張奮楠， 周星宇,2， 俞經(jīng)虎,2，*， 錢善華,2， 楊濤濤

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無錫 214122；2.江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室， 江蘇 無錫 214122)

食品口腔加工是指在口腔中將食物轉(zhuǎn)變?yōu)榭赏萄适硤F(tuán)的過程[1]，主要包括上下頜的咀嚼運(yùn)動、牙齒與食品的相互作用、舌頭的攪拌運(yùn)動以及唾液與食品的混合。食品口腔加工能力直接影響人體的消化能力以及健康狀況。研究表明，由牙齒缺失[2]、咀嚼力下降[3]等原因?qū)е率称房谇患庸つ芰Φ拖氯巳旱木捉佬瘦^正常人低，這在老年人群中尤其常見[4]，因此咀嚼效率研究已成為食品設(shè)計、口腔康復(fù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵問題。盡管超聲波成像技術(shù)[5]和視頻熒光技術(shù)[6]可以捕捉食品口腔加工過程中的咀嚼運(yùn)動和食品團(tuán)的位置，但仍然無法直接觀察食品團(tuán)的形變過程，并且有部分食團(tuán)會在主要吞咽前就進(jìn)入腸胃[7]，使得由測試人員開展的咀嚼實(shí)驗中的食物團(tuán)不容易完整準(zhǔn)確收集，且食團(tuán)與唾液的比例難以確定；同時，食團(tuán)的形成受到多種口腔加工條件的影響，而不同測試人員之間的口腔加工參數(shù)不易量化和標(biāo)準(zhǔn)化，使得每次咀嚼實(shí)驗中食團(tuán)都是在一種不完全可控的過程中形成的。除此之外，在研究具有污染物的危害性食品(過期變質(zhì)食品、實(shí)驗性食品等)時，要求測試人員開展咀嚼實(shí)驗是不可行的。本研究團(tuán)隊前期開發(fā)的仿口腔平臺，是根據(jù)人類口腔數(shù)據(jù)設(shè)計和開發(fā)的[8-9]，可以再現(xiàn)人類下頜咀嚼運(yùn)動，目的是通過模擬口腔環(huán)境和咀嚼運(yùn)動，生成與人類咀嚼產(chǎn)生的性質(zhì)相似的食物團(tuán)，同時在食品口腔加工的過程中檢測食品的質(zhì)構(gòu)特性，從而為與食品口腔加工和食物團(tuán)等相關(guān)的多種研究提供一種實(shí)驗平臺。前人的研究主要集中于基于該平臺探究義齒壽命評估方法和食品的物性檢測[10-11]，而進(jìn)行食品咀嚼效率測定的研究較少。

咀嚼效果反映咀嚼能力的大小，是評估咀嚼作用實(shí)際效果的重要指標(biāo)。目前評定咀嚼效果的方法有很多，基于糖釋放的咀嚼效果測試[12]是根據(jù)咀嚼后食團(tuán)糖度釋放量推算咀嚼效果，該方法由于實(shí)驗易受沖洗時間和流水溫度等因素的影響，重復(fù)性較差；吸光度法是借助分光光度計測定溶液的吸光度，應(yīng)用在評定咀嚼效果方面時間較早[13]，該方法測試出的數(shù)據(jù)結(jié)果易受咀嚼測試物在懸濁靜置時不可避免的食物損失和時間不一致等因素的影響，因此在評定咀嚼效果方面應(yīng)用很少。脆性食品的過篩稱重法[14]和塑性食品的混色判別法[15]是常用的評價咀嚼效果的方法。過篩稱重法通過分析食物嚼碎的程度、測試物粒徑的中位數(shù)來表征咀嚼效果，多應(yīng)用于花生、杏仁等脆性食品，易觀察顆粒分布狀態(tài)，比較精確[16]；混色判別法則通過測定食物經(jīng)咀嚼后的混合程度間接評估個體咀嚼效果，該方法更全面、精確，在臨床方面應(yīng)用潛力大。

本研究擬通過仿口腔平臺對典型的脆性和塑性實(shí)驗食品開展咀嚼實(shí)驗，同時收集口腔加工能力良好的受試者咀嚼后的食團(tuán)，分別采用過篩稱重法和混色判別法對脆性和塑性食團(tuán)進(jìn)行計算。處理數(shù)據(jù)后對比食團(tuán)的評定指標(biāo)(包括脆性材料的中值粒徑和塑性材料的咀嚼效果指數(shù))，評定咀嚼效果，從而為減少人工成本、建立食品咀嚼模型、開發(fā)咀嚼能力受損人群合適食品、提高咀嚼受損人群咀嚼滿意度等提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗材料制備

