（1）食品结构概述：食品结构是什么？和质构之间有什么联系？

与质构不同，我认为“食品结构”更偏向于从材料性质的角度来研究食品，即把食品看做是一种物理，生物学和化学的结合。

食品结构对于食品的功能性来说至关重要。从食物材料特性的角度看，食品结构影响食品功能特性。我用下图表达了他们的关系（采用Chemdraw绘制）：

食物结构很重要，因为它直接关系到食物的质地和消费者对产品的印象。例如一种松脆和奶油状的食物，它们的这些特点都与食物结构直接相关。食品及食品原料的结构通常不均匀，它们可能包含气泡，乳液，其成分组成的不同也会导致结构的不同，酸奶中的水果块、肉中的大理石花纹、水或盐的浓度等。

在新产品开发期间，食品研发部门通常希望制作出特定质地的产品。为此，他们需要为食品制造一种特定的结构。另外，例如，在配方试验中，如果研发人员想要降低某种食品中的脂肪或糖含量，但是降低意味着其质地可能发生变化，所以为了保持先前产品相同的质地，研发人员需要从食品的结构角度来考虑。

食品结构的分析检测对于研究食物结构和随时间变化（比如，货架期）可能很有用，并且可以与感官评定相结合。例如，对于巧克力慕斯，它们可能起初体积较大，但随着时间的流逝，将会失去气泡结构，体积变小。还有不少的食品发生结构的变化和水分迁移有关，特别是在具有多种成分的产品中，尤其是水分含量高且其旁边非常干燥的成分。水分从高水分部分迁移到干燥部分，水分的迁移使其松脆、湿润，发生变化……

为了更好地了解食品的结构，还需要了解食品的尺寸大小（Length scales in foods）

根据Ubbink et al Soft Matter, 2008, 4 1569-1581这篇文献，可将其划分为下表

从结构上可以考虑许多食品在加工贮藏中的问题，并进行合理解释。

比如下图可可脂脂肪晶体，根据VP-SEM图像可以对其起霜的原因进行评估判定。再如下图中蛋黄酱的结构图像都是采用VP-SEM拍摄的。

图1 起霜巧克力(左)、蛋黄酱（右）的VP-SEM图像

Fig 1 VP-SEM image of “bloomed” chocolate and commercially produced mayonnaise

当然在食品领域研究结构的论文可谓数不尽，通过结构的表征对于后续的研究具有良好的推动作用，毕竟结构决定性质。那么测定食品结构有哪些方法呢？

（3）食品结构分析测定方法

食品结构的测定方法主要包括

1.扫描电镜和冷冻扫描电镜

Scanning Electron Microscopy、Cryo-SEM

常规扫描电镜的样品室为高真空(10-3Pa)环境，要求观察的食品干燥无挥发，例如，奶酪结构的研究中，采用扫描电子显微镜（SEM）可以获得简单二维（2-D）、原位三维（3-D）、动态四维（4-D）的显微图像。

而一些样品在干燥过程中会发生结构变化(如囊泡等自组装结构、凝胶、生物样品等)，致使无法观察其真实结构，低温冷冻扫描电镜(Cryo-SEM)可实现对液体、半液体及对电子束敏感食品的观察。例如，在下图苹果组织中，多糖类物质延伸穿过苹果组织的细胞间隙。

图2 冷冻破裂的苹果组织的Cryo-SEM图像

Fig 2 Cryo-SEM image of frozen, fractured apple tissue

2.环境扫描电镜、可变压扫描电镜

Environmental SEM (wet samples)、Variable Pressure SEM

环境扫描电镜（ESEM）是近年发展起来的新型扫描电镜。它与常规扫描电镜（SEM）的主要区别在：ESEM的样品室通入气体处于低真空的“环境”状态，根据气体电离及放大原理，非导体及含水食品可以不经表面喷涂处理（喷金或喷碳）就能直接观察。ESEM扩大了SEM的应用领域，随着ESEM的逐渐完善，有关应用EEM仪器的论文逐年增多。

而Variable Pressure SEM（VP-SEM）的强大优势在于可以进行动态研究，以SEM分辨率实时观察样品的变化。

图2 用VP-SEM在高倍率和高相对湿度下拍摄的新鲜西葫芦断裂面

Fig 2 Fracture face of fresh courgette previously imaged at high magnification and high relative humidity using VP-SEM.

