口腔軟摩擦理論與測量技術(shù)及其在食品感官 感知研究中的應(yīng)用

汪 琦，朱 揚，陳建設(shè)*

（浙江工商大學食品與生物工程學院，食品口腔加工實驗室，浙江 杭州 310018）

食物在食用過程中的質(zhì)構(gòu)和口感是引起食品感官愉悅的重要組成部分，對消費者的食品偏愛及接受度產(chǎn)生直接影響。人們對于食品質(zhì)構(gòu)的感知取決于食品組成成分、微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀層次上通過視覺、味覺、觸覺和聽覺衍生出來的感官感知。雖然視覺、聽覺和觸覺都有助于質(zhì)構(gòu)感知，但最有價值和最主要的信號則來自口腔的觸覺[1]。

食品質(zhì)構(gòu)定義的最早描述是由Matz提出，即“一種食物或飲料入口后口腔皮膚的混合感覺，它與樣品材料的密度、黏度、表面張力和其他物理特性有關(guān)”[2]。食品質(zhì)構(gòu)研究的重大突破包括兩個部分：一是在19世紀中期，F(xiàn)riedman等對食品質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的食品物理學闡釋，對一些質(zhì)構(gòu)特征（如硬度、內(nèi)聚性、黏度、彈性、黏附性、脆性、咀嚼性和黏性）給出了有意義的解釋與 定義[3]，Chen Jianshe通過二次壓縮法得到力-形變曲線，對上述性質(zhì)進行測定[4]。另一項突破是Shama等將流變學特性與感官感知相關(guān)聯(lián)，研究結(jié)果顯示口腔加工行為隨食物黏度不同施加不同的剪切應(yīng)力，如食用低黏度流體時，舌面與上顎間保持最小的剪切力，而食用高黏度食物時，舌面與上顎之間保持最大的剪切力[5]。隨著流變儀器的發(fā)展，食品的流變學研究在揭示食物的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)方面起到了重要作用[4]。但有研究者認為這兩種研究方法過于簡化了食品質(zhì)構(gòu)在口腔加工過程中的變化，缺乏對食物在攝取至吞咽這一動態(tài)過程中質(zhì)構(gòu)變化的認知[6]。

Lucas等探討了食品質(zhì)構(gòu)對咀嚼行為的影響，描述了對咀嚼和吞咽過程都具有預(yù)測力的生理模型，同時提出食物入口被舌捕獲及操控過程中摩擦行為的重要性[7]。Hiiemae也提出類似結(jié)論，其根據(jù)尺寸減小程度將食品口腔加工分為兩個階段，階段一：食物入口至臼齒的運輸階段；階段二：食物從口腔進入口咽的吞咽階段。在兩個階段的間隙，會因根據(jù)食物質(zhì)構(gòu)的不同發(fā)生不同的口腔加工過程，同時食物顆粒變小，與口腔中的唾液混合，最后形成可以吞咽的食團[8]。另外，在吞咽結(jié)束后還存在舌頭掃過口腔以收集碎屑形成“最終食團”并運送吞咽的過程[8]。質(zhì)構(gòu)感知是對食物在口腔中發(fā)生變化的動態(tài)感官監(jiān)測過程，并非儀器測的單一特性可描述的。Hutchings等提出了由“結(jié)構(gòu)度”、“潤滑度”和“時間”3 個軸組成的食物通用三維模型，不同食物在口腔中被加工時，將在3 個維度中具有特有的“分解路徑”[9]。該模型將食品口腔加工與時間聯(lián)系起來，使質(zhì)構(gòu)感知過程從靜態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)，十分有助于食品質(zhì)構(gòu)的研究[4]。

傳統(tǒng)的食品質(zhì)構(gòu)研究試圖描述和量化食物在口腔中感知的物理性質(zhì)變化，主要基于整體破壞與剪切形變，利用法向力或剪切力引起的材料形變特性來解釋特定的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)，但是這些方法卻無法解釋如乳脂感、光滑感、光滑感等質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。這些特殊的感官屬性不單與體相 形變有關(guān)，而更多與薄膜潤滑或摩擦學有關(guān)[1]。隨著摩擦學的發(fā)展，在過去10 年左右的時間里出現(xiàn)了關(guān)于“軟摩擦學”（即涉及至少一個表面為可形變接觸面的摩擦學）的概念，為評估食品口腔中的潤滑行為提供了新的研究方法和參考。本文闡述了摩擦學的基本原理和口腔軟摩擦學的基本知識，著重介紹了軟摩擦學建立的口腔生理學基礎(chǔ)和測量方法，同時概括了應(yīng)用口腔軟摩擦技術(shù)研究食品感官感知的最新進展。