選擇食品級石蠟和去皮熟花生作為咀嚼實(shí)驗的樣品。石蠟材料具備很好的塑性，食品口腔加工過程中形變顯著，且不易產(chǎn)生大面積破碎斷裂。石蠟樣品的制作過程：將組成成分相同的紅色和綠色石蠟切成10 mm×10 mm×2 mm的長方體，綠色石蠟布置于底層、中層和上層，每兩層綠色石蠟之間放置一片紅色石蠟，最終壓制成高度為10 mm的正方體石蠟樣品(圖1)。

圖1 制備完成的石蠟樣品

花生是一種典型的脆性食品，口腔加工過程中破碎效果顯著[17]?；ㄉ?jīng)過電子秤稱重，選取質(zhì)量相近、含水量(g/g)為(4±1)%的花生樣品。每次實(shí)驗前，將低溫干燥密封保存的石蠟樣品浸入 35 ℃ 恒溫水浴鍋中1 min來保證樣品的物性一致。每次實(shí)驗后，回收的食團(tuán)均編號并放置在培養(yǎng)箱中干燥0.5 h，以待測定。

1.2 仿口腔平臺設(shè)備

1.2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)

仿口腔平臺的整體結(jié)構(gòu)如圖2，主要包括仿生口腔環(huán)境和運(yùn)動系統(tǒng)。

(b)圖中，全局坐標(biāo)系建立在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)架上{O1}-XYZ，靜坐標(biāo)系{O}-xyz固連在上頜靜平臺上，動坐標(biāo)系{P}-uvw固連在下頜動平臺上。

1.2.2仿口腔平臺的咀嚼復(fù)現(xiàn)原理

咀嚼復(fù)現(xiàn)運(yùn)動是指在上下頜牙之間不斷重復(fù)的切向滑動和沖擊運(yùn)動，根據(jù)牙齒的功能性可以分成切牙的切割運(yùn)動、尖牙的壓碎運(yùn)動和磨牙的研磨運(yùn)動。仿口腔平臺的咀嚼復(fù)現(xiàn)運(yùn)動系統(tǒng)是基于經(jīng)典的Stewart結(jié)構(gòu)[18]進(jìn)行設(shè)計的，在空間中的標(biāo)準(zhǔn)自由度為6，完全可以實(shí)現(xiàn)下頜運(yùn)動的模擬以及咀嚼參數(shù)的控制。機(jī)構(gòu)的動力源為在同一圓周上布置的6臺步進(jìn)電機(jī)，每臺步進(jìn)電機(jī)通過滾珠絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的平移運(yùn)動，滑塊即成為直線執(zhí)行器的主體。每個滑塊通過球鉸和1根連桿與動平臺相連接，各機(jī)構(gòu)之間相互配合和約束，控制動平臺進(jìn)行空間運(yùn)動。由于切割運(yùn)動和壓碎運(yùn)動可用一維的直線運(yùn)動近似代替，所以在此主要描述研磨運(yùn)動。研磨運(yùn)動主要由開口相、閉口相和咀嚼相構(gòu)成，從牙尖交錯位開始運(yùn)動，此時下頜的速度較快，靠近最大開口時，運(yùn)動速度逐漸減小；當(dāng)閉合運(yùn)動開始時，運(yùn)動速度逐漸增加，當(dāng)磨牙位置接近即將產(chǎn)生咬合接觸時，運(yùn)動速度急劇下降，至此研磨運(yùn)動完成。根據(jù)臨床醫(yī)學(xué)中成年人下頜運(yùn)動的掃描軌跡[19]，磨牙的研磨運(yùn)動可用空間斜橢圓進(jìn)行表征，轉(zhuǎn)換為動平臺相對于靜平臺的運(yùn)動軌跡方程如式(1)。

(1)

式(1)中，x、y、z分別表示沿x軸、y軸、z軸的位移；α、β、γ分別表示沿x軸、y軸、z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

基于運(yùn)動學(xué)求逆的方法，首先對口腔加工過程中下頜的運(yùn)動軌跡進(jìn)行空間投影以及方程擬合，擬合出的方程可作為動平臺的原始運(yùn)動軌跡。通過RPY角方法進(jìn)行矩陣變換，即動平臺在空間內(nèi)的任意位置和姿態(tài)都可以通過動坐標(biāo)系{P}-uvw相對于靜坐標(biāo)系{O}-xyz3個坐標(biāo)軸方向的移動量x、y、z和繞3個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度α、β、γ來描述。以矩陣方程的形式描述動平臺的位姿與6個滑塊所處空間位置之間的關(guān)系，并分別推導(dǎo)出各滑塊的位移方程、速度方程和加速度方程。通過編制連續(xù)插補(bǔ)程序?qū)⒚枋?個滑塊的運(yùn)動量轉(zhuǎn)化為脈沖量。脈沖信號通過運(yùn)動控制卡輸入步進(jìn)電機(jī)中，整個機(jī)構(gòu)即可按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行空間運(yùn)動。

