CN109360478A - 一种仿生口腔食物加工系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生口腔食物加工系统及其方法，系统包括控制器、仿生口腔咀嚼装置(1)和唾液流加装置(2)，仿生口腔咀嚼装置(1)和唾液流加装置(2)分别与所述控制器电性连接，唾液流加装置(2)通过输送管路(3)与仿生口腔咀嚼装置(1)连接，通过控制器控制所述唾液流加装置(2)逐渐向所述仿生口腔咀嚼装置(1)中的食物上注入人工唾液。本发明在仿生口腔食物加工系统中加入唾液流加装置，模拟了口腔咀嚼过程中食物的物理和化学消化过程，真实模拟固体食物结构在仿生口腔中的物理破碎和人工唾液的摄入两个过程，使体外口腔加工方法更加贴近真实的人体咀嚼过程，用于研究咀嚼过程中食物到食团的变化，为试验提供准确数据。
Description
技术领域
本发明属于体外消化仿真领域，更具体的讲，涉及一种仿生口腔食物加工系统及其方法，该系统能用于在体外仿生多种不同类型固体食物的口腔中挤压、研磨及与唾液混合的过程。
背景技术
口腔加工，又称咀嚼，是人体消化的第一阶段。固体食物的口腔加工过程通常包括了如下两个主要的物理化学变化：
(1)食物自身结构因来自牙齿和上颚的挤压、剪切、研磨的机械加工作用而破碎分解成小颗粒，达到安全吞咽的大小；
(2)唾液的不断分泌和加入，提高了食团的水分含量，软化了食团的质地，进一步保证了安全吞咽。
在口腔加工过程中食物转化成为食团，结构上产生了巨大的变化，其结构、粒径、唾液含量、质构等物化性质对食物营养物质在胃肠阶段的消化和吸收有着直接的作用。另外，在咀嚼过程中食物也与唾液淀粉酶充分混合，开始淀粉的化学消化，因此在高淀粉类食物的体外模拟实验中，不应忽视对于口腔消化这个阶段的模拟。
然后，目前对于食物口腔消化的模拟十分有限。传统的体外消化实验往往单纯的将食物机械地打磨成统一大小的颗粒，再加入往往过量的人工唾液，忽略了唾液逐渐加入以及食物颗粒和唾液的混合过程，无法重现食物在口腔中的加工过程。因此，准确的模拟食物在口腔阶段的加工过程对更加准确的利用体外消化系统模拟人体消化和测量食物的消化吸收过程有着至关重要的意义。
发明内容
因此，本发明所解决的技术问题在于：真实模拟固体食物样品在口腔内分解、与唾液混合的过程，从物理消化和生物消化两个方面，使体外口腔加工方法更加贴近真实的人体咀嚼过程，用于研究咀嚼过程中食物到食团的变化，为试验提供准确数据，因此，本发明提供了一种仿生口腔食物加工系统及其方法。
一方面，本发明提供了一种仿生口腔食物加工系统，包括控制器和仿生口腔咀嚼装置，所述系统还包括一唾液流加装置，所述仿生口腔咀嚼装置和唾液流加装置分别与所述控制器电性连接，所述唾液流加装置通过输送管路与所述仿生口腔咀嚼装置连接，通过所述控制器控制所述唾液流加装置逐渐向所述仿生口腔咀嚼装置中的食物上注入人工唾液。
其中，所述唾液流加装置包括唾液储存容器和蠕动泵，所述蠕动泵用于将所述唾液储存容器中的人工唾液通过所述输送管路泵送至所述仿生口腔咀嚼装置中。
进一步地，所述系统还包括一温度保持装置，所述唾液储存容器浸泡于所述温度保持装置中，用于使所述唾液储存容器中的人工唾液保持恒温。
优选地，所述温度保持装置为一水浴温度保持装置，用于将所述唾液储存容器中的人工唾液保持37±1℃恒温。
其中，所述仿生口腔咀嚼装置包括一支架、设置于所述支架上的仿真人体上颚和仿真人体下颚、用于驱动所述仿真人体上颚做往复直线研磨运动的线性驱动器和用于驱动所述仿真人体下颚做往复旋转挤压运动的旋转驱动器，所述线性驱动器和旋转驱动器分别与所述控制器电性连接，所述的仿真人体上颚和仿真人体下颚之间还设有用于固定食团的食团挡板，所述唾液流加装置通过所述输送管路将恒温的人工唾液输送至所述仿真人体上颚和仿真人体下颚所形成的仿生口腔中。
所述线性驱动器包括线性滑台和驱动马达，所述线性滑台设置于所述支架上，且与所述仿真人体上颚形成固定连接，所述驱动马达与所述控制器电性连接，用于驱动所述仿真人体上颚做直线往复运动。
