食品感官科学研究：挑战与可能

陈建设，刘 源，师锦刚

（1.浙江工商大学食品与生物工程学院，浙江 杭州 310018；2.上海交通大学农业与生物学院，上海 200240；3.伊比西（北京）植物药物技术有限公司，北京 101111）

感官感知并非人类专属，许多动物（或甚至一些植物）都有这样的能力。动物对外部环境的感知常常事关生死，时时处在争夺或逃逸的亢奋和恐惧之中，对环境稍有误判，就可能遭遇生存危机。因此，动物的感知能力是其生存的最基本能力之一。而人类对外部世界的感官感知能力更是进化到几近完美。人类不仅有齐全的五官系统，更具有无与伦比的大脑信息处理与认知能力。当然，人类某些感知能力也有不如动物的地方。就视觉而言，人类只能通过眼睛感知非常有限范围的电磁波，即所谓的可见光，而无法像蝙蝠和海豚一样利用超声感知周围的环境和进行定位，无法拥有蛇类的红外图像感知能力，不能像驯鹿一样看到紫外线。但是，人类的5 个感觉器官已集成一套全方位、多维度、互相协调的精准感知系统，使人可以通过视觉感知外部世界的颜色、形态、距离，通过嗅觉和味觉感知外部世界的化学性质与组成，通过听觉感知外部的声波，进而远距离的判断外部事件，以及通过触觉可以感知外部环境的物理与机械性质。人类对食品的感官感知正是基于这个系统来运作，辅之以长期进化过程中形成的奖赏机制（其大脑机理还知之甚少），形成对食物的喜好判断。

食品感官科学被普遍认为是食品科学属下的一门独立学科。虽然对食品感官的系统性研究已开展半个多世纪，取得了许多标志性成果，但对食品感官感知原理仍知之甚微。其物理学、生理学、心理学及大脑神经科学等的相关感知原理尚不明确，很多相关领域仍有待于进一步研究。本文将从食品感官的若干基本概念切入，讨论食品感官科学研究面临的挑战和可能的突破方向，抛砖引玉，联动食品感官科学研究的同仁，推动我国食品感官科学的快速发展。

1 感官是否是食品的性质？

在日常的生活和文献中，“感官性质”一词并不陌生，也接受和领会这种说法：它把人的感官体验作为食品材料的一个属性，与其物理、化学、微结构性质并列。然而“感官性质”这个名词的科学性与准确性值得商榷，这个质疑的提出有以下3 点理由。

首先，食品感官是人对食物材料的进食体验，具有明显的主观性和个体差异。其次，如果“感官性质”作为食品的一个性质，那么应该与其他材料性质一样具有数值和量纲，而通过感官体验给出的主观描述或者强度、喜好度数值，在多数情况下不具有量纲。第三，“感官性质”不具备普通材料性质的客观可测性。材料性质有两种类型，一是强度性质，其测量值与材料本身的数量无关，如材料的比重；二为广度性质，其测量值与材料的量有直接关系，如材料的体积。两者都应该具有专一、可测的特征。材料性质的测量可以用不同的技术方法在不同的实验环境进行，但其得到的结果应该是唯一和可重复的。无论何人使用何种仪器，其结果都应该一致。但是“感官性质”却明显不具备这一特征，它因人而异。

感官的特殊之处在于它既与食品的性质相关，却又缺乏唯一性。作者认为，感官是人对外界刺激的响应，是对材料性质的认知和体验，所以称为感官体验可能更为合适。感官体验因人（生理和心理）、时间、环境条件等的强烈影响，具有明确的主观性和可变性的特征。这也是为什么感官分析的结果往往呈现正态分布的原因。图1所示是感官认知的人群分布，呈典型的高斯分布，比如对某一食品的喜好度，一般很喜欢和很不喜欢的占少数，分布在高斯曲线的两头，而大部分人群的感官喜好分布在中间。对感官特性的评测也符合高斯分布的特征。这也是感官分析实验在人员筛选、培训以及数据处理的基本依据。

图1 人群感官分析结果的正态分布特征Fig. 1 A typical Gaussian distribution of sensory perception among populations

当然，“感官性质”这一说法在日常生活和很多学术文献中已经普遍使用，也被大家所接受，已经成为约定俗成的概念。但是，所谓的“感官性质”具有非常特殊性，与一般的材料性质有着本质的区别。