1.3 實(shí)驗方法

1.3.1體外口腔加工實(shí)驗

體外實(shí)驗是基于仿口腔平臺開展的。本實(shí)驗中，咀嚼次數(shù)是主要研究對象，設(shè)置為3水平(3、6、10次)自變量，其他咀嚼參數(shù)設(shè)置為常量，其中平均咀嚼速度為2 mm/s，咀嚼應(yīng)變?yōu)?00%(單次咀嚼中牙齒在Z軸方向?qū)κ称返淖饔昧浚?00%為食品的總高度，即上下牙齒在咬合運(yùn)動完成時接觸)，唾液輸送量為2 mL，口腔溫度為37 ℃，所用牙齒為第一磨牙和第二磨牙。

1.3.2體內(nèi)口腔加工實(shí)驗

召集測試人員5名，選擇標(biāo)準(zhǔn)：年齡在20～26周歲，除第三磨牙外其他牙齒完整且健康，無咀嚼障礙、吞咽障礙以及口腔疾病，對實(shí)驗食品無過敏反應(yīng)。體內(nèi)實(shí)驗分為3個階段：第一階段為咀嚼訓(xùn)練，評定人員在慢咀嚼條件下(單次咬合時間控制在 3～5 s，盡量使用兩側(cè)的第一磨牙和第二磨牙)對兩種實(shí)驗樣品進(jìn)行口腔加工，從而使得在后續(xù)的實(shí)驗中咀嚼參數(shù)保持相近；第二階段為吐出訓(xùn)練，評定人員需要在感覺樣品能夠被吞咽時盡量完整地吐出食團(tuán)，其中，當(dāng)咀嚼3次時，已經(jīng)初步有可吞咽的感覺，咀嚼超過10次以上，食團(tuán)已經(jīng)完全具備吞咽條件；在第三階段的咀嚼實(shí)驗中，將咀嚼次數(shù)分別設(shè)定為3、6、10次，實(shí)驗過程中評定人員達(dá)到指定的咀嚼次數(shù)后便將食團(tuán)吐出，并進(jìn)行回收。所有受試者在實(shí)驗前均給予詳細(xì)解釋并簽署知情同意書。

1.3.3咀嚼效果評定方法

1.3.3.1 石臘食團(tuán)的評定方法

石蠟食團(tuán)的評定方式為混色判別法。與采用雙色膠母糖作為實(shí)驗材料[20]不同的是，石蠟不易黏附在牙齒上，可降低咀嚼難度。通過咀嚼后實(shí)驗材料邊緣顏色對比度反映咀嚼效率易受主觀視覺影響，準(zhǔn)確性不高，故本實(shí)驗采用YX6060型工業(yè)相機(jī)拍攝食團(tuán)圖像。拍攝前先將培養(yǎng)箱中干燥的石蠟食團(tuán)壓成薄片狀鋪在透明塑料布上，使用軟件Image pro-Plus 6.0提取圖像特征(圖3)。

RA代表紅色區(qū)域面積，GA代表綠色區(qū)域面積，A代表除去孔洞部分面積，TA代表咀嚼后樣品面積；W為樣品寬度，L為樣品長度。

根據(jù)式(2)～(7)計算食團(tuán)參數(shù)，式(2)～(7)中：MIX為樣品中紅色區(qū)域和綠色區(qū)域與總面積之比，LW為咀嚼后樣品的長寬關(guān)系，F(xiàn)F為咀嚼后樣品的延展性，TA′為咀嚼后樣品總面積與咀嚼前樣品總面積之比，S2為咀嚼后樣品中混合區(qū)域里紅色光密度和綠色光密度的方差，TR為去除孔洞后樣品面積與總面積之比，RA代表紅色區(qū)域面積，GA代表綠色區(qū)域面積，A代表除去孔洞部分樣品面積，L代表樣品長度，W為樣品寬度，TA代表咀嚼后樣品面積，OA為咀嚼前樣品的面積，DR為紅色光密度，DG為綠色光密度，M為平均光密度。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Fisher判別法[21]可以用于建立判別方程并求得食團(tuán)的咀嚼效果指數(shù)(MEI)，計算MEI的判別方程，見式(8)。在此種計算方法下，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 花生食團(tuán)的測定方法

