开发并验证了一种仿生咀嚼模拟器，用于评估煮熟大米的动态质地特性

《Food Research International》：Development and validation of a biomimetic mastication simulator for dynamic texture evaluation for cooked rice

本研究开发生物模拟咀嚼模拟器（BMS），集成质构仪复现咀嚼生理特征。通过38次循环活体数据校准（唾液含α-淀粉酶809.7 U/mL），BMS成功模拟人口唾液及质地，葡萄糖释放量（14.91 vs 12.33 mmol/L）和微观结构 erosion（SEM/CLSM验证）与人体一致。动态质地参数与感官曲线强相关（R2=0.8617/0.9258）。分析IR（26.8%直链淀粉）、JR、WR（69.85%支链淀粉）水稻品种，发现淀粉组成影响口腔分解和质地演变，BMS为结构导向设计 rice及淀粉基食品提供量化框架。

　　

曹彦云|蔡世新|李先莲|秦子涵|秦玉梅|毛月忠|史双妮|张素云|程勇|田世一

浙江工商大学食品科学与生物技术学院，中国杭州310018

摘要

开发了一种仿生咀嚼模拟器（BMS），并将其与质地分析仪结合使用，以再现咀嚼的关键生理特征，包括牙齿的周期性压缩、唾液的润滑作用以及酶促水解过程。咀嚼参数是根据体内测量数据校准的（38次循环；1.84毫升唾液，含有809.7 U·mL^?1的α-淀粉酶和1038.69 μg·mL^?1的黏蛋白）。BMS能够再现团块的整体特性，相对粒径分布的相似度指数为71.43%，累积粒径分布的相似度指数为82.14%，并且体内和体外团块中的葡萄糖释放量相当（分别为14.91 mmol/L和12.33 mmol/L）。扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）进一步证实了基质侵蚀和淀粉-蛋白质重组的相似性。仪器动态参数与口腔感知结果一致，BMS测得的硬度和黏附性分别与感官时间-强度曲线高度相关（R² = 0.8617和0.9258）。通过BMS研究了籼稻（IR）、粳稻（JR）和蜡质稻（WR）在口腔中的分解过程及动态质地变化。籼稻含有较高比例的直链淀粉（26.8%），保持了紧密的团块结构，表现出最高的动态硬度和咀嚼功，破碎速度较慢，早期水解作用有限。相比之下，蜡质稻主要由支链淀粉（69.85%）组成，几乎不含直链淀粉，其结构迅速崩解成细小且多孔的颗粒，黏附性最强，释放的葡萄糖量约为籼稻和粳稻的2.5倍。总体而言，这些结果表明不同品种的淀粉成分决定了口腔加工过程中团块的结构分解和淀粉水解情况，从而影响了动态质地的感知。

引言

水稻主要由淀粉组成，是全球主要的主食作物。粳稻、籼稻和蜡质稻是三大主要品种。在烹饪过程中，可溶性淀粉会渗出并在膨胀的米粒周围形成凝胶状网络。这些结构变化决定了煮熟后水稻的关键质地特性，如硬度和黏附性（Li & Gilbert, 2018），因此在设计和优化水稻的口感方面至关重要（Tao et al., 2019）。值得注意的是，水稻的质地在口腔加工过程中并非静止不变。然而，目前对于煮熟后水稻的质地如何被感知及其在口腔中的变化机制仍了解不足。

动态质地的感知源于一系列口腔事件，包括初始的咬合、牙齿的粉碎以及随后与唾液的混合（Chen, 2009）。在此过程中，结构湿润、破碎、溶解和润滑不断重塑团块，而产生的感觉受到食物微观结构和生物聚合物的影响（Pedersen et al., 2018）。唾液与食物的相互作用对咀嚼过程中的断裂模式和感知质地有显著影响（Oyinloye & Yoon, 2024）。黏蛋白等大分子成分赋予了唾液特有的黏弹性，从而有助于团块的润滑和摩擦力的降低。此外，唾液中的α-淀粉酶会启动淀粉的水解反应，改变团块的微观结构（Pedersen et al., 2018），这与含淀粉的鱼糜凝胶在唾液存在下降解更快的观察结果一致（Oyinloye & Yoon, 2024）。此外，唾液还会稀释可溶性成分，从而调节整个口腔加工过程中的口感。显然，单一点测量的质地无法完全反映实际口腔体验。因此，捕捉动态质地的变化已成为学术研究和工业界的优先课题（Aguayo-Mendoza et al., 2021; Pu et al., 2021; Xu, Lv, et al., 2024）。

