基于仿口腔平台的食品咀嚼效果评定方法研究

张奋楠， 周星宇,2， 俞经虎,2，*， 钱善华,2， 杨涛涛

(1.江南大学 机械工程学院， 江苏 无锡 214122；2.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室， 江苏 无锡 214122)

食品口腔加工是指在口腔中将食物转变为可吞咽食团的过程[1]，主要包括上下颌的咀嚼运动、牙齿与食品的相互作用、舌头的搅拌运动以及唾液与食品的混合。食品口腔加工能力直接影响人体的消化能力以及健康状况。研究表明，由牙齿缺失[2]、咀嚼力下降[3]等原因导致食品口腔加工能力低下人群的咀嚼效率较正常人低，这在老年人群中尤其常见[4]，因此咀嚼效率研究已成为食品设计、口腔康复等领域的关键问题。尽管超声波成像技术[5]和视频荧光技术[6]可以捕捉食品口腔加工过程中的咀嚼运动和食品团的位置，但仍然无法直接观察食品团的形变过程，并且有部分食团会在主要吞咽前就进入肠胃[7]，使得由测试人员开展的咀嚼实验中的食物团不容易完整准确收集，且食团与唾液的比例难以确定；同时，食团的形成受到多种口腔加工条件的影响，而不同测试人员之间的口腔加工参数不易量化和标准化，使得每次咀嚼实验中食团都是在一种不完全可控的过程中形成的。除此之外，在研究具有污染物的危害性食品(过期变质食品、实验性食品等)时，要求测试人员开展咀嚼实验是不可行的。本研究团队前期开发的仿口腔平台，是根据人类口腔数据设计和开发的[8-9]，可以再现人类下颌咀嚼运动，目的是通过模拟口腔环境和咀嚼运动，生成与人类咀嚼产生的性质相似的食物团，同时在食品口腔加工的过程中检测食品的质构特性，从而为与食品口腔加工和食物团等相关的多种研究提供一种实验平台。前人的研究主要集中于基于该平台探究义齿寿命评估方法和食品的物性检测[10-11]，而进行食品咀嚼效率测定的研究较少。

咀嚼效果反映咀嚼能力的大小，是评估咀嚼作用实际效果的重要指标。目前评定咀嚼效果的方法有很多，基于糖释放的咀嚼效果测试[12]是根据咀嚼后食团糖度释放量推算咀嚼效果，该方法由于实验易受冲洗时间和流水温度等因素的影响，重复性较差；吸光度法是借助分光光度计测定溶液的吸光度，应用在评定咀嚼效果方面时间较早[13]，该方法测试出的数据结果易受咀嚼测试物在悬浊静置时不可避免的食物损失和时间不一致等因素的影响，因此在评定咀嚼效果方面应用很少。脆性食品的过筛称重法[14]和塑性食品的混色判别法[15]是常用的评价咀嚼效果的方法。过筛称重法通过分析食物嚼碎的程度、测试物粒径的中位数来表征咀嚼效果，多应用于花生、杏仁等脆性食品，易观察颗粒分布状态，比较精确[16]；混色判别法则通过测定食物经咀嚼后的混合程度间接评估个体咀嚼效果，该方法更全面、精确，在临床方面应用潜力大。

本研究拟通过仿口腔平台对典型的脆性和塑性实验食品开展咀嚼实验，同时收集口腔加工能力良好的受试者咀嚼后的食团，分别采用过筛称重法和混色判别法对脆性和塑性食团进行计算。处理数据后对比食团的评定指标(包括脆性材料的中值粒径和塑性材料的咀嚼效果指数)，评定咀嚼效果，从而为减少人工成本、建立食品咀嚼模型、开发咀嚼能力受损人群合适食品、提高咀嚼受损人群咀嚼满意度等提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料制备

选择食品级石蜡和去皮熟花生作为咀嚼实验的样品。石蜡材料具备很好的塑性，食品口腔加工过程中形变显著，且不易产生大面积破碎断裂。石蜡样品的制作过程：将组成成分相同的红色和绿色石蜡切成10 mm×10 mm×2 mm的长方体，绿色石蜡布置于底层、中层和上层，每两层绿色石蜡之间放置一片红色石蜡，最终压制成高度为10 mm的正方体石蜡样品(图1)。