2 食品感官体验能否被客观测量？

在食品的设计开发和生产过程中，工业界亟需将食品的感官体验与消费者喜好建立联系。因而，大量的精力和物力投入到各类测量装置与仪器的研发以及各种新方法的开创，食品质构仪、电子鼻、电子舌等就是典型例子。很显然，这类装置仍停留在对食物材料性质的表征和测量，而不是人的感官体验。只是这类仪器的测量不同于传统的材料性质表征，如模拟人的口腔饮食环境作为测量条件，从技术层面上讲，确实前进了一大步。尽管如此，对感官体验的真正测量还有很大的距离，甚至有人怀疑人类的感官体验能否被客观测量。对食品感官体验客观可测性的怀疑基于两个十分重要的事实：一是感官的衍生性；二是感官的伴生性。

在人类长期文明进程中形成了灿烂多彩的饮食文化。为了更好地表达对美味的欣赏和辨析不同食物感官体验的微妙差异，人类创造了丰富的词汇来描述食物的特有感官属性和愉悦感受。而这些词汇都带有描述性、地域性和发展性，有些甚至只能意会不能言传。例如，脆性是某些固体类食品的一个特征性感官品质，带给消费者一种可咀嚼、轻松和愉悦的感觉，深受消费者的喜欢。在汉语中有3 个最常见的词用以描述这类食物的脆性：“脆”“酥”“松”。这3 个脆性的描述词既可以单独使用，也常常搭配使用，如“松脆”“酥脆”“酥松”等。其内在的感官含义虽然相近，却有十分微妙的区别。表1列举了这3 个感官词语的主要材料特征属性，从中可以看出，“脆”“酥”“松”质构感官虽然很相近但有明确又细微的区别，体现在其对应的食品材料特征属性，包括其微结构性质、力学性质、密度、空隙形状、空隙大小、水/油含量等因素。但是很显然，这些物理和结构性质中，并没有任何一个性质可以直接对应“脆”“酥”“松”的感官特征，因此也很难用仪器直接量化测量。目前唯一能采用的方法是使用主要材料属性测量或者多个材料性质组合来预测感官体验，但与感官体验相对应的物理模型组合并非一成不变，而是很有可能因人而异。

表1 “脆”“酥”和“松”的基本感官内涵与材料属性特征Table 1 Specific sensory features and corresponding material characteristics of crispy, crumbly and fluffy

食品感官从本质上可以分为初级感官（即直接感官）和衍生感官。衍生感官带有多重性、多层级的特点。可以预测，随着人类饮食文化的不断发展，人类对饮食的感官体验会衍生出更多更细腻的描述词汇。例如，日语中演化出的“浓厚感”或“浓厚味”，其感官内涵比较复杂（或者说比较丰富），很难以一个物理量来表征。近几年，类似于“爽”“酷”等口头语在青年消费者中广泛使用，用于对一些新型饮品的感官描述，将来也很有可能衍生成为新的感官描述词。

还有一类感官非常特异，实际上是饮食过程中的伴生体验。例如，“生津”一直作为茶叶品质分析中最重要的感官特性。虽然对于“生津”已经有大量的文献研究，但是对于“生津”是否是感官特性仍存在疑问，其原因有二：一是，它缺乏对应的材料物理或化学属性，虽然目前的研究认为多酚类物质可能是导致生津的功能成分，但其感官刺激的机制并不明确；二是，它缺乏对应的感官渠道，也不存在明确的感官受体，视、听、味、嗅、触五觉都不能明确对应生津。许多迹象表明生津很可能是人体在食物刺激下产生生理响应的结果（如唾液分泌增加、唾液成分变化等），是一种伴生性的感官体验。对于这类感官体验，因很难确定一个可跟踪的物理、化学或生理变量，其客观测量则变得更为困难。

食品感官作为人对食品材料性质的主观体验，可以用语言描述，但是因为食品感官的衍生性和伴生性特征，以及感官对应的材料性质多重性，食品感官体验的客观测量并非像测定一个材料的比重或温度那样的直接易操作。如何客观、准确地测量人对食品的感官体验一直困扰食品工业，是食品工业急迫希望解决的问题。建立食品感官客观测量方法的目的是通过对食物材料性质的客观量化达到指示人的主观体验。为此，需要思考如下两方面的问题：首先需要确定感官体验的本质是单一材料属性的体验还是多重材料属性的组合；其次需要分辨是初级感官还是衍生感官，或是伴生感官体验。如果是单一材料属性的直接体验（如糖水的甜度），则可以通过对材料属性的直接测量来预测人的感官体验相对强度，其对应关系已由Stevens定律很好地描述。如果是多重材料属性的体验或者是衍生感官体验，则需要首先明确其相对应的材料性质，然后分析确定与该感官体验相对应的材料性质组合的形式。例如，常见的酸甜感是由酸度与甜度两个刺激组成，但是这两个刺激是简单的对等组合还是复杂的非对等组合却受物理学、生理学、心理学等因素的影响。而如果是伴生感官体验，则其产生原理更为复杂，目前还没有比较好的直接仪器测量的方法。