所述旋转驱动器为一旋转步进电机，其输出轴与所述仿真人体下颚连接，用于驱动所述仿真人体下颚做旋转往复运动。
所述线性驱动器控制所述仿真人体上颚的研磨区间为0～10mm，其研磨速度为0～10mm/s；所述旋转驱动器控制所述仿真人体下颚的旋转开合角度为0～10°，其旋转开合角速度为0～10°/s；所述唾液流加装置输送人工唾液的流速为1～5ml/min。
另一方面，本发明还提供了一种仿生口腔食物加工方法，具体包括如下步骤：
步骤一，将所需加工的固体食物放置于仿生口腔咀嚼装置所形成的仿生口腔中；
步骤二，开启仿生口腔咀嚼装置，使仿生口腔产生重复咀嚼运动；
步骤三，关闭仿生口腔咀嚼装置使仿生口腔停止咀嚼运动；
步骤四，启动唾液流加装置，将人工唾液逐渐注入到仿生口腔咀嚼装置中与食物充分混合；
步骤五，重复步骤二至步骤四，直至将食物转化为食团为止。
所述步骤二中的开启仿生口腔咀嚼装置的具体方法是：通过控制器设定旋转步进电机和驱动马达的执行参数；开启旋转步进电机使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；停止旋转步进电机旋转动作，启动驱动马达，使线性滑台带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；按照控制所设定的执行参数重复咀嚼动作。
进一步地，首先制备人工唾液，并将所制备的人工唾液储存在唾液储存容器中；将唾液储存容器浸没在水浴温度保持装置中加热至恒温状态；通过设置蠕动泵的执行参数执行步骤四，将恒温的人工唾液逐渐泵送至仿生口腔中食物上。
所述步骤一中将所需加工的固体食物放置于仿生口腔咀嚼装置的仿生口腔中，再通过设置蠕动泵执行参数使其将恒温的起始人工唾液逐渐泵送至仿生口腔中的食物上，供食物吸收；关闭蠕动泵停止人工唾液输送，执行步骤二至步骤五。
本发明技术方案，具有如下优点：
A.本发明在仿生口腔食物加工系统中加入唾液流加装置，模拟了口腔咀嚼过程中食物的物理和化学消化过程，真实模拟固体食物结构在仿生口腔中的物理破碎和人工唾液的摄入两个过程，使体外口腔加工方法更加贴近真实的人体咀嚼过程，用于研究咀嚼过程中食物到食团的变化，为试验提供准确数据。
B.本发明通过对驱动马达、旋转步进电机和蠕动泵的编程控制，达到了咀嚼动作和唾液分泌动作的连续持续协调进行，实现了对人咀嚼过程中挤压和研磨动作的准确模拟，更加真实的模拟了人体咀嚼过程中此二过程的同时性，可动态模拟人体咀嚼过程中不同阶段的食团行程过程，为研究食物向食团的转化过程提供可能。
C.本发明可通过控制咀嚼动作的幅度和人工唾液的添加流速来模拟不同口腔生理条件下，食团行成过程的区别，具有适应性强和较强操控性的优点，可推广应用在模拟多种固体食物或模拟多种人群的口腔加工的实验中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的仿生口腔食物加工系统整体结构示意图；
图2为本发明所提供的仿生口腔食物加工系统咀嚼部分的背面结构，展示了下颚和上颚咬合状态；
图3为本发明所提供的仿生口腔食物加工系统咀嚼部分的背面结构，展示了下颚张开状态；
图4为本发明所提供的仿生口腔食物加工系统咀嚼部分的3D结构图，展示了下颚和上颚咬合状态；
图5为本发明所提供的仿生口腔食物加工系统咀嚼部分的3D结构图，展示了上颚平移研磨的状态；
图6为本发明具体的模拟方法框图；
图7为本发明所提供的实施例控制流程图。
图中：
1-仿生口腔咀嚼装置
11-支架，12-仿真人体上颚，13-仿真人体下颚
14-线性驱动器
141-线性滑台，142-驱动马达
15-旋转驱动器
2-唾液流加装置
21-唾液储存容器，22-蠕动泵
3-输送管路；4-温度保持装置；5-食团挡板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了如图1所示，本发明提供了一种仿生口腔食物加工系统，包括控制器和仿生口腔咀嚼装置1和唾液流加装置2，仿生口腔咀嚼装置1和唾液流加装置2分别与控制器电性连接，唾液流加装置2通过输送管路3与仿生口腔咀嚼装置1连接，通过控制器控制唾液流加装置2逐渐向仿生口腔咀嚼装置1中的食物上注入人工唾液。
