是变形的特例，即一种连续变形状态，只要有力的作用，并给足够长的时间去观察物质，它总是处于形变之中。因此，可以说流变学是研究力与形变之间的关系，研究应力和应变（应变速率）的关系。根据流体形变方式的不同，可分为剪切形变和拉伸形变，得出的就是剪切黏度和拉伸黏度。黏度和模量是最为常见的流变指标，在流体形变的表面上施加一个平行力，流体内垂直单元沿着相同的方向流动，层与层之间就会因为速度不同而产生相对位移，产生剪切形变，而剪切黏度是应力与应变速率的比值，指物质抵抗外力流动的能力，描述物质黏性的物理量，剪切黏度这一重要指标，现已广泛应用于英国、美国等发达国家的食品质构等级划分当中。拉伸形变则是在垂直的方向施加了拉长或压缩的力，流体单元会沿着力的方向移动，能量的损耗主要由流体单元之间的摩擦造成[20]。模量是应力与应变的比值，指物质储存形变并回复原状的能力，是描述物质黏弹性的物理量。对于大多数食品软物质来讲，其黏弹性和屈服应力是最重要的流变表征。

通常食品内部结构组成及组分间的相互作用决定了食品物质的流变特性，而流变特性通过微观结构影响着食品的质构特性。通过对食品流变学的研究，可以进一步了解食品的组织结构，从宏观上可认为是食品质构。流变学对食品质构有着重要意义[21]，是食品质构最基本的材料特性，可给出食品品质客观、定量化的评价，也为食品质构划分，改善产品品质提供基础依据。

4.2 质构仪的模拟法测量

质构仪主要包括机械装置、配套软件、矫正工具、各类探头及相关附件。通过机械装置对样品进行形变作用，在配套软件里会出现力对距离/时间的曲线图，可设置专门的程序对距离/时间、作用力两者进行结果分析。质构仪所反映的是与力学特性有关的食品质构性质，所得数据具有客观性，并可通过配套程序运行对结果进行数量化分析处理，避免了人为的主观揣测等因素影响[22-23]。

4.2.1 质构仪测量的主要方式 仪器法在实际食品质构测定中因其具有高可重复性，同时也可以更好的控制外界影响因素，而被普遍使用。德国科学家在1861年就构造出了世界上第一台食品质构测定仪，当时设计出来的目的是用来测定胶状物体的稳固程度[8，24-26]。1963年，Friedman 等[15]利用了质构仪的两次压缩法来模拟人体牙齿的两次咀嚼，并与计算机连接，通过特定配对软件界面输出质构测试曲线，从中可以分析质构特性参数，如硬度、黏附性、内聚性等，称此方法为全质构分析（Texture profile analysis，TPA）。在显示的质构测试曲线的基础上，Szczesniak 等[13，27]还对模拟消费者牙齿咀嚼曲线进行了相关解析，对质构轮廓分析图谱中的硬度、内聚性和黏附性给出量化的定义，以及对这些感官指标在图谱上进行描述定义，正如图1所示为在二次下压过程中，力与时间的变化规律。在TPA 分析法测试时，必须要标明相关设置的参数，最主要的是测试速度、测试距离、触发力等[28-29]。由于不同的参数设定，同一食品所测试的数据会存在较大差异，同时要保证每次测试样品的面积或体积恒定，因此试验人员一定要根据样品类型、探头类型等综合考量。在使用TPA模式时，也要注意以下4 点：1）样品具有一定的弹性（TPA 不适用于脆性食品，也不适用与流体食品）；2）测前、测中和侧后的速度尽量保持一致，设置时变化幅度不能过大；3） 形变比≥75%，由于TPA 测试属大变形破坏性测试，如果过小，样品就可能不会出现屈服现象，不能较好地反映样品两次压缩后内部结构及外观的变化；如果压缩过度，则会导致样品破损，不能反映试样的真实受压状态；4）探头面积大于样品面积，当探头的面积大于样品的面积时，探头就只对样品进行压缩试验，能够避免边角效应。应该指出的是，TPA 虽然在文献上有大量的报道，但是该方法的科学性仍有很大的异议。

