基于仿咀嚼平台的粘弹性食品形变机理及口感评价研究

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近年来为了符合各类人群的需要,形形色色的新食物层出不穷,但由此衍生的食品安全问题更是值得关注。食品质地作为衡量其品质的重要指标,能够有效地帮助企业进行产品的研发,推动运输、存储、销售等各个环节的完善,进而在一定程度上促进人体的口腔健康。因此,基于咀嚼作用中食品的变形过程,探索高效准确的食品质地检测与口感评价方法,具有重要的理论意义和应用价值。本文面向粘弹性食品材料,就口腔加工中食品变形机理与口感评价方法进行研究。具体内容如下:以口腔加工角度,探究粘弹性食品材料的形变机理。阐述粘弹性材料本构模型的基本理论,以此展开对应食品的力学特性研究。以TMS-PRO质构仪为实验平台,先对不同配比凝胶进行两种速率下的压缩实验,分析应力-应变曲线的变化趋势,对比不同样品的力学性能;再通过七单元广义Maxwell模型,拟合应力松弛实验的应力-时间曲线,表征材料的粘弹性。将实验所得食品材料输入进有限元仿真当中,并设置不同咀嚼条件模拟真实口腔加工。结果显示,相比于咀嚼时间,牙齿作用区域对粘弹性食品破坏的影响更大,且磨牙作用下的破碎效果更好。提出基于仿咀嚼平台的食品质地检测方法。根据人类的口颌系统与生理特征,总结下颌在咀嚼过程中存在的三种运动方式,并仿照人类口颌系统,选择6-PSS并联机构作为仿咀嚼实验平台的核心,在自由度验证计算后安装相关部件完成平台的初步搭建。为平台设定位姿变换坐标系,开展运动学分析求得下颌部分位移量与连接支链变化量之间的映射关系。结合前人研究基础,规划平台的仿生运动轨迹,并通过Adams软件中虚拟样机的运动复现,判断轨迹的合理性;基于所规划的轨迹,安排有效的平台控制方案与驱动程序,从而达到精准的仿生咀嚼控制。应用质地剖面分析方法,在上下齿中安装相应的力学传感器,令平台在仿生运动的同时兼具质地分析的功能,并与质构仪的实验对比下,表明其能够满足检测常见粘弹性食品质地的需求。采用神经网络技术建立粘弹性食品的口感评价模型。以制备的不同成分明胶软糖样品作为研究对象,分别通过仿咀嚼平台测得物性参数,评价人员品尝得到口感分数,并对感官实验结果利用模糊综合评价方法进行处理,获取每个样品的综合口感得分。然后将物性参数作为输入量,综合评价得分作为输出量搭建GA-BP神经网络评价模型,并以增加虚拟样本的方式扩充样本量。在多模型的训练对比下,确定网络最佳拓扑结构为6×8×1,该结构下的模型具有较好的拟合度,其最大误差为1.61%。最后,选择市售的三款明胶软糖样品进行验证,预测误差也均在±5%以内。本文针对粘弹性食品所提出的质地检测与口感评价方法,不仅可以弥补仪器检测的弊端,提高品质分析的准确度,而且为其他类型食物的质地检测提供了方法借鉴。同时,搭建的仿生咀嚼平台也可用于口腔医学方面的研究及探索。
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