食品感官科學研究：挑戰與可能

陳建設，劉 源，師錦剛

（1.浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江 杭州 310018；2.上海交通大學農業與生物學院，上海 200240；3.伊比西（北京）植物藥物技術有限公司，北京 101111）

感官感知并非人類專屬，許多動物（或甚至一些植物）都有這樣的能力。動物對外部環境的感知常常事關生死，時時處在爭奪或逃逸的亢奮和恐懼之中，對環境稍有誤判，就可能遭遇生存危機。因此，動物的感知能力是其生存的最基本能力之一。而人類對外部世界的感官感知能力更是進化到幾近完美。人類不僅有齊全的五官系統，更具有無與倫比的大腦信息處理與認知能力。當然，人類某些感知能力也有不如動物的地方。就視覺而言，人類只能通過眼睛感知非常有限范圍的電磁波，即所謂的可見光，而無法像蝙蝠和海豚一樣利用超聲感知周圍的環境和進行定位，無法擁有蛇類的紅外圖像感知能力，不能像馴鹿一樣看到紫外線。但是，人類的5 個感覺器官已集成一套全方位、多維度、互相協調的精準感知系統，使人可以通過視覺感知外部世界的顏色、形態、距離，通過嗅覺和味覺感知外部世界的化學性質與組成，通過聽覺感知外部的聲波，進而遠距離的判斷外部事件，以及通過觸覺可以感知外部環境的物理與機械性質。人類對食品的感官感知正是基于這個系統來運作，輔之以長期進化過程中形成的獎賞機制（其大腦機理還知之甚少），形成對食物的喜好判斷。

食品感官科學被普遍認為是食品科學屬下的一門獨立學科。雖然對食品感官的系統性研究已開展半個多世紀，取得了許多標志性成果，但對食品感官感知原理仍知之甚微。其物理學、生理學、心理學及大腦神經科學等的相關感知原理尚不明確，很多相關領域仍有待于進一步研究。本文將從食品感官的若干基本概念切入，討論食品感官科學研究面臨的挑戰和可能的突破方向，拋磚引玉，聯動食品感官科學研究的同仁，推動我國食品感官科學的快速發展。

1 感官是否是食品的性質？

在日常的生活和文獻中，“感官性質”一詞并不陌生，也接受和領會這種說法：它把人的感官體驗作為食品材料的一個屬性，與其物理、化學、微結構性質并列。然而“感官性質”這個名詞的科學性與準確性值得商榷，這個質疑的提出有以下3 點理由。

首先，食品感官是人對食物材料的進食體驗，具有明顯的主觀性和個體差異。其次，如果“感官性質”作為食品的一個性質，那么應該與其他材料性質一樣具有數值和量綱，而通過感官體驗給出的主觀描述或者強度、喜好度數值，在多數情況下不具有量綱。第三，“感官性質”不具備普通材料性質的客觀可測性。材料性質有兩種類型，一是強度性質，其測量值與材料本身的數量無關，如材料的比重；二為廣度性質，其測量值與材料的量有直接關系，如材料的體積。兩者都應該具有專一、可測的特征。材料性質的測量可以用不同的技術方法在不同的實驗環境進行，但其得到的結果應該是唯一和可重復的。無論何人使用何種儀器，其結果都應該一致。但是“感官性質”卻明顯不具備這一特征，它因人而異。

感官的特殊之處在于它既與食品的性質相關，卻又缺乏唯一性。作者認為，感官是人對外界刺激的響應，是對材料性質的認知和體驗，所以稱為感官體驗可能更為合適。感官體驗因人（生理和心理）、時間、環境條件等的強烈影響，具有明確的主觀性和可變性的特征。這也是為什么感官分析的結果往往呈現正態分布的原因。圖1所示是感官認知的人群分布，呈典型的高斯分布，比如對某一食品的喜好度，一般很喜歡和很不喜歡的占少數，分布在高斯曲線的兩頭，而大部分人群的感官喜好分布在中間。對感官特性的評測也符合高斯分布的特征。這也是感官分析實驗在人員篩選、培訓以及數據處理的基本依據。