图1 制备完成的石蜡样品

花生是一种典型的脆性食品，口腔加工过程中破碎效果显著[17]。花生均经过电子秤称重，选取质量相近、含水量(g/g)为(4±1)%的花生样品。每次实验前，将低温干燥密封保存的石蜡样品浸入 35 ℃ 恒温水浴锅中1 min来保证样品的物性一致。每次实验后，回收的食团均编号并放置在培养箱中干燥0.5 h，以待测定。

1.2 仿口腔平台设备

1.2.1设备结构

仿口腔平台的整体结构如图2，主要包括仿生口腔环境和运动系统。

(b)图中，全局坐标系建立在并联机构的机架上{O1}-XYZ，静坐标系{O}-xyz固连在上颌静平台上，动坐标系{P}-uvw固连在下颌动平台上。

1.2.2仿口腔平台的咀嚼复现原理

咀嚼复现运动是指在上下颌牙之间不断重复的切向滑动和冲击运动，根据牙齿的功能性可以分成切牙的切割运动、尖牙的压碎运动和磨牙的研磨运动。仿口腔平台的咀嚼复现运动系统是基于经典的Stewart结构[18]进行设计的，在空间中的标准自由度为6，完全可以实现下颌运动的模拟以及咀嚼参数的控制。机构的动力源为在同一圆周上布置的6台步进电机，每台步进电机通过滚珠丝杠将旋转运动转化为滑块的平移运动，滑块即成为直线执行器的主体。每个滑块通过球铰和1根连杆与动平台相连接，各机构之间相互配合和约束，控制动平台进行空间运动。由于切割运动和压碎运动可用一维的直线运动近似代替，所以在此主要描述研磨运动。研磨运动主要由开口相、闭口相和咀嚼相构成，从牙尖交错位开始运动，此时下颌的速度较快，靠近最大开口时，运动速度逐渐减小；当闭合运动开始时，运动速度逐渐增加，当磨牙位置接近即将产生咬合接触时，运动速度急剧下降，至此研磨运动完成。根据临床医学中成年人下颌运动的扫描轨迹[19]，磨牙的研磨运动可用空间斜椭圆进行表征，转换为动平台相对于静平台的运动轨迹方程如式(1)。

(1)

式(1)中，x、y、z分别表示沿x轴、y轴、z轴的位移；α、β、γ分别表示沿x轴、y轴、z轴的旋转角度。

基于运动学求逆的方法，首先对口腔加工过程中下颌的运动轨迹进行空间投影以及方程拟合，拟合出的方程可作为动平台的原始运动轨迹。通过RPY角方法进行矩阵变换，即动平台在空间内的任意位置和姿态都可以通过动坐标系{P}-uvw相对于静坐标系{O}-xyz3个坐标轴方向的移动量x、y、z和绕3个坐标轴的旋转角度α、β、γ来描述。以矩阵方程的形式描述动平台的位姿与6个滑块所处空间位置之间的关系，并分别推导出各滑块的位移方程、速度方程和加速度方程。通过编制连续插补程序将描述6个滑块的运动量转化为脉冲量。脉冲信号通过运动控制卡输入步进电机中，整个机构即可按照预定的轨迹进行空间运动。

1.3 实验方法

1.3.1体外口腔加工实验

体外实验是基于仿口腔平台开展的。本实验中，咀嚼次数是主要研究对象，设置为3水平(3、6、10次)自变量，其他咀嚼参数设置为常量，其中平均咀嚼速度为2 mm/s，咀嚼应变为100%(单次咀嚼中牙齿在Z轴方向对食品的作用量，100%为食品的总高度，即上下牙齿在咬合运动完成时接触)，唾液输送量为2 mL，口腔温度为37 ℃，所用牙齿为第一磨牙和第二磨牙。

1.3.2体内口腔加工实验

召集测试人员5名，选择标准：年龄在20～26周岁，除第三磨牙外其他牙齿完整且健康，无咀嚼障碍、吞咽障碍以及口腔疾病，对实验食品无过敏反应。体内实验分为3个阶段：第一阶段为咀嚼训练，评定人员在慢咀嚼条件下(单次咬合时间控制在 3～5 s，尽量使用两侧的第一磨牙和第二磨牙)对两种实验样品进行口腔加工，从而使得在后续的实验中咀嚼参数保持相近；第二阶段为吐出训练，评定人员需要在感觉样品能够被吞咽时尽量完整地吐出食团，其中，当咀嚼3次时，已经初步有可吞咽的感觉，咀嚼超过10次以上，食团已经完全具备吞咽条件；在第三阶段的咀嚼实验中，将咀嚼次数分别设定为3、6、10次，实验过程中评定人员达到指定的咀嚼次数后便将食团吐出，并进行回收。所有受试者在实验前均给予详细解释并签署知情同意书。