花生食團(tuán)的測定方法為粒度測定法。中值粒徑d50即50%顆粒質(zhì)量能夠通過的理論篩分粒徑[22]。將培養(yǎng)箱中干燥的花生食團(tuán)倒入8層篩網(wǎng)中進(jìn)行篩分，每層篩網(wǎng)的篩孔直徑分別為8.00、5.00、2.00、1.40、1.00、0.71、0.50、0.25 mm。經(jīng)過完全的篩分后，對每一層篩網(wǎng)上的顆粒進(jìn)行稱重，進(jìn)而求得每份花生食團(tuán)的d50。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2018、IBM SPSS Statistics 26軟件對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析方法分析數(shù)據(jù)的顯著性(顯著性水平0.05)，采用雙變量相關(guān)性方法分析各變量的相關(guān)性。所有實(shí)驗至少重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 食團(tuán)圖像特征參數(shù)分析

表1顯示了口腔加工實(shí)驗中在體內(nèi)和體外收集的石蠟食團(tuán)的圖像特征參數(shù)。對于體內(nèi)實(shí)驗，在相同咀嚼次數(shù)下組內(nèi)樣本間的MIX、LW、FF、TA′和S2的值波動較大，且伴隨著咀嚼次數(shù)的增加，這些參數(shù)并未出現(xiàn)規(guī)律性的增長或下降。對于來自體外咀嚼的石蠟食團(tuán)，在相同咀嚼次數(shù)下組內(nèi)樣本間的圖像特征參數(shù)值波動較小，且隨著咀嚼次數(shù)的增加，MIX和S2呈現(xiàn)出下降規(guī)律，F(xiàn)F和TA′呈現(xiàn)出增長的規(guī)律。為便于閱讀，未在各樣本的圖像特征參數(shù)處標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)差和顯著性，只在完成計算后對MEI進(jìn)行標(biāo)注。

表1 石蠟樣品經(jīng)過體內(nèi)和體外的3、6、10次咀嚼后形成食團(tuán)的圖像特征參數(shù)

2.2 測試食品的d50與MEI值分析

表2顯示了來自體內(nèi)和體外實(shí)驗的花生食團(tuán)的d50和石蠟食團(tuán)的MEI。在每一種咀嚼次數(shù)的水平下，每位實(shí)驗人員均完成生產(chǎn)3個食團(tuán)，并在表中記錄相關(guān)數(shù)據(jù)的平均值和方差。來自相同實(shí)驗人員在相同咀嚼次數(shù)下的3個食團(tuán)沒有顯著差異(P>0.05)，因此可以忽略重復(fù)效應(yīng)。對于花生食團(tuán)，當(dāng)咀嚼次數(shù)為3次時，d50在5名測試人員(體內(nèi)咀嚼)之間存在顯著性差異，在仿口腔平臺(體外咀嚼)的每次實(shí)驗之間差異不顯著。此時來自體內(nèi)的d50的最大值為4.4 mm，小于來自體外的最小值4.8 mm。當(dāng)咀嚼6次時，來自體內(nèi)和體外食團(tuán)的d50差異的顯著情況與咀嚼3次時相似，且此時體內(nèi)的最大值(2.7 mm)仍然小于體外的最小值(2.9 mm)。當(dāng)咀嚼達(dá)到10次時，來自體內(nèi)咀嚼實(shí)驗的食團(tuán)的d50基本不再有顯著差異，此時體內(nèi)的最大值(1.3 mm)大于體外的最小值(1.2 mm)。對于石蠟食團(tuán)，其MEI受到體內(nèi)、體外以及咀嚼次數(shù)的影響規(guī)律與花生食團(tuán)相似。當(dāng)咀嚼次數(shù)為3次和6次時，體內(nèi)組的MEI差異顯著，體外組差異不顯著，體內(nèi)組的MEI普遍小于體外組；當(dāng)咀嚼次數(shù)為10次時，體內(nèi)組和體外組的MEI差異均不顯著，且兩組間數(shù)值相近。