时间感知方法为捕捉口腔感知动态提供了一个以参与者为中心的框架（Giuffrè et al., 2025）。尽管这些方法与口腔内的体验高度吻合，但由于评估者培训水平、个体差异和环境因素的影响，所得结论往往不够可靠。已经开发了几种体外咀嚼模拟器来在受控条件下模拟口腔加工过程。这些模拟器包括模拟特定受试者力量和运动学的感官导向设备（例如 BITE Master II）；用于在受控接触条件下测试牙齿磨损的牙齿磨损模拟器（ART/ART-5）；以及能够以受控方式输送唾液的具有高自由度机械颚部（例如六轴6A-CR）。Wang等人（2025）使用六轴6A-CR平台研究了白面包在咀嚼过程中的质地变化，发现黏附性主要受唾液掺入量的影响，而凝聚力则更受咀嚼轨迹的影响。尽管这些模拟器功能强大，但它们通常为实验室自制，存在开发复杂性、系统控制、可重复性和普及程度方面的挑战。

质地分析（TPA）是一种标准化的双循环单轴压缩测试，广泛应用于研究和工业领域（Funami & Nakauma, 2022）。传统的TPA无法跟踪随着唾液掺入和牙齿物理作用而发生的连续质地变化。一些尝试在质地分析仪上模拟咀嚼感的装置（如Multiple Extrusion Cell（MEC）和Repeatable Dual Extrusion Cell（RDEC）（Won-Byong et al., 2023）已被应用于煮熟的水稻（Liu et al., 2021）、凝胶（Oyinloye et al., 2023）和面条（Foo et al., 2011），将力/功信号与分解动力学和感知食用质量相关联。这些基于TPA的装置主要施加剪切或累积反挤压作用，而非模拟真实的牙齿咬合接触。它们忽略了臼齿的牙齿结构和唾液成分，而这些因素对团块形成和动态质地感知同样重要（Funami & Nakauma, 2022; Peleg, 2019; Yin, Chen, Hu, Zhu, Zhang, & Hong, 2023）。

鉴于现有感官和仪器方法在捕捉米饭咀嚼过程中动态质地变化方面的局限性，显然需要一个能够再现生理相关口腔条件的体外平台，并实现定量和可重复的测量。为解决这一需求，本研究开发了一种仿生咀嚼模拟器（BMS），并将其与标准质地分析仪结合使用，专门用于模拟人类咀嚼煮熟米饭时的牙齿力量、唾液环境和机械作用。基于这一经过验证的平台，研究了粳稻、籼稻和蜡质稻的动态质地行为，揭示了主要由淀粉组成驱动的煮熟米饭中凝胶基质-结构分解-动态质地之间的关系。

材料与试剂

用于BMS验证的粳稻购自北京世悦大天集团有限公司。其他水稻品种（包括粳稻、籼稻和蜡质稻）由中国国家水稻研究所提供。α-淀粉酶（来自Aspergillus oryzae，编号10065）、黏蛋白（来自猪胃，M2378，II型）和转化酶（来自S. cerevisiae，编号I4504，VII级）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。

BMS测试的咀嚼参数确定

为了模拟生理口腔条件，BMS测试中的压缩循环次数、模拟唾液体积和关键唾液成分的设定基于咀嚼过程中的平均唾液分泌参数，详见表1。

结论

总之，开发了一种仿生咀嚼模拟器（BMS），可与质地分析仪结合使用，以再现煮熟米饭口腔加工的关键生理条件，包括牙齿压缩、团块水化和唾液酶的作用。BMS生成的团块在粒径分布、淀粉水解程度以及微观结构特征方面与人类咀嚼产生的团块非常相似，并且动态参数之间存在强线性相关性。

CRediT作者贡献声明

曹彦云：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、实验设计。蔡世新：初稿撰写、方法学设计、实验设计。李先莲：撰写 – 审稿与编辑、数据管理。秦子涵：方法学设计。秦玉梅：验证工作。毛月忠：数据分析。史双妮：验证工作。张素云：软件开发。程勇：项目管理。田世一：撰写 – 审稿与编辑、监督工作。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（LMS26C200009）、浙江省“先锋”和“领头鹅”研发计划（2025C04011）以及衢州科学技术计划项目（2024K057）的财政支持。