这里的唾液流加装置2包括唾液储存容器21和蠕动泵22，蠕动泵22用于将唾液储存容器21中的人工唾液通过输送管路3泵送至仿生口腔咀嚼装置1中。
为了保持模拟人工唾液具有恒温的效果，在系统中还包括一温度保持装置4，唾液储存容器21浸泡于温度保持装置4中，用于使唾液储存容器21中的人工唾液保持恒温。这里的人工唾液可以保持在一个人体唾液的温度，比如保持37℃或者36℃等恒温，本发明中优选的温度保持装置4为一水浴温度保持装置，用于将唾液储存容器21中的人工唾液保持37±1℃恒温。
如图1所示，其中的仿生口腔咀嚼装置1包括一支架11、设置于支架11上的仿真人体上颚12和仿真人体下颚13、用于驱动仿真人体上颚12做往复直线研磨运动的线性驱动器14和用于驱动仿真人体下颚13做往复旋转挤压运动的旋转驱动器15，线性驱动器14和旋转驱动器15分别与控制器电性连接，仿真人体上颚12和仿真人体下颚13之间还设有用于固定食团的食团挡板5，唾液流加装置2通过输送管路3将恒温的人工唾液输送至仿真人体上颚12和仿真人体下颚13所形成的仿生口腔中。其中的线性驱动器14包括线性滑台141和驱动马达142，线性滑台141设置于支架11上，且与仿真人体上颚12形成固定连接，驱动马达142与控制器电性连接，用于驱动仿真人体上颚12做直线往复运动。其中的旋转驱动器15优选为一旋转步进电机，其输出轴与仿真人体下颚13连接，用于驱动仿真人体下颚13做旋转往复运动，通过在控制器上设置驱动马达、旋转步进电机和蠕动泵的执行参数，使其按照所设定的程序协调作业。通过对控制器的参数设置，可以使线性驱动器14控制仿真人体上颚12的研磨区间为0～10mm，其研磨速度为0～10mm/s，使旋转驱动器15控制仿真人体下颚13的旋转开合角度为0～10°，其旋转开合角速度为0～10°/s，其运动范围和运动速度的参数参考人真实咀嚼时的上颚运动参数；蠕动泵优选采用单通道蠕动泵，唾液流加装置2输送人工唾液的流速为1～5ml/min。
如图2、3所示，旋转步进电机带动仿真人体下颚13上下转动，以仿真人体下颚13的牙齿刚好触及仿真人体上颚12的牙齿为限运动，以模拟咀嚼过程中牙齿对食物的咬紧和挤压作用。
如图4、5所示，在上下牙齿咬紧的情况下，仿真人体上颚12受线性滑台141带动，做线性滑动，以模仿咀嚼过程中牙齿的研磨作用。
通过图6描述仿真口腔食物加工方法，具体包括如下步骤：
步骤一，将所需加工的固体食物放置于仿生口腔咀嚼装置所形成的仿生口腔中；
步骤二，开启仿生口腔咀嚼装置，使仿生口腔产生重复咀嚼运动；
通过控制器设定旋转步进电机和驱动马达的执行参数；开启旋转步进电机使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；停止旋转步进电机旋转动作，启动驱动马达，使线性滑台带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；按照控制所设定的执行参数重复咀嚼动作。
步骤三，关闭仿生口腔咀嚼装置使仿生口腔停止咀嚼运动；
步骤四，启动唾液流加装置，将人工唾液逐渐注入到仿生口腔咀嚼装置中与食物充分混合。
通过控制器自动启动单通道蠕动泵，将唾液储存容器中恒温人工唾液泵送至食物上，使咀嚼后的食物得到充分吸收，然后停止人工唾液的注入。
步骤五，重复步骤二至步骤四，直至将食物转化为食团为止。
进一步优选地，本发明还可以采用如下具体步骤：
步骤一，制备人工唾液，将其放在人工唾液储存容器并放在37℃的水浴温度保持装置4中加热至37℃的恒温状态。
步骤二，在上位控制电脑中设置线性滑台和旋转步进电机的控制器执行参数，从上位控制电脑中读取相对应的控制参数；设置人工唾液流加装置的单通道蠕动泵的执行参数。
步骤三，在仿真人体上颚和仿真人体下颚之间的食团挡板内侧放入需要咀嚼的食物，确保单通道蠕动泵的输送软管置于食物上方，可添加适量人工唾液。