表2 體內(nèi)和體外分別完成3、6、10次咀嚼后花生食團(tuán)的d50以及石蠟食團(tuán)的MEI

2.3 體內(nèi)- 體外咀嚼次數(shù)與食團(tuán)的MEI/d50的相關(guān)性分析

圖4顯示了體內(nèi)實(shí)驗、體外實(shí)驗和咀嚼次數(shù)對食團(tuán)的影響，表3顯示了各變量間的相關(guān)性。由圖4的數(shù)據(jù)分析可得：無論是體內(nèi)實(shí)驗還是體外實(shí)驗，隨著咀嚼次數(shù)的增加，石蠟食團(tuán)的MEI[圖4(a)]和花生食團(tuán)的d50[圖4(b)]均值均差異較大且顯著降低(P<0.05)。體內(nèi)組的標(biāo)準(zhǔn)差大于體外組。由圖4可見，當(dāng)咀嚼次數(shù)為3次和6次時，體內(nèi)組的d50平均值和MEI平均值均小于體外組。當(dāng)咀嚼10次時，體內(nèi)組和體外組平均值基本相同。根據(jù)表3也可以看出：咀嚼次數(shù)與體內(nèi)d50的相關(guān)系數(shù)為-0.945，雙尾檢驗的顯著性概率為0.000，雙星號標(biāo)記表明-0.945的相關(guān)性在0.01的水平上達(dá)到顯著，這說明咀嚼次數(shù)與體內(nèi)d50相關(guān)性很強(qiáng)；此外，負(fù)值的相關(guān)性系數(shù)又說明，咀嚼次數(shù)越多，體內(nèi)d50均值越低。同理，結(jié)果分析也適用于體外d50、體內(nèi)MEI、體外MEI。

*、**、***表示體內(nèi)實(shí)驗數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)，#、##、###表示體外實(shí)驗數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)。

表3 Pearson相關(guān)系數(shù)及相關(guān)性檢驗結(jié)果

3 討 論

相比于咀嚼測試人員，仿口腔平臺的可重復(fù)性更高、可控性更好，相同條件下獲得的實(shí)驗結(jié)果之間差異更小，這與Peyron等[23]設(shè)計的咀嚼模擬器具有相同的優(yōu)勢。盡管測試人員經(jīng)過咀嚼訓(xùn)練后使得平均咀嚼速度盡可能保持一致，但牙齒結(jié)構(gòu)、咬合力、咬合過程的加速度以及咀嚼軌跡的差異都會影響牙齒與食品的相互作用程度，這是導(dǎo)致來自不同測試人員之間的樣本存在顯著差異的關(guān)鍵。相比之下，仿口腔平臺的咀嚼過程是按照設(shè)定的軌跡和參數(shù)執(zhí)行的，每次循環(huán)中牙齒對食品的作用位置及程度基本相同。當(dāng)咀嚼處于初級階段(咀嚼次數(shù)小于3次)，咀嚼機(jī)器人對食團(tuán)的口腔加工效果低于測試人員，這是由于舌頭在口腔加工過程中也發(fā)揮著作用[24]。舌頭的運(yùn)動使得測試人員的口腔加工具有自適應(yīng)性[25]，即每次咀嚼前會在上一次的食團(tuán)中自動感知大顆粒(厚度更高)的區(qū)域，并通過舌頭將食團(tuán)調(diào)整到更利于咀嚼破碎的位置，而仿口腔平臺的舌頭是固定的，只能起到防止食團(tuán)掉落的作用。實(shí)驗成果均基于實(shí)驗所給的塑性和脆性食品材料，不同食品的質(zhì)地特性也應(yīng)作為影響咀嚼效果測定的參數(shù)。后續(xù)相關(guān)實(shí)驗會考慮設(shè)計添加具備可變彈性且能夠以運(yùn)動構(gòu)件的方式參與口腔加工的人工仿舌，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)模糊控制，面向更多不同質(zhì)地的食品材料，提升仿口腔平臺咀嚼實(shí)驗的仿生性以及咀嚼效果評定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

本研究提出了一種基于仿口腔平臺咀嚼實(shí)驗的客觀評價咀嚼效果的方法，以食品級石蠟和花生作為咀嚼實(shí)驗材料，建立咀嚼效果指數(shù)模型。無論是體內(nèi)還是體外實(shí)驗，隨著咀嚼次數(shù)的增加，MEI均值差異較大且顯著性降低，表明咀嚼效果逐漸變好；針對花生d50值，體外組均大于體內(nèi)平均組，咀嚼次數(shù)越多，口腔加工的食品顆粒尺寸越小，咀嚼效果越好。因此，體內(nèi)- 體外實(shí)驗和咀嚼次數(shù)均具有相關(guān)性，d50與MEI受到這些條件的影響規(guī)律具有相似性。即在花生的d50評價方法和石蠟的MEI評價方法下，口腔加工實(shí)驗并未因食物種類的不同導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生差異，仿口腔平臺在面向脆性(花生)和塑性(石蠟)材料的口腔加工與食團(tuán)生產(chǎn)的功能上與人類口腔具有較高的一致性。