图1 典型凝胶质构特征图谱Fig.1 Typical gel texture map

在质构仪的模式选择中，常用的有拉伸、压缩、穿刺、剪切、切割、挤压等方式[30]。拉伸试验：主要是沿轴向方向对食品进行拉伸形变，可以测量食品的拉伸强度，比较常见的测试食品如面条[31]，通俗讲不同嚼劲的面条，它们的拉伸强度不同。压缩试验：利用探头对食物进行下压的一个动作，TPA 实际上就是运用了2 次的压缩，然后根据图谱可以得出很多质构指标，常见的测试食品有凝胶[32]，用此法进行试验时，要求探头的面积要大于样品的面积，以达到消除探头边角效应的目的。穿刺试验形式简单，一般用小直径探头进行试验测试，可记录穿刺过程中最大力，果冻[33]是常见的测试食品。剪切试验一般是用2 片类似刀片的工具对样品进行垂直剪切，在剪切的过程中仪器可以记录剪切所用的力。挤压试验一般和注射器联用，可以通过观察注射器内样品流出的状态进行评判。弯曲折断试验一般是用具有一定厚度、表面光滑、类似刀片的工具垂直压缩样品，记录压缩过程中的线性位移，可测定样品的硬度和脆性。采用质构仪测试的结果可与感官评定进行相关性分析。

4.2.2 影响质构测量的因素 在食品质构测量过程中，温度、速度和样品的几何形状和大小等各种因素都影响着质构测量的准确性[34]。众所周知，温度对食品的质构影响很大，Bourne[35]定义了质构-温度系数（Texture-temperature coefficient，TTC）如公式（1）。

该公式表明温度每变化1 ℃食品质构性质所受影响的百分比，因此在做质构测试时，一定要严格控制温度，特别是一些含蛋白质、脂肪类高的食品，需要保持全程恒温。对于速度来说，在测试中常被称作穿刺速度或者压缩速度，这时会出现2种情况：1）对速度敏感，即不同速度对测试影响很大。Shama 等[36]通过对2 种类型的奶酪用不同速度进行测试比对，压缩速度在5 cm/min 和20 cm/min时，所测试的硬度结果截然不同，因此该类食品质构对压缩速度敏感。2）速度对食品质构指标没有影响。Thybo 等[37]对不同的土豆进行压缩试验，在20～1 000 mm/min 速度范围内，发现其并不受速度影响。Hecke 等[38]在10～50 mm/min 速度范围内，测量酥松食品的质构，其中弯曲度的检测结果几乎不变。对于样品大小而言，不同尺寸的样品的测试结果有很大差别，特别是在做TPA 试验时，一定要规范好样品的尺寸。影响食品质构的外界条件还包括：食品间的溶剂种类、食品内部的均一性等，都对食品质构起关键作用。

4.2.3 质构仪测量的质疑 质构仪所测得的质构性质缺乏严格的物理定义或物理意义。质构性质是强度性质，是一种材料的固有性质，它不会因食品尺寸、体积等因素变化而改变。然而，由质构仪测得的质构性质却受样品尺寸、体积等因素的影响，且在不同测试条件下，所给出的量化数值波动很大，这显然不符合强度性质的本质特征。因此，在同一样品测试时，必须给出特定的测量参数，这就给同一样品或不同样品的比较带来了困扰。文献中质构仪测量方法大都是一种模拟方法，方法定义不够完善，缺乏科学性，条件描述也较模糊，其所测结果只是相对值，无法做不同试验间的横向比较。质构仪虽然广泛应用，也受食品工业界的欢迎，其测量的科学性却仍存在质疑，学界也一直在探索如何使用简单的质构仪测试更具科学性的路径。