1 摩擦學原理

1.1 摩擦學是一個系統(tǒng)屬性

摩擦學主要研究的是兩個接觸表面間發(fā)生相對位移時的現(xiàn)象，包括阻礙兩相運動的摩擦力、表面磨損、表面潤滑等。在兩接觸面性質(zhì)固定且無潤滑劑存在的情況下，摩擦阻力F與垂直方向上的法向應(yīng)力Fl成正比，即F＝μ0Fl，其中μ0為摩擦系數(shù)，定義為摩擦力與法向應(yīng)力的比值；在接觸面表面微結(jié)構(gòu)、化學構(gòu)成等固定且不隨實驗過程變化的情況下，μ0為定值。但當兩接觸面間存在潤滑液時，將產(chǎn)生與法向力相反的力（F’）作用于上下表面，從而達到減少摩擦力的目的，此時的摩擦力可以表示為F＝μ（Fl－F’）。在潤滑情況下，摩擦系數(shù)μ會顯著降低。更重要的是，此時的摩擦系數(shù)不再是一個常數(shù)，而是一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)變量，除了受體系的基底表面性質(zhì)影響外，更受由滑移速度、法向載荷和潤滑劑性質(zhì)（黏度）共同影響，后三者組合決定了潤滑薄層的厚度[10]。當摩擦行為發(fā)生于柔軟基質(zhì)表面時，接觸面間摩擦力可通過許多系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整，摩擦行為受納米至厘米厚度的潤滑膜影響。如增加接觸面間的表面粗糙度、材料的結(jié)構(gòu)剛度、接觸面間的黏附力等（圖1）[11]，均會導致摩擦系數(shù)的增加。由此可見，食品口腔加工過程中的唾液分泌、口腔溫度、舌面形貌以及食品組成都會影響口腔中的摩擦行為。

圖 1 界面間摩擦機制示意圖[11]Fig. 1 Schematic diagram of friction mechanisms between two surfaces[11]

1.2 復(fù)雜流體的潤滑區(qū)間——Stribeck曲線

在摩擦學研究中，Stribeck曲線通常被用于描述表觀摩擦系數(shù)μ與摩擦變量（黏度η、速率v和法向負荷W）之間的關(guān)系（圖2）。Stribeck曲線一般從左往右分為邊界層區(qū)、混合層區(qū)和流體動力層區(qū)3 個區(qū)間。邊界層區(qū)的摩擦行為取決于分子尺度上的表面和界面膜性能；流體動力層區(qū)出現(xiàn)在夾帶流體足以支撐載荷的情況下，摩擦行為取決于流體黏度和滑移速度；而在混合層區(qū)，表面性質(zhì)和流體性質(zhì)都影響摩擦行為[1]。由Stribeck曲線可知，當潤滑層足夠厚時，系統(tǒng)進入流體動力層區(qū)，流變行為占主導地位。但是在邊界層區(qū)和混合層區(qū)，液體流變性質(zhì)的相關(guān)性減弱，而摩擦潤滑作用成為主要機制。

圖 2 Stribeck曲線示意圖[12]Fig. 2 A Stribeck curve[12]

2 口腔軟摩擦的基本知識

隨著摩擦學的逐漸發(fā)展，人們對口腔摩擦行為的關(guān)注逐漸從如何減少硬質(zhì)牙齒間磨損[13-14]向軟摩擦轉(zhuǎn)變。軟摩擦不同于傳統(tǒng)的機械摩擦行為，發(fā)生于至少一面具有可塑性的表面之間，在人體和日常生活中無處不在，如汽車輪胎、人體關(guān)節(jié)間的軟骨、眼瞼與眼球的接觸等[10]。 口腔軟摩擦與潤滑涉及剪切變形的粗糙柔性基質(zhì)，例如人舌、上顎、食團等，這些因素構(gòu)成基本口腔摩擦體系，而其中最重要的生理基礎(chǔ)是人舌表面存在的乳狀突起和唾液薄層。乳狀突起的存在使舌頭表面粗糙以增加舌頭對食物的操控能力，而唾液薄層的存在則起到表面潤滑和利于食品在口腔內(nèi)移動的作用。使用較好模擬口腔環(huán)境的摩擦測量裝置獲得的摩擦系數(shù)能揭示感官感知的摩擦學基礎(chǔ)，更好地預(yù)測感官屬性。

2.1 口腔生理環(huán)境

人舌是人體非常特殊的器官，在食物的操縱、吞咽以及感官感知方面起著至關(guān)重要的作用[4]。尤其是對于流體食物，在口腔加工過程中舌與食物密切接觸，舌體內(nèi)舌縱肌、舌橫肌、舌垂直肌在3 個維度操縱食物在 口腔中運輸[4]，舌頭表面的味蕾與神經(jīng)末梢感知食物的味道和質(zhì)地[8]，口腔內(nèi)黏膜與食物的摩擦和潤滑行為在食物口腔感官中起著關(guān)鍵作用[15]。健康人舌的楊氏模量通常在2.5 kPa左右[16]，而舌面與上顎間可產(chǎn)生30～70 kPa的 壓強[17]。人舌和皮膚相似，是一種觸覺神經(jīng)和肌肉發(fā)達的特殊感受系統(tǒng)，由上皮細胞、肌肉和腺體3 個部分組成[18]，上皮細胞上包含味蕾和乳頭狀突起，其中乳突具有4 種類型，即菌狀、絲狀、環(huán)狀和葉狀乳突[19]。菌狀和絲狀乳突在食品感官感知中占據(jù)主要作用，菌狀與絲狀乳突感受到外界刺激后，由三叉神經(jīng)末梢將信息傳遞給大腦中樞神經(jīng)，從而形成對食物質(zhì)構(gòu)、風味的綜合感知[20]。絲狀乳突呈錐型，柔韌且向后傾斜，遍布舌背表面，其中包括規(guī)則的神經(jīng)終端小體結(jié)構(gòu)[21-23]，被認為主導舌面摩擦與觸覺感知，是重要的機械感知乳突。菌狀乳突被絲狀乳突包圍，呈柱狀或蘑菇狀，直徑是絲狀乳突的兩倍[19]，包含著大量來源于三叉神經(jīng)的自由神經(jīng)末梢，并含有感受溫度、痛覺等的瞬時離子通道[24-25]。菌狀乳突密集區(qū)域，即人舌前半部分對蔗糖/甜味、NaCl/咸味、丙硫氧嘧啶（6-n-propylthiouracil，PROP）/苦味的感知強度顯著高于其他區(qū)域[26]，依據(jù)對于一些特定感官屬性（苦味）感知能力的不同，受試者可被分為超級品嘗者、中等品嘗者和低品嘗者。通常依據(jù)受試者對特定濃度PROP的打分評定進行分類，此外研究發(fā)現(xiàn)超級品嘗者特定區(qū)域的菌狀乳突密度顯著高于其余兩類人群[27-29]，數(shù)量可能相差10 倍之多[30]。雖然不是所有菌狀乳突中都含有味蕾細胞，但目前在味覺感知研究方面，菌狀乳突的數(shù)量仍常常被用于與口腔感知相關(guān)聯(lián)[29]。