3 当前食品感官科学研究的主要挑战

当前食品感官科学研究的挑战可以从两个角度考虑：食品感官科学基础理论研究的突破和食品工业的技术需求。食品感官科学研究虽然经过半个多世纪的发展已经有了很大的进步，形成了基本的食品感官理论体系，但前进的方向在哪里，如何寻找下一个理论突破，成为了许多食品感官科学研究者的困惑。作者认为，食品感官科学研究的新突破可以从以下几个领域思考：1）饮食过程的感官体验具有明显的动态特征，如何理解与控制饮食过程中感官刺激的动态变化，如何阐释饮食过程中食物微结构变化以及食物与唾液的相互作用，以指导食物结构的最佳化设计；2）感官刺激的受体原理，如何理解感官刺激到感官信号的转化和背后的物理学和生理学原理；3）感官信息的大脑合成机制及其心理学与神经科学原理；4）感官愉悦是人类饮食的内在驱动原因之一，如何理解饮食的大脑奖赏机制和规范人类饮食行为。从食品工业技术需求的角度来讲，主要有两方面的挑战：一是食品设计中如何准确理解不同感官刺激的组合与协调，以达到最佳的愉悦效果；二是如何建立消费者感官体验的客观评测技术。食品工业一直期待能够用简单的仪器测量技术来替代消费者感官分析，但至今成效并不显著。基于上述讨论，分析困扰食品感官科学研究的因素。

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无争议的事实，包括物理、化学、光学和声学等。人可以对单独感官刺激产生一种相对应的感官体验，这已经有较好的结论，形成了诸如Weber、Fechner和Stevens等著名的感官定律。但现实情况是，饮食过程中往往多个刺激同时存在，因而产生多种刺激的交互作用，进而产生与单独刺激没有直接对应关系的感官体验。很多感官科学研究者对多重感官刺激的交互过程提出了不同的假设，存在诸多不同的看法。比如，交互作用是先刺激交互还是先独立刺激然后信号交互？既是在受体阶段交互还是独立的刺激信号在大脑的交互，或者两者都有，共同存在？如图2所示，感官刺激D、D、D可能产生相对应的感官体验G、G、G，但是更多情况下产生与刺激没有直接对应关系的感官特性G、G、G。

图2 多重刺激情况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见的酸甜感，酸和甜两个独立感官刺激相互交织，可产生增强或某种抑制作用。消费者普遍喜爱的奶油感更是多种感官刺激下的产物，越来越多的研究表明特征气味、稠度感、润滑感等都有助于产生奶油感。建立合理的交互模型对于酸甜感、奶油感等复杂感官的理解有着重要意义。

3.2 口腔流体薄层的性质和功能

口腔流体薄层是指吸附在口腔表面的黏液层，起着润湿保护口腔表面组织的作用，包裹着包括味觉、嗅觉、触觉在内的感官受体，饮食时介乎于食团与口腔表面之间，成为事实上的食团与人体表面组织之间的第三相（图3）。饮食过程中，破碎的食物颗粒在唾液的润湿和包裹下形成具有一定内聚性的食团，而食团与口腔表面（图3所示带有乳突的舌表面）之间被口腔流体薄层分开。口腔流体薄层主要由唾液成分组成，但越来越多的迹象表明，口腔薄层在组成成分、微结构、界面及胶体性质等方面与唾液有很大不同。

图3 食团与舌表面之间的口腔流体薄层示意图Fig. 3 Illustration of the existence of a thin fluid layer separating bolus from the tongue surface

目前对于口腔流体薄层的初步理解主要包括两方面：第一，润滑功能，这也是近几年口腔摩擦研究受到大量关注的原因。口腔流体薄层能够消除言语时舌头与其他口腔表面摩擦引起的痛感，使舌头形变自如，发出各种美妙的声音和音调。对于饮食来讲，口腔流体薄层起到减少食团与口腔表面摩擦以减少舌表面磨损与灼痛的作用。第二，口腔流体薄层还要保证舌头对食团的有效操控，以保证有效咀嚼和安全吞咽。有关唾液薄层与口腔软摩擦的理论和实验近年来已有系列文献报道。