1.3.3咀嚼效果评定方法

1.3.3.1 石腊食团的评定方法

石蜡食团的评定方式为混色判别法。与采用双色胶母糖作为实验材料[20]不同的是，石蜡不易黏附在牙齿上，可降低咀嚼难度。通过咀嚼后实验材料边缘颜色对比度反映咀嚼效率易受主观视觉影响，准确性不高，故本实验采用YX6060型工业相机拍摄食团图像。拍摄前先将培养箱中干燥的石蜡食团压成薄片状铺在透明塑料布上，使用软件Image pro-Plus 6.0提取图像特征(图3)。

RA代表红色区域面积，GA代表绿色区域面积，A代表除去孔洞部分面积，TA代表咀嚼后样品面积；W为样品宽度，L为样品长度。

根据式(2)～(7)计算食团参数，式(2)～(7)中：MIX为样品中红色区域和绿色区域与总面积之比，LW为咀嚼后样品的长宽关系，FF为咀嚼后样品的延展性，TA′为咀嚼后样品总面积与咀嚼前样品总面积之比，S2为咀嚼后样品中混合区域里红色光密度和绿色光密度的方差，TR为去除孔洞后样品面积与总面积之比，RA代表红色区域面积，GA代表绿色区域面积，A代表除去孔洞部分样品面积，L代表样品长度，W为样品宽度，TA代表咀嚼后样品面积，OA为咀嚼前样品的面积，DR为红色光密度，DG为绿色光密度，M为平均光密度。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Fisher判别法[21]可以用于建立判别方程并求得食团的咀嚼效果指数(MEI)，计算MEI的判别方程，见式(8)。在此种计算方法下，MEI值越小，越接近0，代表咀嚼的效果越好。

MEI=6.695·MIX+0.705·LW-0.028·FF-0.637·TA′+0.056·S2-2.995·TR+0.843 。

(8)

1.3.3.2 花生食团的测定方法

花生食团的测定方法为粒度测定法。中值粒径d50即50%颗粒质量能够通过的理论筛分粒径[22]。将培养箱中干燥的花生食团倒入8层筛网中进行筛分，每层筛网的筛孔直径分别为8.00、5.00、2.00、1.40、1.00、0.71、0.50、0.25 mm。经过完全的筛分后，对每一层筛网上的颗粒进行称重，进而求得每份花生食团的d50。

1.4 数据处理

采用Origin 2018、IBM SPSS Statistics 26软件对应数据进行统计分析，采用单因素方差分析方法分析数据的显著性(显著性水平0.05)，采用双变量相关性方法分析各变量的相关性。所有实验至少重复3次。

2 结果与分析

2.1 食团图像特征参数分析

表1显示了口腔加工实验中在体内和体外收集的石蜡食团的图像特征参数。对于体内实验，在相同咀嚼次数下组内样本间的MIX、LW、FF、TA′和S2的值波动较大，且伴随着咀嚼次数的增加，这些参数并未出现规律性的增长或下降。对于来自体外咀嚼的石蜡食团，在相同咀嚼次数下组内样本间的图像特征参数值波动较小，且随着咀嚼次数的增加，MIX和S2呈现出下降规律，FF和TA′呈现出增长的规律。为便于阅读，未在各样本的图像特征参数处标注标准差和显著性，只在完成计算后对MEI进行标注。

表1 石蜡样品经过体内和体外的3、6、10次咀嚼后形成食团的图像特征参数

2.2 测试食品的d50与MEI值分析

表2显示了来自体内和体外实验的花生食团的d50和石蜡食团的MEI。在每一种咀嚼次数的水平下，每位实验人员均完成生产3个食团，并在表中记录相关数据的平均值和方差。来自相同实验人员在相同咀嚼次数下的3个食团没有显著差异(P>0.05)，因此可以忽略重复效应。对于花生食团，当咀嚼次数为3次时，d50在5名测试人员(体内咀嚼)之间存在显著性差异，在仿口腔平台(体外咀嚼)的每次实验之间差异不显著。此时来自体内的d50的最大值为4.4 mm，小于来自体外的最小值4.8 mm。当咀嚼6次时，来自体内和体外食团的d50差异的显著情况与咀嚼3次时相似，且此时体内的最大值(2.7 mm)仍然小于体外的最小值(2.9 mm)。当咀嚼达到10次时，来自体内咀嚼实验的食团的d50基本不再有显著差异，此时体内的最大值(1.3 mm)大于体外的最小值(1.2 mm)。对于石蜡食团，其MEI受到体内、体外以及咀嚼次数的影响规律与花生食团相似。当咀嚼次数为3次和6次时，体内组的MEI差异显著，体外组差异不显著，体内组的MEI普遍小于体外组；当咀嚼次数为10次时，体内组和体外组的MEI差异均不显著，且两组间数值相近。