舌面由于這些乳突的存在具有特殊表面形貌，但探索舌面乳突與表面粗糙度關(guān)聯(lián)性的研究仍較少。研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加，舌面乳突逐漸難以分辨，舌面變得光滑（具有較低的表面粗糙度），同時發(fā)現(xiàn)，兒童舌面的菌狀乳突個數(shù)顯著高于成年人，因此年齡被認為是菌狀乳突萎縮的主要原因[31-32]。在對舌背表面粗糙度的研究中發(fā)現(xiàn)：人的舌背表面基于微小區(qū)域形貌評定的算數(shù)平均粗糙度（Sa）在個體間差異明顯，但總體符合高斯正態(tài)分布，占比最高的為70 μm左右。同時研究表明舌背面左右兩側(cè)區(qū)域相對對稱，中間區(qū)域粗糙度顯著高于 兩側(cè)[33]，這可能是由于舌面中部易出現(xiàn)凹痕、裂紋，導致粗糙度增加。而另一項基于線輪廓計算的算數(shù)平均粗糙度（Ra）在65 μm左右[34]。不同粗糙度表面通過影響均一潤滑膜的形成能力來影響潤滑行為：在與人舌具有相似粗糙度（Ra）的橡膠表面，干燥與水潤滑條件下（接觸角最大），摩擦系數(shù)隨表面粗糙度的增加（低密度柱狀結(jié)構(gòu)）而顯著降低，而在油溶液潤滑系統(tǒng)中（接觸角最?。呙芏戎鶢罱Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生更高的摩擦系數(shù)[35]。 在一項原位口腔摩擦的實驗中發(fā)現(xiàn)，在邊界潤滑層時，原位摩擦系數(shù)與表面粗糙度（Sa）呈正相關(guān)[33,36]；當潤滑發(fā)生于混合層或邊界層狀態(tài)時，表面粗糙度作為接觸表面基本性質(zhì)之一，也直接或間接影響接觸面間的潤滑行為。因此，人舌作為口腔內(nèi)軟接觸的主要部分之一，獲悉其物理性質(zhì)（如體積、楊氏模量、表面粗糙度等）對于理解口腔軟摩擦和食品感官機理至關(guān)重要，同時，對于舌面乳突形貌特征的統(tǒng)計研究可作為研究舌面粗糙度的一種輔助手段。

食物在口腔加工過程中另一個必不可少的關(guān)鍵因素是唾液分泌。唾液是一種成分復(fù)雜的生理分泌物，由98%的水和少量有機與非有機物質(zhì)組成，包括電解質(zhì)、黏液、黏蛋白（mucoprotein，MUC）、抗菌物質(zhì)、酶等。唾液具有以多組分蛋白膜的形式吸附于不同化學性質(zhì)底物上的能力[37]。黏蛋白，如MUC5B被認為是形成潤滑層的主要分子，而膜結(jié)合的MUC1增強了唾液中MUC5B在口腔上皮細胞的錨定作用[38]。低分子質(zhì)量組分物質(zhì)吸附，如充當“前體”的膜蛋白（富酪蛋白）、糖基化黏蛋白被認為促進了唾液膜在疏水性基質(zhì)上的擴散、吸附和固化[37,39-40]，常常被認為是唾液膜形成、促進水邊界潤滑的原因。但作為唾液中最豐富的蛋白質(zhì)，α-淀粉酶不與任何蛋白結(jié)合參與唾液薄層形成，在食用含淀粉的食物時，唾液中的高活性α-淀粉酶有助于食物中淀粉的水解，是食物在口腔中厚度持續(xù)降低的主要原因[41]。在口腔黏膜表面，唾液吸附層厚度一般為30～100 nm[42-44]。食物進入口腔時，在嗅覺、味覺、機械接觸的刺激下，唾液分泌量增加，刺激性唾液與食物顆粒通過毛細血管橋接、絮凝作用形成食團，使淀粉和脂類物質(zhì)被消化，并稀釋和清除口腔內(nèi)的細菌[45]，而對于口干癥患者而言，靜息狀態(tài)下幾乎不能產(chǎn)生唾液，強烈的口腔摩擦會產(chǎn)生灼痛感[46]。