圖1 人群感官分析結果的正態分布特征Fig. 1 A typical Gaussian distribution of sensory perception among populations

當然，“感官性質”這一說法在日常生活和很多學術文獻中已經普遍使用，也被大家所接受，已經成為約定俗成的概念。但是，所謂的“感官性質”具有非常特殊性，與一般的材料性質有著本質的區別。

2 食品感官體驗能否被客觀測量？

在食品的設計開發和生產過程中，工業界亟需將食品的感官體驗與消費者喜好建立聯系。因而，大量的精力和物力投入到各類測量裝置與儀器的研發以及各種新方法的開創，食品質構儀、電子鼻、電子舌等就是典型例子。很顯然，這類裝置仍停留在對食物材料性質的表征和測量，而不是人的感官體驗。只是這類儀器的測量不同于傳統的材料性質表征，如模擬人的口腔飲食環境作為測量條件，從技術層面上講，確實前進了一大步。盡管如此，對感官體驗的真正測量還有很大的距離，甚至有人懷疑人類的感官體驗能否被客觀測量。對食品感官體驗客觀可測性的懷疑基于兩個十分重要的事實：一是感官的衍生性；二是感官的伴生性。

在人類長期文明進程中形成了燦爛多彩的飲食文化。為了更好地表達對美味的欣賞和辨析不同食物感官體驗的微妙差異，人類創造了豐富的詞匯來描述食物的特有感官屬性和愉悅感受。而這些詞匯都帶有描述性、地域性和發展性，有些甚至只能意會不能言傳。例如，脆性是某些固體類食品的一個特征性感官品質，帶給消費者一種可咀嚼、輕松和愉悅的感覺，深受消費者的喜歡。在漢語中有3 個最常見的詞用以描述這類食物的脆性：“脆”“酥”“松”。這3 個脆性的描述詞既可以單獨使用，也常常搭配使用，如“松脆”“酥脆”“酥松”等。其內在的感官含義雖然相近，卻有十分微妙的區別。表1列舉了這3 個感官詞語的主要材料特征屬性，從中可以看出，“脆”“酥”“松”質構感官雖然很相近但有明確又細微的區別，體現在其對應的食品材料特征屬性，包括其微結構性質、力學性質、密度、空隙形狀、空隙大小、水/油含量等因素。但是很顯然，這些物理和結構性質中，并沒有任何一個性質可以直接對應“脆”“酥”“松”的感官特征，因此也很難用儀器直接量化測量。目前唯一能采用的方法是使用主要材料屬性測量或者多個材料性質組合來預測感官體驗，但與感官體驗相對應的物理模型組合并非一成不變，而是很有可能因人而異。

表1 “脆”“酥”和“松”的基本感官內涵與材料屬性特征Table 1 Specific sensory features and corresponding material characteristics of crispy, crumbly and fluffy

食品感官從本質上可以分為初級感官（即直接感官）和衍生感官。衍生感官帶有多重性、多層級的特點。可以預測，隨著人類飲食文化的不斷發展，人類對飲食的感官體驗會衍生出更多更細膩的描述詞匯。例如，日語中演化出的“濃厚感”或“濃厚味”，其感官內涵比較復雜（或者說比較豐富），很難以一個物理量來表征。近幾年，類似于“爽”“酷”等口頭語在青年消費者中廣泛使用，用于對一些新型飲品的感官描述，將來也很有可能衍生成為新的感官描述詞。

