[科普中国]-多点传感器片

定义

多点传感器片(multiple-point sheet sensor，MSS)是一种新型片式多点传感器，可用来进行感官评价的试验研究。利用多点传感器片可直接测定咀嚼时牙齿的压力，并且不用对受试者的牙齿施加任何干涉。MSS最初用于研究牙齿的咬合，后来才用于食品质地的研究。它测定咀嚼的实际过程，因此更能代表食品真实的质地特性。1

特点食品质地是除食品风味外对食品感官品质最为重要的品质因子，其评价方法分为两类：主观（感官）评价法及客观（仪器）测定法。结合人的感官和仪器进行食品质地的综合评价，将更能客观可靠地获得食品特性的数据。感官评价目前的新进展是将人的感官与仪器（主要是传感器及计算机技术）组合进行同步感官试验。有时将人作为一级传感器（或者口腔相当于质地测试仪的探头），真正的传感器相当于二级传感器，再进入计算机进行信号处理与分析。人通过感官及神经系统，将来自感官的食物信息变成肌肉的运动或是神经信号，这些信号经过二级传感器变成数字信号进入计算机进一步处理。一般来说，结合几种不同的质地测试方法可以为我们提供更可靠的质地信息，尤其是这几种不同的方法基于不同的原理，如感官评价结合多点传感器片、感官评价结合肌电图、感官评价结合腭电图、人的味觉结合近红外分光分析等，使感官评价技术发展到一个崭新的阶段。

多点传感器片不同于传统的压缩试验。压缩试验是常用的仪器测量质地的方法，样品间测量值的变异小，研究者、工业界及消费者对其测量值都有统一的理解，试验条件易于控制，操作简便，有各种各样的测量探头可选用，许多测量值利用强度指标都可很好地预测食品的品质指标。尽管如此，机械测量终归不能模拟实际的咀嚼过程，咀嚼的速度比压缩试验的探头速度快得多。牙齿可以咬穿食品，但仪器的零间隙设几乎是不可能的，否则压力传感器很可能被破坏。而多点传感器片，是一种更加简单、真实的测量方法，能够直接测量受试者咀嚼的过程，真实的反应出食品的质地。

检验过程Kohyama和Nishi(1997)最先设计出多点传感器，他们在一个厚度小于0.1mm的塑料片上，用导电墨水分别在菇轴向及Y轴向打印18-24条带，形成了一个具有269个压力传感器点的栅格。其最大压力极限为4MPa，压力传感器点分布在4 mm2的面积上。此栅格与计算机相连以记录数据，形成一个触觉式传感系统，称为I-SCAN。I-SCAN系统扫描所有的列和行，将其输出的电压信号数字化，显示每个传感器点上的压力值。试验之前，传感器片要在流变仪上以固定载荷进行校正，每个受试者用不同的传感器片。受试者将此传感器片置于口腔的下齿上，然后尽可能按正常的摄食方式咀嚼食品。计算机三维输出显示1 936个传感器点上的力，并能显示咀嚼过程中压力随时间的变化及压力峰出现的位置。同步测定咀嚼过程中的压力及其空间分布为了解咀嚼过程及其食糜在口腔中状态变化提供了非常有价值的信息。

实例分析Kohyama等(2004)利用多点传感器片研究了样品硬度对人咀嚼力的影响。用3种不同硬度的硅胶作为模拟食品样品，样品置于上、下门齿或臼齿之间，让受试者以平常的自然方式咀嚼，咀嚼力、样品与牙齿的接触面积以及施加于样品的压力被夹于样品中间的多点传感器片动态记录。通过分析咀嚼力一时间曲线可得到以下参数：

① 值力(peak force) 样品覆盖的所有传感点所受力之和，N；

②达到峰值时间(time to peak) 开始受力至峰值力的时间，S；

③样品与牙齿的最大接触面积(maximum contact area between the sample and teech) 以受到任何大小压力的传感点的数目估计，mm；

④力增加速度(build-up speed of force) 力一时间曲线上开始受力到峰值力之间直线的斜率，N/S，等于峰值力除以达到峰值时间；

⑤作用压力(active pressure) 峰值力除以峰值时的接触面积，MPa；

⑥产生力的持续时间(duration of the force)，S；

⑦往复时间(cycle time) 咀嚼力开始至下一回咀嚼的开始的时间，S；

⑧刺激量(impulse) 力-时间曲线下的面积，N·S。

记录门齿之间以及臼齿(左侧)之间咀嚼力某一峰值时的压力分布。结果表明传感器准确反映出了各点的压力分布，且臼齿咀嚼位置比门齿位置有更多的传感器单元产生力。由于传感器片很薄且很柔软，因此可以随着样品的变形而变形。因此，力的分布与受试者的牙齿形状密切相关，不同受试者的力分布类型具有显著区别，但同一受试者对不同样品的咀嚼力分布类型却很相类。咀嚼曲线，分别为咀嚼力一时间，接触面积一时间及作用压力-时间3条曲线。结果发现，咀嚼力和作用压力随着咀嚼次数逐渐增加。臼齿在第一次咀嚼时，观测到的达到峰值力的时间和持续时间稍长，而力增加速度则比后续4次咀嚼要低。在后续4次咀嚼中各参数的变化则区别不大。硬度对咀嚼力的影响似乎在第一次咀嚼时影响不大，对后来的咀嚼则影响较大。咀嚼的接触面积在各咀嚼次数中相当稳定。研究结果表明，较硬的样品所测得的峰值力也大，咀嚼时间长，所受的作用力也大，但是咀嚼的次数与达到峰值力的时间是不受样品硬度影响的。在门齿咀嚼时，样品与牙齿的接触面积随硬度的增加而减小。对于臼齿，峰面积及其他相关参数，如接触面积、到达峰值力的时间、咀嚼时间等，都大于门齿，但咀嚼次数相似。来自多点传感器片的信号清楚地显示样品硬度改变了人的咀嚼力。由此他们假设样品硬度的影响主要由牙齿周围韧带的机械性刺激感受器来调控。