口腔流体薄层对于感官的重要性在涩感机制形成研究中得到确认。涩感曾被认为是一种滋味（称为涩味），属于化学感。实际上，涩感是一种触觉感官，是因口腔流体薄层中的组成蛋白沉淀而引起的舌表面暴露，从而导致触觉感官的变化，物理上表现为口腔表面摩擦系数的明显增加。

此外，物质迁移控制也是口腔流体薄层一个十分重要的性质，直接影响到食品的滋味以及气味感官。传统的食品风味研究似乎默认风味成分一旦从食物中释放就会直接接触口腔受体，而忽略了风味小分子在口腔流体薄层中的溶解、与口腔流体薄层结构成分之间的相互作用以及在薄层中的迁移等关键控制因素。准确解释口腔流体薄层中的物质迁移机理对于食品风味的口腔感官感知研究至关重要。

3.3 后鼻嗅感官的机理

后鼻嗅气味感知的存在已被许多研究证实，也被学界普遍接受。后鼻嗅感官的重要性还在于其对滋味感官的潜在影响，越来越多的证据表明饮食过程中的鼻腔香气感觉会强烈影响或改变口腔中的滋味感觉。因此，准确理解后鼻嗅机理不仅对于完善食品风味理论具有重要意义，更对优化食品产品的感官设计具有现实的指导作用。许多研究默认后鼻嗅过程中气味分子的传递，只是简单的从口腔到鼻腔靠肺腔呼吸的物质迁移过程（图4A）。如果气味分子传递如此简单，那么完全有理由相信，鼻腔中的气味分子刺激应该是随着肺腔呼吸而带有强烈的“有-没有”的“节奏感”（图4B）。即在呼气时，口腔中释放的气味分子随肺呼吸气流进入鼻腔，从而产生香气感觉；而当吸气时，从体外吸入空气，此时应没有气味感知。但是切身体验表明后鼻嗅气味感官并不存在这样的节律性切换，而是连续和持续性的感官。这说明后鼻嗅感官过程中存在气味成分的某种缓冲或弛豫现象。造成这种现象的背后机理是什么？是受分子迁移的物理学机制影响？还是鼻腔气味受体的生理学弛豫原因？其中一个可能的解释是，鼻腔黏膜对气味分子的黏附与捕集造成嗅觉刺激的弛豫现象，但这仍有待实验验证。

图4 后鼻嗅气味感知过程中的气味分子从口腔到鼻腔的迁移（A）和可能的节律性嗅觉感官（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 仿生传感技术的发展

人对食品的感知通过感受器官进行，其中嗅觉和味觉的感知主要通过呈味物质与相应受体发生特异性结合而实现。目前市面上常见的智能感官系统多基于金属氧化物或电化学传感器，这些传感器主要通过检测样品的化学特性而非气味或滋味特性，对某些特征结构的成分产生响应，不管这些成分是否具有香气，也不管混合成分呈现的味道如何。随着受体分离纯化技术和生物传感技术的快速发展，已有学者基于受体在离体条件下研究食品感知过程。如基于鲜味受体制备的传感器能够在较短时间内对鲜味物质快速产生响应，并且信号强度会被肌苷酸协同增效，表明受体在离体条件下依然保持了与动物味觉受体一致的生物学特性，可以用于体外研究食品感知过程。目前，虽然有针对单一成分或少数几种成分相互作用检测的仿生传感器，但这些传感器距离实际应用仍然存在诸多问题。受体在体外存活时间较短，所制备传感器的使用周期和寿命受到限制；受体与配体结合过程非常快，信号变化非常弱，准确获取传感器信号相关的方法和设备短缺；仿生传感器的检测精度大大高于人体，其检测有效范围较为狭窄，无法适用于食品级样品的检测；如何用少量的仿生传感器模拟人体感知复杂体系下的多种组合等。解决以上问题能够大大促进仿生传感器的发展，进而对体外研究食品感知过程、开发相应的智能传感设备提供技术支撑。