表2 体内和体外分别完成3、6、10次咀嚼后花生食团的d50以及石蜡食团的MEI

2.3 体内- 体外咀嚼次数与食团的MEI/d50的相关性分析

图4显示了体内实验、体外实验和咀嚼次数对食团的影响，表3显示了各变量间的相关性。由图4的数据分析可得：无论是体内实验还是体外实验，随着咀嚼次数的增加，石蜡食团的MEI[图4(a)]和花生食团的d50[图4(b)]均值均差异较大且显著降低(P<0.05)。体内组的标准差大于体外组。由图4可见，当咀嚼次数为3次和6次时，体内组的d50平均值和MEI平均值均小于体外组。当咀嚼10次时，体内组和体外组平均值基本相同。根据表3也可以看出：咀嚼次数与体内d50的相关系数为-0.945，双尾检验的显著性概率为0.000，双星号标记表明-0.945的相关性在0.01的水平上达到显著，这说明咀嚼次数与体内d50相关性很强；此外，负值的相关性系数又说明，咀嚼次数越多，体内d50均值越低。同理，结果分析也适用于体外d50、体内MEI、体外MEI。

*、**、***表示体内实验数据间差异显著(P<0.05)，#、##、###表示体外实验数据间差异显著(P<0.05)。

表3 Pearson相关系数及相关性检验结果

3 讨 论

相比于咀嚼测试人员，仿口腔平台的可重复性更高、可控性更好，相同条件下获得的实验结果之间差异更小，这与Peyron等[23]设计的咀嚼模拟器具有相同的优势。尽管测试人员经过咀嚼训练后使得平均咀嚼速度尽可能保持一致，但牙齿结构、咬合力、咬合过程的加速度以及咀嚼轨迹的差异都会影响牙齿与食品的相互作用程度，这是导致来自不同测试人员之间的样本存在显著差异的关键。相比之下，仿口腔平台的咀嚼过程是按照设定的轨迹和参数执行的，每次循环中牙齿对食品的作用位置及程度基本相同。当咀嚼处于初级阶段(咀嚼次数小于3次)，咀嚼机器人对食团的口腔加工效果低于测试人员，这是由于舌头在口腔加工过程中也发挥着作用[24]。舌头的运动使得测试人员的口腔加工具有自适应性[25]，即每次咀嚼前会在上一次的食团中自动感知大颗粒(厚度更高)的区域，并通过舌头将食团调整到更利于咀嚼破碎的位置，而仿口腔平台的舌头是固定的，只能起到防止食团掉落的作用。实验成果均基于实验所给的塑性和脆性食品材料，不同食品的质地特性也应作为影响咀嚼效果测定的参数。后续相关实验会考虑设计添加具备可变弹性且能够以运动构件的方式参与口腔加工的人工仿舌，结合人工神经网络模型实现自适应模糊控制，面向更多不同质地的食品材料，提升仿口腔平台咀嚼实验的仿生性以及咀嚼效果评定数据的准确性。

4 结 论

本研究提出了一种基于仿口腔平台咀嚼实验的客观评价咀嚼效果的方法，以食品级石蜡和花生作为咀嚼实验材料，建立咀嚼效果指数模型。无论是体内还是体外实验，随着咀嚼次数的增加，MEI均值差异较大且显著性降低，表明咀嚼效果逐渐变好；针对花生d50值，体外组均大于体内平均组，咀嚼次数越多，口腔加工的食品颗粒尺寸越小，咀嚼效果越好。因此，体内- 体外实验和咀嚼次数均具有相关性，d50与MEI受到这些条件的影响规律具有相似性。即在花生的d50评价方法和石蜡的MEI评价方法下，口腔加工实验并未因食物种类的不同导致结果产生差异，仿口腔平台在面向脆性(花生)和塑性(石蜡)材料的口腔加工与食团生产的功能上与人类口腔具有较高的一致性。