還有一類感官非常特異，實際上是飲食過程中的伴生體驗。例如，“生津”一直作為茶葉品質分析中最重要的感官特性。雖然對于“生津”已經有大量的文獻研究，但是對于“生津”是否是感官特性仍存在疑問，其原因有二：一是，它缺乏對應的材料物理或化學屬性，雖然目前的研究認為多酚類物質可能是導致生津的功能成分，但其感官刺激的機制并不明確；二是，它缺乏對應的感官渠道，也不存在明確的感官受體，視、聽、味、嗅、觸五覺都不能明確對應生津。許多跡象表明生津很可能是人體在食物刺激下產生生理響應的結果（如唾液分泌增加、唾液成分變化等），是一種伴生性的感官體驗。對于這類感官體驗，因很難確定一個可跟蹤的物理、化學或生理變量，其客觀測量則變得更為困難。

食品感官作為人對食品材料性質的主觀體驗，可以用語言描述，但是因為食品感官的衍生性和伴生性特征，以及感官對應的材料性質多重性，食品感官體驗的客觀測量并非像測定一個材料的比重或溫度那樣的直接易操作。如何客觀、準確地測量人對食品的感官體驗一直困擾食品工業，是食品工業急迫希望解決的問題。建立食品感官客觀測量方法的目的是通過對食物材料性質的客觀量化達到指示人的主觀體驗。為此，需要思考如下兩方面的問題：首先需要確定感官體驗的本質是單一材料屬性的體驗還是多重材料屬性的組合；其次需要分辨是初級感官還是衍生感官，或是伴生感官體驗。如果是單一材料屬性的直接體驗（如糖水的甜度），則可以通過對材料屬性的直接測量來預測人的感官體驗相對強度，其對應關系已由Stevens定律很好地描述。如果是多重材料屬性的體驗或者是衍生感官體驗，則需要首先明確其相對應的材料性質，然后分析確定與該感官體驗相對應的材料性質組合的形式。例如，常見的酸甜感是由酸度與甜度兩個刺激組成，但是這兩個刺激是簡單的對等組合還是復雜的非對等組合卻受物理學、生理學、心理學等因素的影響。而如果是伴生感官體驗，則其產生原理更為復雜，目前還沒有比較好的直接儀器測量的方法。

3 當前食品感官科學研究的主要挑戰

當前食品感官科學研究的挑戰可以從兩個角度考慮：食品感官科學基礎理論研究的突破和食品工業的技術需求。食品感官科學研究雖然經過半個多世紀的發展已經有了很大的進步，形成了基本的食品感官理論體系，但前進的方向在哪里，如何尋找下一個理論突破，成為了許多食品感官科學研究者的困惑。作者認為，食品感官科學研究的新突破可以從以下幾個領域思考：1）飲食過程的感官體驗具有明顯的動態特征，如何理解與控制飲食過程中感官刺激的動態變化，如何闡釋飲食過程中食物微結構變化以及食物與唾液的相互作用，以指導食物結構的最佳化設計；2）感官刺激的受體原理，如何理解感官刺激到感官信號的轉化和背后的物理學和生理學原理；3）感官信息的大腦合成機制及其心理學與神經科學原理；4）感官愉悅是人類飲食的內在驅動原因之一，如何理解飲食的大腦獎賞機制和規范人類飲食行為。從食品工業技術需求的角度來講，主要有兩方面的挑戰：一是食品設計中如何準確理解不同感官刺激的組合與協調，以達到最佳的愉悅效果；二是如何建立消費者感官體驗的客觀評測技術。食品工業一直期待能夠用簡單的儀器測量技術來替代消費者感官分析，但至今成效并不顯著。基于上述討論，分析困擾食品感官科學研究的因素。

3.1 感官的多重刺激及其交互作用

感官刺激的多重性是毫無爭議的事實，包括物理、化學、光學和聲學等。人可以對單獨感官刺激產生一種相對應的感官體驗，這已經有較好的結論，形成了諸如Weber、Fechner和Stevens等著名的感官定律。但現實情況是，飲食過程中往往多個刺激同時存在，因而產生多種刺激的交互作用，進而產生與單獨刺激沒有直接對應關系的感官體驗。很多感官科學研究者對多重感官刺激的交互過程提出了不同的假設，存在諸多不同的看法。比如，交互作用是先刺激交互還是先獨立刺激然后信號交互？既是在受體階段交互還是獨立的刺激信號在大腦的交互，或者兩者都有，共同存在？如圖2所示，感官刺激D、D、D可能產生相對應的感官體驗G、G、G，但是更多情況下產生與刺激沒有直接對應關系的感官特性G、G、G。