3.环境扫描透射电镜

Environmental STEM (high resolution imaging of emulsions)

可以实现乳液的高分辨率成像

4.激光共聚焦显微镜

Confocal laser scanning microscopy

①激光共聚焦扫描显微镜技术可用于动态地观察食品在加工过程中的结构状态的变化及流变学特性等。

例如：利用CLSM可以检测到面筋蛋白结构的变化过程，并能观察面团醒发过程中特定添加剂在面团中的位置。还可以研究流态食品冻结过程中蛋白质的结构变化。

②利用CLSM可以用于研究食品组分的可混性，物理聚集和絮凝，相分离以及添加剂和加工条件等对结构的影响等。

③利用激光共聚焦扫描显微镜进行食品原料或成分的结构研究，对食品结构进行二维和三维的分层扫描，从而获得食品微观结构的形态及二维和三维量化指标等。

例如：通过CLSM扫描观察小麦、马铃薯、玉米等各种谷物淀粉颗粒，可以得到不同产地或不同加工工艺的谷物淀粉的微观结构，从而研究各种淀粉的结构与其性质的关系；利用CLSM研究果蔬的细胞结构，通过构造三维图片观察果蔬细胞的层次结构，进而研究果蔬贮藏过程中的性质及变化。使用激光共聚焦显微镜（CLSM）可获得二维光学图像片段再重建的图像，通过这种微观结构研究可评估奶酪制作过程中成分或技术因素的影响。

④利用CLSM研究食品蛋白凝胶体系中的蛋白聚集物凝胶的形成，分析其凝胶网络三维结构的差异，得出凝胶的微观结构特性，进一步分析食品的口感及功能特性差异。CLSM在研究各种凝胶的微观结构方面有独特的优势，尤其在各种动物蛋白凝胶体系中，CLSM能够获得具有高清晰微观结构的图片，因此在国外被广泛应用于肉制品蛋白或蛋白混合凝胶的结构及形成机理研究中。

5.高光谱成像

Hyperspectral Image

高光谱近红外成像系统可测量图像中每个像素的近红外光谱，从而能够测量脂肪和水分等化合物的分布。在针对给定产品应用进行校准之后，可以对测试样品进行快速定量测量，甚至实现在线测量。可以应用于绘制湿度分布图，研究烘焙的均匀性，或研究存储期间水分的迁移……这对于研究食品的结构也有一定的借鉴作用，可作为一种研究方法。

6. X射线显微计算机断层扫描

X-ray micro-CT

是一种用于表征食品结构的强大技术，它能够以小至1微米的分辨率对食品进行3D无损扫描，在电脑上生成图像，而无需进行任何破坏性的样品制备，并且可以对诸如气泡大小分布和内部产品尺寸之类的属性进行测量。应用包括表征零食，烘焙产品和糖果等多孔结构，以及对诸如塑料盖或异物泄漏等问题进行无损研究。

7.其他

现在越来越多的食品结构检测采用材料学科中的检测手段，例如原位力学试验（通常和电镜相结合）In situ mechanical testing(sample in native state)：通过扫描电镜观察食品的断裂过程，可以观察断裂起始点以及裂纹扩展情况，主要是原始缺口的扩展、缺口端部显微裂纹的形成与主裂纹的连接，微裂纹形态和分布。有助于对食品断裂机理进行进一步分析。除上述手段之外，去研究一些机械或者流变学性质（Mechanical/rheological properties），也都能够对食品的结构进行细致的分析。