唾液性質(zhì)還會因食物發(fā)生變化[47]，紅酒和水果中的單寧酸和含沒食子環(huán)結(jié)構(gòu)的兒茶素會導致大量唾液蛋白沉淀和聚集，顯著改變唾液潤滑薄膜邊界層潤滑性能[48]。 糖蛋白被認為是唾液薄膜的主要功能成分[49-50]，然而，僅包含純化黏蛋白的吸附層模型與真實的吸附唾液膜層的結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯不同，這是因為唾液膜中除黏蛋白外還存在多糖、無機鹽類等多種成分之間的相互作用[51]。圖3 為唾液吸附膜機理示意圖，唾液吸附薄層由固定于黏膜表面的錨定層和潤滑層組成。通過配制類真實唾液環(huán)境的無蛋白鹽溶液，以取代除吸附表面外的唾液相來揭示唾液薄膜損耗機制時，發(fā)現(xiàn)當鹽溶液離子強度與口腔生理條件相對應(yīng)的強度相比更低時，預(yù)吸附的蛋白質(zhì)唾液膜在高負荷下易受剪切誘導磨損；但當有大量唾液存在時，即使在高負荷下也未觀察到唾液薄膜的耗散，Macakova等推測這是由于磨損發(fā)生后蛋白質(zhì)能夠迅速從大量唾液儲備液中重新吸附于表面，并最終愈合磨損的區(qū)域[52]。由于唾液成分復(fù)雜，仍然沒有真實唾液的完全替代品可用于摩擦學研究。最近研究表明，雖然收集得到的唾液經(jīng)過低溫冷凍（-80 ℃）后其黏彈性會有顯著變化，但唾液的潤滑性能與處理前相差無幾[53]，然而這一結(jié)論仍有待進一步證實。

圖 3 唾液吸附膜示意圖[52]Fig. 3 Schematic illustration of saliva adsorption film[52]

2.2 摩擦行為的測量方法

口腔軟摩擦涉及食物與兩個相互作用表面（上顎-舌） 的相對運動，但是由于倫理與道德的因素，口腔原位摩擦行為的測量較為困難，因此利用商用或自制的摩擦儀體外模擬食品在口腔中的摩擦行為成為合理的選擇。

摩擦測試儀是早期用于測試摩擦行為的裝置之一（圖4），摩擦測試儀包括一個載物室、一個金屬傳動裝置和一個特殊設(shè)計的摩擦帶（材質(zhì)為橡皮筋環(huán)），通常用于評估一些特定食物的口腔感官感知。盡管該裝置簡單，但利用該裝置進行唾液潤滑作用的研究發(fā)現(xiàn)，它能夠?qū)⒋植诟泻腿橹信c摩擦系數(shù)聯(lián)系起來[54]。由于使用該裝置時存在測試時間較長（通常1～2 h）、摩擦帶更換頻繁、無控溫限速裝置等問題，其在研究食品口腔加工方面的應(yīng)用受到限制。

圖 4 摩擦測試儀簡易圖[55]Fig. 4 Simple diagram of the friction tester[55]

近10 年來，基于流變儀的摩擦測量裝置被廣泛制造并商用，流變儀可輕松控制施加的法向力、測量速度、測量間距、實驗溫度等一系列參數(shù)。例如，球三板摩擦儀（圖5）可在較大速率范圍（1×10-8～1.14 m/s） 和精確的溫度控制（-40～200 ℃）條件下進行摩擦行為的測量[56]。但球狀接觸面與三板為45°傾斜接觸，輕微接觸不均就可影響實驗結(jié)果，這使每次 改變接觸面材質(zhì)和加樣變得困難、難以控制。而同樣連接流變儀的摩擦小室（圖6）則使用雙不銹鋼或聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）球夾具垂直接觸，在不銹鋼底面旋轉(zhuǎn)滑動摩擦，測試除可以控制溫度、速度外，還可以控制不同的質(zhì)量梯度與接觸面間距[57]。 但該裝置目前主要用于牛頓流體的研究，對于非牛頓流體應(yīng)用的可行性仍待進一步驗證。兩種摩擦學裝置： 單球-三板和平板-雙球摩擦學測量系統(tǒng)的結(jié)果差異是由于雙球系統(tǒng)為水平板，而單球系統(tǒng)為45°錐板，意味著測量過程中潤滑劑易從中流出，可能造成測量結(jié)果不準確[58]，因此，平板-雙球為更好的摩擦系統(tǒng)接觸方式。

圖 5 連接流變儀的球三板摩擦儀的簡易圖（A）和實際圖（B）[56]Fig. 5 Simple diagram (A) and actual diagram (B) of friction device with ball-on-three-plate tribometer[56]

圖 6 摩擦小室的簡易裝置圖[57]Fig. 6 Simple device diagram of the friction chamber[57]

Taylor等在球三板摩擦儀的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了連接流變儀的三球-平板式摩擦儀（圖7），其上接觸面材料為鋼，下接觸面為PDMS，并將球板的接觸方式由45°錐板改進為平板，其中下底面保持靜止，測量過程中為滑動摩擦模式[59]。該裝置可進行的實驗速率為0.002～150 mm/s，具備精確控溫（25 ℃）條件下進行實驗的能力，然而該裝置對于非牛頓流體應(yīng)用的可行性仍待進一步驗證。