圖2 多重刺激情況下的交互作用以及可能的感官衍生Fig. 2 Interplay among sensory stimuli and possible sensory derivation

最典型的感官交互作用是常見的酸甜感，酸和甜兩個獨立感官刺激相互交織，可產生增強或某種抑制作用。消費者普遍喜愛的奶油感更是多種感官刺激下的產物，越來越多的研究表明特征氣味、稠度感、潤滑感等都有助于產生奶油感。建立合理的交互模型對于酸甜感、奶油感等復雜感官的理解有著重要意義。

3.2 口腔流體薄層的性質和功能

口腔流體薄層是指吸附在口腔表面的黏液層，起著潤濕保護口腔表面組織的作用，包裹著包括味覺、嗅覺、觸覺在內的感官受體，飲食時介乎于食團與口腔表面之間，成為事實上的食團與人體表面組織之間的第三相（圖3）。飲食過程中，破碎的食物顆粒在唾液的潤濕和包裹下形成具有一定內聚性的食團，而食團與口腔表面（圖3所示帶有乳突的舌表面）之間被口腔流體薄層分開。口腔流體薄層主要由唾液成分組成，但越來越多的跡象表明，口腔薄層在組成成分、微結構、界面及膠體性質等方面與唾液有很大不同。

圖3 食團與舌表面之間的口腔流體薄層示意圖Fig. 3 Illustration of the existence of a thin fluid layer separating bolus from the tongue surface

目前對于口腔流體薄層的初步理解主要包括兩方面：第一，潤滑功能，這也是近幾年口腔摩擦研究受到大量關注的原因。口腔流體薄層能夠消除言語時舌頭與其他口腔表面摩擦引起的痛感，使舌頭形變自如，發出各種美妙的聲音和音調。對于飲食來講，口腔流體薄層起到減少食團與口腔表面摩擦以減少舌表面磨損與灼痛的作用。第二，口腔流體薄層還要保證舌頭對食團的有效操控，以保證有效咀嚼和安全吞咽。有關唾液薄層與口腔軟摩擦的理論和實驗近年來已有系列文獻報道。

口腔流體薄層對于感官的重要性在澀感機制形成研究中得到確認。澀感曾被認為是一種滋味（稱為澀味），屬于化學感。實際上，澀感是一種觸覺感官，是因口腔流體薄層中的組成蛋白沉淀而引起的舌表面暴露，從而導致觸覺感官的變化，物理上表現為口腔表面摩擦系數的明顯增加。

此外，物質遷移控制也是口腔流體薄層一個十分重要的性質，直接影響到食品的滋味以及氣味感官。傳統的食品風味研究似乎默認風味成分一旦從食物中釋放就會直接接觸口腔受體，而忽略了風味小分子在口腔流體薄層中的溶解、與口腔流體薄層結構成分之間的相互作用以及在薄層中的遷移等關鍵控制因素。準確解釋口腔流體薄層中的物質遷移機理對于食品風味的口腔感官感知研究至關重要。

