含颗粒食物体系口腔润滑体外研究的新型平板探针设计

《LWT》：A novel plate probe design for in vitro oral lubrication study of particle-containing food systems

本研究针对传统球-盘式口腔摩擦学装置在模拟舌-腭生理接触时存在的润滑剂优先夹带、颗粒物排斥及接触面积受限等问题，设计了一种具有沟槽结构的平板探针（plate probe）与粗糙PDMS基底组成的摩擦副。通过系统评估食物特性（粘度、颗粒存在）、操作参数（速度、载荷）及表面特性（粗糙度、疏水性）对摩擦行为的影响，证实该设计能有效稳定摩擦力响应、完成Stribeck曲线绘制，并确保固体颗粒有效夹持。该研究为含颗粒食物体系的体外口腔润滑机制研究提供了更可靠的方法学支撑，对食品感官评价与口腔加工研究具有重要意义。

　　

食物质构感知的核心在于口腔加工过程中舌与硬腭之间的摩擦学相互作用。然而，由于剪切速率、接触压力和接触面积的持续变化，在体外复制这一动态过程面临巨大挑战。传统球-盘式（ball-on-disc）摩擦仪虽广泛应用，但其狭窄的接触区域和楔形入口导致的润滑剂优先夹带（如乳液中的油相优先成膜）以及固体颗粒的排斥现象，与真实的舌-腭接触模式存在显著差异。此外，真实的舌-腭接触面积可达数百平方毫米，远大于球-盘接触，这对颗粒物的滞留和感官评估至关重要。因此，开发一种能更真实模拟生理接触的体外摩擦学方法迫在眉睫。

为了克服这些局限，研究人员在《LWT》上发表论文，提出了一种新型的平板探针设计，用于含颗粒食物体系的体外口腔润滑研究。该研究基于一台商业质构分析仪（TA.XTplus）构建了软质构分析仪-摩擦仪（STAT），关键技术创新在于设计并制作了具有不同边缘曲率和沟槽结构的圆柱形PDMS平板探针，以及采用软光刻技术制备的具有特定粗糙度的PDMS基底。研究通过系统改变润滑剂粘度（30, 60, 85, 95 wt%糖浆溶液）、法向载荷（0.08 N, 0.27 N, 0.46 N）、基底表面粗糙度（R₀-R₃）和疏水性（PDMS-PDMS疏水接触 vs. 丙烯酸树脂-PDMS亲水接触），并利用空心玻璃微球（GB18, GB55）悬浮液作为模型颗粒体系，全面评估了该平板探针摩擦学测量系统的可行性与可靠性。

3.1. 表面粗糙度对摩擦力的影响

研究人员首先考察了表面粗糙度对摩擦力曲线的影响。结果表明，光滑基底（R₀, S_a ~0.33 μm）在较高粘度润滑下易出现严重的粘滑现象（stick-slip），而粗糙基底（R₁, S_a ~2.15 μm）则能显著减弱粘滑幅度，稳定力响应。其机理在于粗糙表面的微凸体减少了真实接触面积，限制了粘附力的积累，从而降低了静摩擦力。在流体动力润滑区，表面粗糙度对摩擦系数影响甚微。

3.2. 平板探针几何设计对摩擦行为的影响

研究对比了具有完整圆形接触面（A₁, B₁, C₁）和沟槽结构（A, B, C, D）的探针。发现带沟槽的探针能够清晰地呈现Stribeck曲线的三个润滑区域（边界润滑、混合润滑、流体动力润滑），而完整接触面的探针则表现出以粘附为主导的摩擦行为，混合区缺失。沟槽结构通过增加夹带流体体积（达数百微升）产生更强的流体动压提升效应，是实现润滑状态转变的关键。

3.3. 表面性质对疏水性和亲水性接触摩擦行为的影响

研究发现，增加表面粗糙度和亲水性均能降低边界摩擦系数，但对流体动力润滑无影响。亲水性表面（丙烯酸树脂探针）因其对水分子更强的亲和力，能促进润滑剂夹带，使边界润滑在更低的ηu/W值下终止，加速向混合润滑的过渡。

3.4. 表面载荷对疏水性和亲水性接触的影响

与球-盘接触中载荷增加通常导致边界摩擦系数降低不同，在平板-平板接触中，增加法向载荷并未降低边界摩擦系数。这表明在低接触压力下，真实接触面积可能随载荷增加的速度超过载荷本身，或粘性分量的贡献增大。在混合润滑区，增加载荷使摩擦系数下降的起始点向更低ηu/W值移动。

3.5. 表面性质对两种摩擦学接触中摩擦行为的影响

当使用模拟舌面（具有乳头状结构）作为基底时，两种探针（平板探针与三球探针）表现出截然不同的摩擦行为。对于平板探针，其边界摩擦系数高于粗糙PDMS基底（R₃），因其主要接触的是乳头顶端的光滑区域。而对于三球探针，其边界和最小摩擦系数均低于R₃，表明其接触模式能更好地适应乳头状结构，实现有限接触并最小化探针的垂直波动。

3.6. 摩擦学接触对固体颗粒悬浮液摩擦行为的影响

这是本研究最显著的发现之一。在使用三球探针时，所有颗粒悬浮液的摩擦曲线与其基质溶液几乎重合，表明颗粒被严重排斥在接触区之外。膜厚计算（中心膜厚h_c 1.51-5.10 μm，最小膜厚h_m 0.78-2.68 μm）与颗粒尺寸（GB18, GB55）的不匹配以及纯滑动运动是导致颗粒排斥的主要原因。相反，在使用平板探针时，颗粒悬浮液的摩擦曲线位于基质溶液之下，且较大颗粒（GB55）表现出更好的润滑性，证实了颗粒被有效夹持并可能发挥了“滚珠轴承”效应，减少了表面接触。

本研究成功开发并验证了一种用于体外口腔润滑研究的新型平板探针系统。该设计通过引入沟槽结构和粗糙基底，有效克服了传统球-盘装置的局限，能够稳定完成Stribeck曲线的绘制，并确保固体颗粒在接触区的有效参与。研究结果表明，表面粗糙度和疏水性是调节边界润滑的关键因素，而接触几何形状对颗粒物的润滑行为具有决定性影响。平板接触更利于颗粒夹持并可能发挥其减摩作用，而点接触则导致颗粒排斥。这项工作为含颗粒复杂食物体系（如乳液、悬浮液）的摩擦学行为研究提供了更可靠、更贴近生理现实的实验方法，对深入理解食物口腔加工过程中的质构感知机制具有重要的理论和实践意义，并为食品产品开发提供了有价值的工具。