Dresselhuis等設(shè)計了裝有光學裝置的摩擦儀（圖8），樣品放置在可拆卸的上表面和固定的玻璃平板之間，在儀器下部放置的共聚焦顯微鏡可以在運動發(fā)生的同時捕捉微觀結(jié)構(gòu)上的變化。該裝置的運動模式為水平振蕩，移動距離為16 mm，最大振蕩速率可達到80 mm/s，垂直方向上施加載荷為Fz，摩擦力Fx可被檢測[60]。但是上表面的材料（豬舌頭）限制了實驗速度，同時由于豬舌存在個體差異性，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性受到影響。Carpenter等對該裝置進行改裝，在透明玻璃板上另附加透明PDMS層，上接觸表面使用硅橡膠半球。原來的軟介質(zhì)與硬介質(zhì)接觸變?yōu)閮绍浗橘|(zhì)接觸，使這套摩擦儀更適合模擬口腔環(huán)境[61]。

圖 7 連接流變儀的三球-平板式摩擦儀示意圖[59]Fig. 7 Schematic diagram of the three-ball-plate tribometer connected to the rheometer[59]

圖 8 連接光學裝置的摩擦儀簡易圖[60]Fig. 8 Simple diagram of the tribometer connected to the optical structure[60]

以水平振蕩模式為理念設(shè)計的摩擦儀包含兩種接觸模式，一種為弧形表面與板接觸（如光學構(gòu)造摩擦儀）；另一種為板-板接觸模式。Tsui等[62]設(shè)計的球-板水平振蕩摩擦儀（圖9），上表面材料為PDMS，下表面為玻璃，可在23～25 ℃的溫度范圍內(nèi)進行摩擦測量，測試距離為1 mm，振蕩速率為20 mm/s，可進行實驗的距離過短是此裝置的局限。Fuhrmann等[63]使用板-板水平振蕩摩擦儀（圖10）可實現(xiàn)大范圍實驗速度下摩擦行為的測量，測量速率為0.1～90 mm/s，測試距離為5 mm，該裝置利用PDMS平板與唾液充分混合后的食團接觸，一定程度上還原了食團經(jīng)口腔加工后與口腔組織間的摩擦行為。

小型牽引裝置（mini-traction machine，MTM）是一種主要用于工程研究的商用摩擦儀（圖11）[10]，裝置為板-球 接觸，可實現(xiàn)PDMS-PDMS軟介質(zhì)接觸，兼顧滑動/滾動兩種測量方式，測量速度范圍覆蓋廣（1～2400 mm/s）， 但造價昂貴、維護成本高是其應(yīng)用于食品科學研究的主要障礙。利用質(zhì)構(gòu)儀作為牽引裝置的自制摩擦儀由于其親民的價格、簡便的操作模式被應(yīng)用于與摩擦行為相關(guān)的 食品口腔加工研究[48,64–67]。如圖12所示，該裝置設(shè)計為 板-三球式接觸，可實現(xiàn)接觸介質(zhì)均為PDMS，同時接觸介質(zhì)可根據(jù)實驗要求更換而不受限于生產(chǎn)廠家。另外，該裝置能實現(xiàn)水浴控溫和質(zhì)構(gòu)儀控速（0.01～40 mm/s）， 但由于其測量速度的限制，部分情況下難以測得完整的流體動力層。

圖 9 球-板振蕩摩擦儀[62]Fig. 9 Ball-plate oscillation friction tester[62]

圖 10 平板-食團摩擦測量儀[63]Fig. 10 Flat-bolus friction measuring instrument[63]

圖 11 小型牽引裝置簡易圖[10]Fig. 11 Schematic diagram of mini-traction device[10]

圖 12 連接質(zhì)構(gòu)儀的摩擦裝置簡易示意圖[64]Fig. 12 Simple schematic diagram of the friction device connected to the texture analyzer[64]