3.3 后鼻嗅感官的機理

后鼻嗅氣味感知的存在已被許多研究證實，也被學界普遍接受。后鼻嗅感官的重要性還在于其對滋味感官的潛在影響，越來越多的證據表明飲食過程中的鼻腔香氣感覺會強烈影響或改變口腔中的滋味感覺。因此，準確理解后鼻嗅機理不僅對于完善食品風味理論具有重要意義，更對優化食品產品的感官設計具有現實的指導作用。許多研究默認后鼻嗅過程中氣味分子的傳遞，只是簡單的從口腔到鼻腔靠肺腔呼吸的物質遷移過程（圖4A）。如果氣味分子傳遞如此簡單，那么完全有理由相信，鼻腔中的氣味分子刺激應該是隨著肺腔呼吸而帶有強烈的“有-沒有”的“節奏感”（圖4B）。即在呼氣時，口腔中釋放的氣味分子隨肺呼吸氣流進入鼻腔，從而產生香氣感覺；而當吸氣時，從體外吸入空氣，此時應沒有氣味感知。但是切身體驗表明后鼻嗅氣味感官并不存在這樣的節律性切換，而是連續和持續性的感官。這說明后鼻嗅感官過程中存在氣味成分的某種緩沖或弛豫現象。造成這種現象的背后機理是什么？是受分子遷移的物理學機制影響？還是鼻腔氣味受體的生理學弛豫原因？其中一個可能的解釋是，鼻腔黏膜對氣味分子的黏附與捕集造成嗅覺刺激的弛豫現象，但這仍有待實驗驗證。

圖4 后鼻嗅氣味感知過程中的氣味分子從口腔到鼻腔的遷移（A）和可能的節律性嗅覺感官（B）Fig. 4 Retro-nasal sensation: (A) diffusion of aroma molecules from the oral cavity to the nasal cavity; (B) expected “on-off” retro-nasal aroma sensation

3.4 仿生傳感技術的發展

人對食品的感知通過感受器官進行，其中嗅覺和味覺的感知主要通過呈味物質與相應受體發生特異性結合而實現。目前市面上常見的智能感官系統多基于金屬氧化物或電化學傳感器，這些傳感器主要通過檢測樣品的化學特性而非氣味或滋味特性，對某些特征結構的成分產生響應，不管這些成分是否具有香氣，也不管混合成分呈現的味道如何。隨著受體分離純化技術和生物傳感技術的快速發展，已有學者基于受體在離體條件下研究食品感知過程。如基于鮮味受體制備的傳感器能夠在較短時間內對鮮味物質快速產生響應，并且信號強度會被肌苷酸協同增效，表明受體在離體條件下依然保持了與動物味覺受體一致的生物學特性，可以用于體外研究食品感知過程。目前，雖然有針對單一成分或少數幾種成分相互作用檢測的仿生傳感器，但這些傳感器距離實際應用仍然存在諸多問題。受體在體外存活時間較短，所制備傳感器的使用周期和壽命受到限制；受體與配體結合過程非常快，信號變化非常弱，準確獲取傳感器信號相關的方法和設備短缺；仿生傳感器的檢測精度大大高于人體，其檢測有效范圍較為狹窄，無法適用于食品級樣品的檢測；如何用少量的仿生傳感器模擬人體感知復雜體系下的多種組合等。解決以上問題能夠大大促進仿生傳感器的發展，進而對體外研究食品感知過程、開發相應的智能傳感設備提供技術支撐。

4 食品感官科學研究的前瞻

在過去很多年中國內外食品感官科學研究的主要關注點大致可以概括為兩個方面。一是，對食品微結構性質和成分的解析，食品風味研究者更關注食物的成分，而食品質構研究者更關注食物的微結構性質。這類研究主要關注食品結構和風味成分的形成、含量、特征、與載體的相互作用等。在這個過程中也建立了一系列包括色譜、質譜、微結構解析、力學性質測定等物理分析技術。經過多年努力，以關注成分和微結構分析為核心的食品感官研究已達到比較成熟的水平，很好地滿足了食品工業的需求。二是，建立了一系列比較客觀可靠的人類感官體驗評測術語和評測方法，俗稱感官分析，包括人員篩選、培訓、情景控制、測試方法、數據分析等。食品微結構分析和成分分析為感官科學研究提供了堅實的材料基礎，而感官評測術語和方法的標準化則提供了人體體驗客觀可比較的測評方法。但是這兩個關注點的研究思路與邏輯并沒有觸及人類感官的核心本質，無法解釋消費者之間的巨大個體差異，亦無法解釋個體本身因情景變化引起的感官差異。