步骤四，驱动旋转步进电机，使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；驱动旋转步进电机停止旋转动作；驱动线性滑台，使其带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；重复数次此系列咀嚼动作。
步骤五，暂停驱动马达和旋转步进电机，启动单通道蠕动泵向位于仿真人体口腔中的食团输送人工唾液，翻转食团保证其对人工唾液的充分吸收。
步骤六，重复步骤四至步骤五，直至完成一个系列指定次数的咀嚼动作，食物被转化成食团。
实施例
如图7所示，线性驱动器、旋转驱动器的运动参数以及人工唾液的传输流速被分别在控制器中设定并保证其之间的配合。
(1)配制人工唾液：首先配制人工唾液电解质溶液，其中无机盐浓度为12.16mmol/L KCl,2.96mmol/L KH2PO4,1.09mmol/L NaHCO3,0.12mmol/L MgCl2(H2O)6,0.048mmol/L(NH4)2CO3和0.15mmol/L CaCl2。在将唾液淀粉酶溶解在此电解质溶液中，以达到75U/ml的酶活性。将制备好的30mL人工唾液倒入人工唾液储存容器并存放在37℃的水浴控制系统中加热至37℃的恒温状态。
(2)在上位控制电脑中设置驱动马达的控制器执行参数：向食团挡板所在方向平移10mm，平移速度10mm/s；在上位控制电脑中设置旋转步进电机的控制器执行参数：以仿真人体下颚张开位置为起点，向上颚方向旋转角度10°，旋转角速度10°/s；从上位控制电脑中读取相对应的控制参数到相应控制器内。设置人工唾液流加装置的单通道蠕动泵的执行参数(5ml/min)。
(3)在仿生口腔的上下颚之间中放入需要咀嚼的烤面包样品(～5g)，将单通道蠕动泵的输送软管置于面包样品附近，保证人工唾液可以成功运输至面包样品表面。启动单通道蠕动泵，从人工唾液储存容器中向位于仿真口腔内的食团以5ml/min的速度输送0.5ml的人工唾液。
(4)驱动旋转步进电机带动仿真人体下颚10°/s，的旋转角速度进行旋转10°，至仿真人体下颚与仿真人体上颚咬合紧食物，此时旋转步进电动机等待2s。线形滑台带动仿真人体上颚单方向移动10mm，紧接着向反方向研磨10mm回到原位，研磨速度10mm/s，此时线形滑台等待2s，旋转驱动器打开至张开状态，重复上述步骤5次。
(5)停止旋转步进电机和线性滑台10s；启动单通道蠕动泵，以5ml/min的速度输送0.5ml的人工唾液，之后翻转一次食团。
(6)重复5次步骤(4)至步骤(5)，直至食团形成。
通过在控制器中的运动范围、速率的数值，以及人工唾液加入速度及总量的设定，仿生口腔食物加工系统可对不同口腔生理条件下的咀嚼行为进行模拟实验，具有广泛的适用性。
本发明通过对驱动马达、旋转步进电机和蠕动泵的编程控制，达到了咀嚼动作和唾液分泌动作的连续持续协调进行，实现了对人咀嚼过程中挤压和研磨动作的准确模拟，更加真实的模拟了人体咀嚼过程中此二过程的同时性，可动态模拟人体咀嚼过程中不同阶段的食团行程过程，为研究食物向食团的转化过程提供可能。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (12)
1.一种仿生口腔食物加工系统，包括控制器和仿生口腔咀嚼装置(1)，其特征在于，所述系统还包括一唾液流加装置(2)，所述仿生口腔咀嚼装置(1)和唾液流加装置(2)分别与所述控制器电性连接，所述唾液流加装置(2)通过输送管路(3)与所述仿生口腔咀嚼装置(1)连接，通过所述控制器控制所述唾液流加装置(2)逐渐向所述仿生口腔咀嚼装置(1)中的食物上注入人工唾液。
2.根据权利要求1所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述唾液流加装置(2)包括唾液储存容器(21)和蠕动泵(22)，所述蠕动泵(22)用于将所述唾液储存容器(21)中的人工唾液通过所述输送管路(3)泵送至所述仿生口腔咀嚼装置(1)中。
3.根据权利要求2所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述系统还包括一温度保持装置(4)，所述唾液储存容器(21)浸泡于所述温度保持装置(4)中，用于使所述唾液储存容器(21)中的人工唾液保持恒温。