理想的用于研究口腔潤滑測試的接觸介質(zhì)材料表面應(yīng)能完全復(fù)制口腔組織與唾液或食物的相互作用，這就要求其具有與舌面/上顎相似的化學性質(zhì)與表面粗糙度[1]，這在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)摩擦學研究使用的不銹鋼、聚四氟乙烯、玻璃等材料的表面粗糙度的改變?nèi)菀讓崿F(xiàn)，但其硬度過高不易發(fā)生形變，難以模擬口腔中軟摩擦現(xiàn)象。生物組織（如豬舌、豬食道）也是體外軟摩擦實驗基底材質(zhì)良好的選擇，然而難以保證生物組織物理化學性質(zhì)的可重復(fù)性，限制了從這類研究中獲得數(shù)據(jù)的可靠性。PDMS作為一種有機硅彈性體，目前是廣泛應(yīng)用于摩擦儀的材料之一。PDMS與人舌表面同樣具有疏水性[68]，人舌表面通常由于覆蓋的唾液薄層表現(xiàn)為親水性，而PDMS在經(jīng)過簡單的等離子液體表面處理后可獲得親水表面[69-70]。使用PDMS的另一個優(yōu)勢在于易通過模具塑形，利用刻蝕技術(shù)可制作具有特定微結(jié)構(gòu)的潤滑表面[71-72]，同時具有良好的生理惰性，具備在廣泛溫度條件下保持穩(wěn)定理化性質(zhì)的能力[73]。 具有不同楊氏模量的摩擦儀基底會影響摩擦測量結(jié)果，PDMS的楊氏模量可以通過在混合過程中改變聚合物濃度或交聯(lián)比在合理范圍內(nèi)進行調(diào)整[74-75]，雖然實驗中常用PDMS的楊氏模量與健康人舌相差3 個數(shù)量級，但相較鋼與玻璃類硬材料，PDMS已成為一個常用的參考系統(tǒng)材料。除PDMS外，在隱形眼鏡、起搏器或人工器官等醫(yī)療器械的開發(fā)中具有重要意義的水凝膠[11]由于其柔軟潤濕的特點，常被用于口腔組織的模擬。水凝膠表面具有較低的摩擦系數(shù)（μ≈10-3）[76]。對于水凝膠表面的潤滑機理有多種解釋，其中一種解釋為凝膠表面有序排列的聚合物鏈顯著降低了摩擦力，在不同離子強度鹽溶液潤滑下，表面聚合鏈呈刷狀的凝膠摩擦系數(shù)可低至10-4[77]，這與動物關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)接近[76]。另一種是利用由Gong Jianping提出的吸附排斥模型來描述水凝膠在不可滲透反表面上的摩擦特性[76]。對于黏附性水膠凝，摩擦來自兩個方面：即表面黏附和水化潤滑。前者在低滑速時占主導地位，后者在高速時占主導地位。對于非黏附性凝膠，低摩擦系數(shù)被認為是由于水合層的潤滑以及流體力學性質(zhì)的影響，摩擦系數(shù)隨滑動速度的增加而增加。在吸引區(qū)內(nèi)，聚合物鏈在接觸介質(zhì)表面不斷被吸附和解吸，摩擦系數(shù)增加是能量耗散而使吸附鏈 分離的結(jié)果。相反，在排斥狀態(tài)下，水凝膠與相對表面之間存在潤滑薄膜，這時低摩擦系數(shù)歸因于水凝膠表面上松散的親水聚合物鏈與接觸面分離形成柔軟的水合聚合 物層[78]?？谇粷櫥砻骈L時間由唾液附著，在一項使用水凝膠與PDMS作潤滑基底的研究中發(fā)現(xiàn)，口腔中的唾液難以在水凝膠表面吸附，唾液作為潤滑劑的作用與水無異，而唾液則將邊界層與混合層PDMS表面的摩擦系數(shù)降低了兩個數(shù)量級[61]。PDMS作為一種更單純的摩擦儀底物制作材料，似乎更適用于各軟摩擦系統(tǒng)間的測量、分析、比較與研究，除此之外，精密微加工與3D打印技術(shù)的發(fā)展為模擬口腔表面、制作能更好模擬人舌的摩擦儀基底提供了可能。

3 口腔軟摩擦研究在食品感官感知中的應(yīng)用

3.1 口腔軟摩擦研究在乳狀系統(tǒng)中的應(yīng)用

乳制品的乳脂感是一個十分重要卻復(fù)雜的感官屬性，其感知受到顏色、香氣、風味、表面性質(zhì)[79-80]等因素的影響，同時還受到基因和品嘗時環(huán)境的影響[81]，難以將該屬性與化學或物理測量手段直接聯(lián)系起來[82]。目前研究中對于乳脂感感知產(chǎn)生了兩個相互矛盾的理論。第一種理論認為，乳脂的感知是一種基于味蕾分子檢測的化學過程；第二種理論認為，乳脂感是一種基于機械或觸覺機制的物理過程，由位于舌頭表面的各種機械感受器和神經(jīng)末梢感知[83]。Jervis等對市售酸奶油的研究發(fā)現(xiàn)，全脂產(chǎn)品（脂肪質(zhì)量分數(shù)高于6%）的乳脂感主要與對乳脂味化合物的嗅覺感知有關(guān)，而對于低脂產(chǎn)品，口腔內(nèi)觸覺評估的貢獻似乎更為突出[84]。乳脂感來源于大分子游離脂肪酸，由于大分子物質(zhì)的分子質(zhì)量較大，它們不可能通過細胞膜結(jié)合和轉(zhuǎn)移[83]，這與Chen Jianshe等研究食品乳脂的主要感官刺激和感覺機制時的結(jié)果相似，樣品的香氣增強了受試者對乳脂感的感知，但長鏈游離脂肪酸的存在并沒有增強受試者對乳脂感知[85]。Rolls通過核磁共振成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)大腦神經(jīng)元對于無味的硅油、石蠟油和乳脂都有類似的信號反應(yīng)[86]，這表明對于乳脂潤滑特性的感官感知更偏向于一個物理過程而非味覺刺激。這一觀察與Kokini等[87]提出的口腔摩擦理論非常吻合。圖13為舌面與上顎的簡單潤滑模型，根據(jù)這一模型可知，光滑感只與口腔摩擦力的倒數(shù)有關(guān)，光滑感是黏滯力與摩擦力共同作用的函數(shù)，乳脂感則受厚度與光滑感共同作用[88]。