針對這些局限，近年來以食品與人體相互作用作為核心關注的食品感官科學研究得到了學術界的廣泛重視。在此背景下，食品口腔加工研究成為了食品科學領域一個新興的前沿方向。食品口腔加工研究之所以受到重視，是因為它將食品材料性質與飲食的動態環境相結合，以揭示食品感官體驗的內在機理，包括食品物理學、人體（口腔）生理學、感官心理學以及大腦神經原理。通過對食品口腔行為的物理學解釋和生理學及心理學響應的觀察，食品口腔加工研究給食品材料性質賦予了感官意義，有助于準確闡釋感官體驗的材料物理基礎。圖5顯示了人類食品感官認知過程中的多個界面，包括實體和虛擬界面。這些界面行為中蘊含了諸多飲食與感官的原理。如果能夠從這些界面切入研究，將有助于更好地理解和發現決定食品與人體相互作用的相關原理，實現感官感知理論的新突破。

圖5 飲食與感官過程的口腔動力學和相應的界面Fig. 5 Oral dynamics and interfaces of eating and sensory perception

上述界面的存在表明多學科交叉是實現食品感官研究新突破的必然途徑。與食品感官科學相關的支持學科眾多，從食品物理學和食品材料學到感官生理學、感官心理學、大腦神經科學等（圖6）。食品口腔加工學研究的興起是多學科交叉的明顯例證。只有從食品材料和人類生理/心理的相互作用等不同角度切入，才能全方位、多層次地研究并揭示食品感官的本質性原理。同時，不可否認的是，哲學、美學、社會學、人類行為學等亦對飲食和感官具有直接或間接的影響。

圖6 食品感官科學和食品口腔加工科學研究相關支持學科和研究領域Fig. 6 Relevant and supporting disciplines of food sensory and food oral processing research

人作為食品感知的主體，容易受到生理、心理、文化、環境等因素影響，從而造成人工感官評價結果的不準確性。隨著仿生技術的快速發展，仿生傳感器在食品感知評價方面的應用日益受到關注。通過體外開展食品感知過程研究，從宏觀角度進行大數據分析、食品偏好評價等，從而豐富食品感知理論。另外，在當前營養與健康成為消費者核心關注點的背景下，食品工業承受著極大的減糖、減鹽的壓力，需要食品感官研究者創新性的思考。除了合理使用糖和鹽替代品外，能否利用嗅覺補償、嗅覺強化等方法，以達到“減糖不減甜，減鹽不減咸”的效果，這一切都有待感官機理研究的新突破。

5 結 語

本文是一篇觀點文章，嘗試從思考食品感官科學研究的前沿挑戰出發，提出不同的想法和觀點。部分觀點已有文獻依據可循，而有些是作者根據已有認知所作的分析推測，旨在通過這樣的討論激起學界同仁更多的思考，尋找食品感官研究前沿的新突破，以期共同推動食品感官科學的發展，為我國食品工業的產業升級提供強有力的理論支撐。

傳統的食品感官研究以食品材料為核心，在指導理論和研究方法方面都具有明顯的局限性。食品感官的復雜性在于它是人與物相互作用的結果，遠超出食品材料科學的范疇。目前食品感官研究對于感官刺激（包括組成成分、微結構等）已有較好的了解，對于感官體驗也可以通過志愿者分析得到合理的結果，但是對從刺激因素到感官結果的中間過程，其途徑、變化、影響和控制因素等卻知之甚少，這也是一直期望推動多學科交叉開展食品感官科學研究的原因。作者認為食品感官科學的新突破，必然要以食品與人的相互作用為出發點，結合食品物理學、口腔生理學、感官心理學、腦神經科學等學科的理論、研究方法和研究技術，交叉合作，才能真正揭示食品感官現象的背后原理，實現食品感官科學研究的躍升發展。