4.根据权利要求3所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述温度保持装置(4)为一水浴温度保持装置，用于将所述唾液储存容器(21)中的人工唾液保持37±1℃恒温。
5.根据权利要求1-4任一所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述仿生口腔咀嚼装置(1)包括一支架(11)、设置于所述支架(11)上的仿真人体上颚(12)和仿真人体下颚(13)、用于驱动所述仿真人体上颚(12)做往复直线研磨运动的线性驱动器(14)和用于驱动所述仿真人体下颚(13)做往复旋转挤压运动的旋转驱动器(15)，所述线性驱动器(14)和旋转驱动器(15)分别与所述控制器电性连接，所述的仿真人体上颚(12)和仿真人体下颚(13)之间还设有用于固定食团的食团挡板(5)，所述唾液流加装置(2)通过所述输送管路(3)将恒温的人工唾液输送至所述仿真人体上颚(12)和仿真人体下颚(13)所形成的仿生口腔中。
6.根据权利要求5所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述线性驱动器(14)包括线性滑台(141)和驱动马达(142)，所述线性滑台(141)设置于所述支架(11)上，且与所述仿真人体上颚(12)形成固定连接，所述驱动马达(142)与所述控制器电性连接，用于驱动所述仿真人体上颚(12)做直线往复运动。
7.根据权利要求5所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述旋转驱动器(15)为一旋转步进电机，其输出轴与所述仿真人体下颚(13)连接，用于驱动所述仿真人体下颚(13)做旋转往复运动。
8.根据权利要求6或7所述的仿生口腔食物加工系统，其特征在于，所述线性驱动器(14)控制所述仿真人体上颚(12)的研磨区间为0～10mm，其研磨速度为0～10mm/s；所述旋转驱动器(15)控制所述仿真人体下颚(13)的旋转开合角度为0～10°，其旋转开合角速度为0～10°/s；所述唾液流加装置(2)输送人工唾液的流速为1～5ml/min。
9.一种仿生口腔食物加工方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一，将所需加工的固体食物放置于仿生口腔咀嚼装置所形成的仿生口腔中；
步骤二，开启仿生口腔咀嚼装置，使仿生口腔产生重复咀嚼运动；
步骤三，关闭仿生口腔咀嚼装置使仿生口腔停止咀嚼运动；
步骤四，启动唾液流加装置，将人工唾液逐渐注入到仿生口腔咀嚼装置中与食物充分混合；
步骤五，重复步骤二至步骤四，直至将食物转化为食团为止。
10.根据权利要求9所述的仿生口腔食物加工方法，其特征在于，所述步骤二中的开启仿生口腔咀嚼装置的具体方法是：通过控制器设定旋转步进电机和驱动马达的执行参数；开启旋转步进电机使仿真人体下颚向着仿真人体上颚方向旋转，直至仿真人体上颚与仿真人体下颚处于咬合状态；停止旋转步进电机旋转动作，启动驱动马达，使线性滑台带动仿真人体上颚作一个往复线性研磨动作；按照控制所设定的执行参数重复咀嚼动作。
11.根据权利要求9所述的仿生口腔食物加工方法，其特征在于，首先制备人工唾液，并将所制备的人工唾液储存在唾液储存容器中；将唾液储存容器浸没在水浴温度保持装置中加热至恒温状态；通过设置蠕动泵的执行参数执行步骤四，将恒温的人工唾液逐渐泵送至仿生口腔中食物上。
12.根据权利要求11所述的仿生口腔食物加工方法，其特征在于，所述步骤一中将所需加工的固体食物放置于仿生口腔咀嚼装置的仿生口腔中，再通过设置蠕动泵执行参数使其将恒温的起始人工唾液逐渐泵送至仿生口腔中的食物上，供食物吸收；关闭蠕动泵停止人工唾液输送，执行步骤二至步骤五。
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