將具有不同脂肪質(zhì)量分數(shù)（0.1%～8.0%）的牛奶均質(zhì)后研究其摩擦系數(shù)與感官特性，發(fā)現(xiàn)當脂肪質(zhì)量分數(shù)超過1%時，在硅橡膠表面以10 mm/s的速率測量得到的摩擦系數(shù)與感官評定得到的乳脂感之間存在線性關(guān)系，Chojnicka-Paszun等認為在特定條件下硅橡膠表面脂肪顆粒的聚集導致了這種現(xiàn)象[79]。Shewan[89]、Selway[90]等則認為這種相關(guān)性的主要驅(qū)動因素可能是牛奶樣品的黏度，因為黏度和乳脂感之間的相關(guān)系數(shù)與摩擦系數(shù)和乳脂感的相關(guān)系數(shù)接近。Douaire等的研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，具有高黏度水相的油包水乳液體系在邊界與混合潤滑區(qū)域可產(chǎn)生與純油類似的潤滑效果[91]。Nguyen等對具有相似流變特性但脂肪含量不同的奶酪進行摩擦學測量，發(fā)現(xiàn)不同脂肪含量的奶酪邊界層與混合層所延伸的區(qū)域具有顯著差別，最高脂肪含量的樣品具有最低的摩擦系數(shù)，因此可以利用摩擦學區(qū)分流變特性相似的乳制品[92]，并可對與全脂乳液具有類似潤滑行為的低脂肪乳制品設(shè)計產(chǎn)生重大影響。

圖 13 Kokini的口腔潤滑模型[88]Fig. 13 Kokini’s oral lubrication model[88]

口腔摩擦研究也被用于蛋奶糕、蛋黃醬、奶酪等復(fù)雜的乳制品感官分析。唾液中的α-淀粉酶會瞬間導致淀粉水解[4]，從而導致食物體系結(jié)構(gòu)破壞和黏度下降[89]，進而導致口腔感知厚度（黏稠度）的降低[41]。Engelen等推測舌面薄膜變薄、黏稠度降低導致了后余味中乳脂感的減少[93]。在一項關(guān)于日常食用半固體潤滑行為的研究中發(fā)現(xiàn)，蛋奶糕-唾液混合物的摩擦系數(shù)顯著低于蛋奶糕-水體系，de Wijk等認為可能的原因是淀粉被消化過程中脂肪從淀粉基質(zhì)中釋放出來并覆蓋接觸表面，從而減少了摩擦并增加了乳脂感[54]。Upadhyay等最近的研究反映了在摩擦學研究中添加唾液的重要性，其研究結(jié)果表明加入由胃黏蛋白、α-淀粉酶和鹽類組成的模擬唾液后，水包油乳狀液體系和唾液成分之間發(fā)生相互作用，從而影響體系的摩擦行為和觸覺感知[65]。在一項探究牛奶巧克力的質(zhì)地和口感感知的研究中，He Qi等使用采集的真實唾液探索其摩擦行為，發(fā)現(xiàn)混合了唾液的黑巧克力食團的摩擦系數(shù)與感官光滑感之間密切相關(guān)[94]。

3.2 口腔軟摩擦研究在澀味化合物感知上的應(yīng)用

澀感被認為是由于黏膜表面潤滑程度的降低和摩擦的增加導致的干燥粗糙和褶皺的感覺。澀感最初常常被認為是一種味覺[95]，而后被描述為尖刻性、粗糙的 感知[96]。紅酒中適當收斂的粗糙感覺是消費者所期待的， 但高度的收斂性會導致不愉快的感覺[89]。澀感的產(chǎn)生有3 種可能的機制：1）可溶性單寧-蛋白質(zhì)聚集或“游離刺激物”的作用耗盡唾液保護膜，口腔表皮甚至觸覺受體暴露；2）不溶并可能沉淀的單寧-蛋白聚集體的形成，影響摩擦過程；3）游離單寧與口腔細胞膜之間的直接相互作用[97]。盡管這些機制都有合理性，但學界仍有爭論，但越來越多的跡象表明，口腔摩擦是導致澀感的重要因素。一項使用硫酸鋁鉀溶液研究澀感的研究發(fā)現(xiàn)，當使用硫酸鋁鉀溶液擦拭無味蕾細胞的上唇內(nèi)側(cè)區(qū)域時（擦拭過程中盡可能除去黏膜殘存唾液），受試者仍感受到牙齦與內(nèi)唇間的褶皺感，這也證明了澀感是一種觸覺感知，主導原因可能是唾液蛋白沉淀，也可能是上皮細胞、蛋白沉淀[96]。Brossard等將測得的不同單寧酸含量紅酒-唾液混合物摩擦系數(shù)與澀味感官得分進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者呈線性強相關(guān)，且在滑移速率為 0.075 mm/s時相關(guān)性最高（R2＝0.93），同時利用顯微成像技術(shù)觀察到唾液-紅酒中存在大量沉淀和團簇聚集，表面唾液蛋白嚴重耗散[48]。另一項對于牛奶中澀味的研究發(fā)現(xiàn)在100 mm/s下的摩擦系數(shù)與牛奶中澀味的感官感覺也具有強相關(guān)性[98]。