4 食品感官科学研究的前瞻

在过去很多年中国内外食品感官科学研究的主要关注点大致可以概括为两个方面。一是，对食品微结构性质和成分的解析，食品风味研究者更关注食物的成分，而食品质构研究者更关注食物的微结构性质。这类研究主要关注食品结构和风味成分的形成、含量、特征、与载体的相互作用等。在这个过程中也建立了一系列包括色谱、质谱、微结构解析、力学性质测定等物理分析技术。经过多年努力，以关注成分和微结构分析为核心的食品感官研究已达到比较成熟的水平，很好地满足了食品工业的需求。二是，建立了一系列比较客观可靠的人类感官体验评测术语和评测方法，俗称感官分析，包括人员筛选、培训、情景控制、测试方法、数据分析等。食品微结构分析和成分分析为感官科学研究提供了坚实的材料基础，而感官评测术语和方法的标准化则提供了人体体验客观可比较的测评方法。但是这两个关注点的研究思路与逻辑并没有触及人类感官的核心本质，无法解释消费者之间的巨大个体差异，亦无法解释个体本身因情景变化引起的感官差异。

针对这些局限，近年来以食品与人体相互作用作为核心关注的食品感官科学研究得到了学术界的广泛重视。在此背景下，食品口腔加工研究成为了食品科学领域一个新兴的前沿方向。食品口腔加工研究之所以受到重视，是因为它将食品材料性质与饮食的动态环境相结合，以揭示食品感官体验的内在机理，包括食品物理学、人体（口腔）生理学、感官心理学以及大脑神经原理。通过对食品口腔行为的物理学解释和生理学及心理学响应的观察，食品口腔加工研究给食品材料性质赋予了感官意义，有助于准确阐释感官体验的材料物理基础。图5显示了人类食品感官认知过程中的多个界面，包括实体和虚拟界面。这些界面行为中蕴含了诸多饮食与感官的原理。如果能够从这些界面切入研究，将有助于更好地理解和发现决定食品与人体相互作用的相关原理，实现感官感知理论的新突破。

图5 饮食与感官过程的口腔动力学和相应的界面Fig. 5 Oral dynamics and interfaces of eating and sensory perception

上述界面的存在表明多学科交叉是实现食品感官研究新突破的必然途径。与食品感官科学相关的支持学科众多，从食品物理学和食品材料学到感官生理学、感官心理学、大脑神经科学等（图6）。食品口腔加工学研究的兴起是多学科交叉的明显例证。只有从食品材料和人类生理/心理的相互作用等不同角度切入，才能全方位、多层次地研究并揭示食品感官的本质性原理。同时，不可否认的是，哲学、美学、社会学、人类行为学等亦对饮食和感官具有直接或间接的影响。

图6 食品感官科学和食品口腔加工科学研究相关支持学科和研究领域Fig. 6 Relevant and supporting disciplines of food sensory and food oral processing research

人作为食品感知的主体，容易受到生理、心理、文化、环境等因素影响，从而造成人工感官评价结果的不准确性。随着仿生技术的快速发展，仿生传感器在食品感知评价方面的应用日益受到关注。通过体外开展食品感知过程研究，从宏观角度进行大数据分析、食品偏好评价等，从而丰富食品感知理论。另外，在当前营养与健康成为消费者核心关注点的背景下，食品工业承受着极大的减糖、减盐的压力，需要食品感官研究者创新性的思考。除了合理使用糖和盐替代品外，能否利用嗅觉补偿、嗅觉强化等方法，以达到“减糖不减甜，减盐不减咸”的效果，这一切都有待感官机理研究的新突破。

5 结 语

本文是一篇观点文章，尝试从思考食品感官科学研究的前沿挑战出发，提出不同的想法和观点。部分观点已有文献依据可循，而有些是作者根据已有认知所作的分析推测，旨在通过这样的讨论激起学界同仁更多的思考，寻找食品感官研究前沿的新突破，以期共同推动食品感官科学的发展，为我国食品工业的产业升级提供强有力的理论支撑。

传统的食品感官研究以食品材料为核心，在指导理论和研究方法方面都具有明显的局限性。食品感官的复杂性在于它是人与物相互作用的结果，远超出食品材料科学的范畴。目前食品感官研究对于感官刺激（包括组成成分、微结构等）已有较好的了解，对于感官体验也可以通过志愿者分析得到合理的结果，但是对从刺激因素到感官结果的中间过程，其途径、变化、影响和控制因素等却知之甚少，这也是一直期望推动多学科交叉开展食品感官科学研究的原因。作者认为食品感官科学的新突破，必然要以食品与人的相互作用为出发点，结合食品物理学、口腔生理学、感官心理学、脑神经科学等学科的理论、研究方法和研究技术，交叉合作，才能真正揭示食品感官现象的背后原理，实现食品感官科学研究的跃升发展。