仿生食品质构仪设计与试验

　　引言

　　质构仪是食品质地测量的主要仪器，目前已广泛应用于食品质地的评价分析。Susana R S 等[1]使用 TaxT2i 型食品质构仪对葡萄皮的硬度和厚度进行了测试。Lee H L 等[2]使用 CT3 型食品质构仪对甘薯淀粉的物理特性和流变特性进行了测试。除了这些通用食品质构仪外，人们已研制出一些新型食品质构仪。Mitsuru T 等[3]研制了由探针、压电传感器、计算机等组成的食品质构仪，通过探针刺压食物、压电传感器感知食物振动信号，测试了苹果、柿子、梨的质地特性。Behic M 等[4]研制了由圆球压头、压电水晶、加载单元等组成的质地测试仪，利用此装置测试了玉米粉的粘弹性。陈纯等[5]研制了由操作台、探头、压力传感器、直流电动机等组成的新型食品质构仪，对胡萝卜进行了穿透测试。这些食品质地测量仪器，只近似模仿牙齿咀嚼运动进行质地测量，没有模仿齿面形态、牙周膜结构及信号传递机理、口腔温湿环境等，与人类的感官相差较大。质地测量仪器应符合消费者的感官评价习惯，越近人的感官，测量仪器就越好[6]。

　　本文根据牙齿感知食物质地的机理，利用仿生技术对牙齿、牙周膜、咀嚼运动、口腔温度以及唾液分泌进行全面模仿，设计仿生食品质构仪，并对食品质地进行测试，为食品质地的客观、准确、快速评价提供一种新仪器。

　　1 仿生食品质构仪设计

　　1. 1 整体结构

　　仿生食品质构仪主要由仿生咀嚼装置、仿生牙周膜、信号调理电路、测试软件等构成，见图 1。

　　1. 2 仿生咀嚼装置

　　前期对仿生咀嚼装置的零部件、咀嚼运动方案进行了详细设计，见文献[7]。本装置主要包括仿生牙齿、仿生颞下颌关节、仿生上下颌、仿咀嚼肌弹簧、动力系统、装卸料机构、支撑架等，可完成三维咀嚼运动，实现压碎、磨细食物的功能。主要参数如下: 最大开口度为 40 mm，最大前后伸缩距离为 4 mm，最大侧向偏移距离为 4 mm; 咬合力可随仿咀嚼肌弹簧弹性系数改变而改变，弹性系数设为 10 ～ 60 N / mm，可满足不同食物咬合力的要求; 咀嚼速度可通过调整电动机转速而改变，调速范围为 0 ～ 120 r / min; 咀嚼方式可实现单、双侧咀嚼; 仿生口腔温度为( 37 ±1) ℃，人造唾液流速为3 mL/min; 电动机、自控温电热带、微型水泵的供电为220 V 交流电。

　　1. 3 仿生牙周膜及信号调理电路

　　牙周膜是牙根周围的纤维组织薄膜，其中的机械感受器极为敏感，可以感知齿面上微小的触压力。选取 PVDF 压电薄膜作为敏感元件，模仿牙周膜机械感受器，其压电效应好、质地柔软、易粘合、防水防潮，适合牙齿咀嚼力的测量[8]。以 PVDF 压电薄膜为主体，配以导线、薄铜片、PET 薄膜、环氧导电胶，制成压电薄膜传感器。根据仿生牙齿根部的形态以及牙周膜感受器分布部位，将压电薄膜传感器制成圆锥筒形和圆片形，分别粘贴于仿生牙齿齿根外围和底部，从而形成仿生牙周膜，如图 2 所示。在仿生上下颌的左右两侧仿生第一磨牙、第二磨牙，共 8 颗牙齿的外围和底部粘贴仿生牙周膜。PVDF 薄膜材料使用锦州科信电子材料有限公司生产的 50 μm 厚、镀铝压电薄膜，制成的仿生牙周膜厚度 为 0. 2 mm，与人牙周膜厚度相仿。