食品材料在人类咀嚼过程中的力学行为及食品质感性能的感官感知机制

食品的质感性能是人类触觉器官对食品结构、力学及外观等性能主观判断的综合反映，强烈地影响着人们对食品的接受程度、消费欲望和购买倾向。本研究试图应用三维咀嚼力及下颌运动测试技术，获取国人摄取不同食物时的主要咀嚼参数（如咀嚼力的大小、方向与分布、下颌运动的位置与速度等），并通过比较与之对应的食物或食物团块结构状态（如颗粒分布、水分含量、力学性能等）的变化,找出食品材料的力学性能在人类咀嚼过程中的演化模式及其与各咀嚼变量（包括牙齿闭合形式）间的相互联系，弄清食物在咀嚼期间的破碎机制以及唾液在食物团块形成和破碎过程中的作用，阐明食品质感性能的感官感知机制。其目的是为食品质感性能主客观测定建立合理有效的方法与标准，提高食品企业的新产品开发能力和产品质量控制水平，满足不同消费群体（如儿童与老人）的个性化饮食需要以及牙齿功能的恢复与改善、义齿材料及义齿结构的研究和开发提供坚实的理论基础。

人类的咀嚼活动既是由中枢神经系统控制的生理过程，又是受食品力学和几何性能影响的物理过程，取决于人体本身的生理特性和食品材料在口腔内的变形与断裂方式。为确定食物颗粒在人们切齿首次咬合及后续咀嚼过程的受力条件，获取不同食物被咀嚼时的咀嚼力、下颌运动以及食物团块的力学性能变化等信息，我们利用霍尔元件研制了一套非接触式三维磁性下颌运动测量装置，设计并制作了六套由梁式微型三维咀嚼力传感器和试验用全口义齿组成的三维咀嚼力试验装置和一套食物团块性能测试装置。在这些技术建立的基础上，我们进行了四批次实际咀嚼试验，取得了一些基本的咀嚼力及其对应的下颌运动数据，同时也发现了试验中尚存在一定的技术问题。除了受力条件（即载荷的类型、分布及其随时空的变化）外，食品材料本身的力学性能和流变学性能对其在口腔中的变形与断裂也起着决定性作用。为此我们测定了不同食品材料在几种不同加载速率下的基本力学性能（弹性模量、屈服强度、断裂韧性）及其变化范围；研究了不同食品的应力松弛性能，建立了最新的用于描述包括食品材料在内的粘弹性材料的应力松弛模型，并将其推广应用到了其它研究领域。基于切齿的首次咬合可能在食品质感性能评估中所起的关键性作用，我们深入分析了不同食品咬合力-切齿穿刺深度-时间曲线，定义了切齿刺穿食物过程中的一些特征距离和特征时间，研究了食品类型和试样尺寸对切齿首次咬合时咬合力、咬合功和下颌运动模式的影响，提出了首次咬合时的载荷-穿刺深度曲线包含着食品质感性能的重要信息以及牙周力学受体不是食品质感性能唯一感知通道的观点。研究结果表明：（1）咬合力的发生与发展主要受食品材料的应力-应变性能和试样尺寸所支配，最大咬合力和最大咬合功的组合可能是感知食品质感性能的主要信息源；咬合力-咬合深度曲线包含的信息将是帮助于人们理解食品质感性能感官感知机制的有力工具；（2）试样厚度对脆性食品的各项特征距离和特征时间无太大的影响；随着厚度的增加，韧性食品的各项特征距离和特征时间相应延长；（3）平均加载时间与平均卸载时间之间具有良好的线性关系，其斜率可明显地被用于区别韧性食品和脆性食品；韧性食品比脆性食品具有更长的平均卸载距离和卸载时间。本研究为弄清人体器官与食品之间相互作用特别是咀嚼（咬合）力、下颌（或牙齿）运动模式和食物性能之间的相互关系奠定了必要的前期基础。