但是消耗唾液潤滑蛋白并不是獲得澀味的必要條件，摩擦儀器測量得到單純摩擦系數(shù)增加并不等同于澀味感知的增強[99]。收斂性化合物與口腔黏膜內(nèi)的成分（包括口腔組織本身、膜結(jié)合蛋白和上皮細胞）相互作用引起的機械感受器反射或化學反應(yīng)同樣可能影響澀感感知[99]。Rossetti等[99]通過在PDMS表面預(yù)吸附唾液膜探究3 種兒茶素潤滑機制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有沒食子酸環(huán)的兒茶素物質(zhì)，即表沒食子兒茶素沒食子酸酯和表兒茶素沒食子酸酯顯著降低了邊界摩擦系數(shù)，而不含沒食子酸環(huán)的兒茶素——表兒茶素沒食子酸酯則沒有改變唾液膜的潤滑性能，但受試者同樣能感知澀感；在另一部分實驗中，研究者發(fā)現(xiàn)通過混合麥芽糊精和表沒食子兒茶素沒食子酸酯獲得的澀味感知的減少伴隨著摩擦系數(shù)的減小，推測可能是體系黏度增加導致。這與Mcrae等[100]發(fā)現(xiàn)唾液黏度的降低會使得對澀感的感知增強的結(jié)果相符合。

3.3 口腔軟摩擦研究在輔助吞咽產(chǎn)品上的應(yīng)用

吞咽困難是一種由于組織衰老或神經(jīng)系統(tǒng)受損引起的吞咽障礙，這種紊亂多發(fā)生在液態(tài)食物從口腔到食道的食物運輸過程中，生物聚合物增稠液體能延長從口腔到食道過程中食團通過時間，從而延長患者肌肉反應(yīng)時間，以此來防止食團分散堵塞呼吸道[4,101]。迄今為止，吞咽障礙研究領(lǐng)域的大多數(shù)報道都集中在流變學，對增稠液體在口腔加工過程中的摩擦性能的研究還相對較少[102]。

目前商用增稠劑主要可以分為淀粉基（改性淀粉或糊化后淀粉）與多糖基（黃原膠、結(jié)冷膠），從摩擦學角度分析，所有增稠劑的潤滑曲線主要由其黏滯組分控制，因此，具有高黏度的增稠劑顯示出更好的潤滑性能，這是因為它們比水更容易被夾帶入潤滑表面，與水作為潤滑劑相比，混合層的摩擦系數(shù)降低一個數(shù) 量級[103]，但當在口腔加工條件下（存在人工唾液）添加兩類增稠劑后的邊界摩擦系數(shù)均高于單純?nèi)斯ね僖?，可能的原因有兩個：一方面，α-唾液酶水解淀粉基增稠液體導致體系黏度降低；另一方面，靜電相互作用導致PDMS基底表面的黏蛋白被消耗[103]。盡管兩類增稠劑具有相似的摩擦與流變特性，但由于真實口腔環(huán)境中α-淀粉酶會對淀粉基增稠液體產(chǎn)生稀釋作用，可能造成潛在的不安全性[104]。增稠液體的潤滑能力除與生物高聚物種類有關(guān)，還受到其濃度的影響，在使用亞麻籽膠作增稠劑的研究中發(fā)現(xiàn)，隨著亞麻籽膠質(zhì)量分數(shù)增加，體系黏度增加，摩擦系數(shù)降低，且潤滑效果顯著好于淀粉基增稠溶液，在牛奶、調(diào)味豆奶中這種現(xiàn)象變得不明顯，亞麻籽膠作增稠劑的潤滑效果在水、牛奶、調(diào)味果汁體系中均強于黃原膠體系[105]。除此之外，在口腔感官方面，基于改性淀粉的商用增稠劑在感官評定時被歸類為 “黏稠”，而黃原膠、結(jié)冷膠則傾向于“油膜附著”的口感[106]。由以上結(jié)果可知，增稠溶液的潤滑能力不僅與黏度相關(guān)，在增稠劑的選擇上，還應(yīng)依據(jù)分散體系組成，選擇易獲得口腔吞咽后爽快感知的增稠劑體系。由此可見，探究增稠液體界面性質(zhì)與感官感知之間的關(guān)系對增稠劑開發(fā)有重要意義。

4 結(jié) 語

口腔軟摩擦是一個系統(tǒng)屬性，既包括食物材料屬性，也包括口腔生理屬性?？谇卉浤Σ列再|(zhì)可以用摩擦系數(shù)來表征，受食物材料性質(zhì)（黏度）和摩擦條件（接觸面、表面移動速度、壓力）的影響。因此，測量方法、摩擦儀基底和樣品模型的選擇對口腔感官感知的評判至關(guān)重要。目前的摩擦測量儀器與真實的口腔軟摩擦環(huán)境還有很多不同，如何建立可靠的體外口腔軟摩擦技術(shù)還需要大量相關(guān)研究。在建立體外摩擦測量體系時要綜合考慮唾液、舌和上顎在口腔加工中的重要作用，以便結(jié)合真實口腔生理環(huán)境設(shè)計制作更接近口腔表面的體外軟摩擦裝置。舌表面生理特征（如乳狀突出、親疏水性等）以及唾液薄層形成的研究應(yīng)是近期口腔軟摩擦研究突破的關(guān)鍵。