5 改变和调整食品质构性质的方法

虽然在实际生活中，一般消费者所摄取食品的质构范围很广，但是根据调查发现，不同个体，由于不同的成长环境、地域、文化背景和经济条件等，他们对不同类型质构食品有不一样的喜爱。通过食品加工和食品工艺、原材料配方可改变其质构，不同原材料的组合可以改善或改变食品原来的质构，可增加其食用和商品价值。工业上，可通过压榨、剪切、粉碎、混合和调湿等手段或者挤压膨化、高温变性、原材料组合反应和食品添加剂等手段，达到改变和调整食品质构的目的。生活中，消费者可通过将大块固体食品变成细颗粒状、高温软化等方法，或者将易流动性液体增稠，以便达到合适的食品质构。压榨、剪切、粉碎、混合和调湿等都为物理方法，是通过机械外力作用在产品或者原材料中；而挤压膨化、高温变性、原材料组合反应和食品添加剂等多为化学方法，是通过化学作用或者本身材料的化学反应来改变食品质构。在大多数产品形成过程中，都是综合经过了化学和物理的加工流程。最典型的例子[5]是小麦原始质构特性表现为硬度大、口感和消化吸收性能不好，通过加工制成面粉，面粉又可制成各种点心、面包等，完全改变了其原始质构性质，提供了更多的质构选择，更容易受消费者所的喜爱。面粉制成的面包比起小麦，具有更高的商品价值，同样某些水果，通过果汁、蜜饯等延伸周边产品，也能提高其可食用性，具有更大的消费者市场。又如饮料等流体食品中加入一些增稠剂或稳定剂，不仅可以延长货架稳定性，更重要的是可以显著改善其口感，以及口腔行为和吞咽的流动速度。

6 食品质构学在食品开发特别是特膳食品设计中的应用（饮食安全）

特膳食品是指为满足特殊的身体或生理状况和（或）满足某些疾病等状态下的特殊膳食要求，专门加工或配方的食品，不具备药品的治疗功能。调整食品质构是设计特膳食品的方法之一，它可以满足特殊人群安全吞咽的功能，因此食品质构除了可以提供饮食愉悦外，其另一重要作用是保证食品经口腔加工之后能够顺利转移进入胃腔，保证食品在这个过程中不误吸入肺部，不卡喉咙，是食品质构设计最重要的任务[39]。对于一些食品的质构特别是提供给特殊人群（如老人、小孩、吞咽障碍者以及对某类质构偏爱者）的食品，可以遵循以下2 条食品质构设计原则[40]：一为增加固体食品的可咀嚼性，使得特殊人群可以经过少量咀嚼即可达到顺利安全吞咽的条件；二为减缓流体食品的流动速度，使得特殊人群可以有足够的时间协调吞咽肌肉的收缩，及时把呼吸通道封闭，食物通道开启，以免呛食。对于固体食品，可以通过加工手段降低其弹性或硬度，提高咀嚼性，达到降低咀嚼难度的效果；对于液体食品，可以通过添加增稠剂，增加其黏稠度，促进液体成团，达到延缓吞咽时间的效果；对于软固体食品，一般认为是较易咀嚼吞咽，适合特殊人群食用。总之，通过降低固体食品的硬度、增加流体食品的黏度等一系列改变质构的方式，达到方便咀嚼，增加吞咽过程中的有效时间，可提高特殊人群品尝食品的愉悦感，达到更好的补充水分、补充能量和营养物质的目的[41-43]。因此改变固体食品的质构或者调整液体食品的黏度，有利于特殊人群的饮食安全，保证充分地摄取食物和水分，避免营养不良。因而食品质构对于食品开发，特别是特膳食品设计有着举足轻重的作用[12，44-45]。

7 总结

食品质构性质作为食品材料性质的感官表现，直接影响着消费者的饮食愉悦感和对产品的喜好。虽然食品的质构性质和口感在消费者实践中有许多丰富的描述，但是众多的质构描述仍无法进行科学的量化测量，其物理本质仍有待进一步研究。食品质构的口腔感知机理是另一个挑战性的问题，食物在口腔中的结构变化的物理学原理及其控制过程，以及口腔生理响应机理是食品愉悦感的关键所在。同时，口腔的质构感知与大脑的信息处理也是未来研究的重点发展领域之一。食品的质构性质与食品的营养成分一样是新食品开发的重要考虑因素，食品的质构体系是产品的外观表象、风味释放和营养效果的基础。