Der Liebe meines Lebens und meinen Eltern gewidmet

Vorwort

Auch wenn mir das keiner glauben mag (außer einige die selbst schon eins geschrieben haben), ein Vorwort zu verfassen ist keine leichte Aufgabe. Es dient einer speziellen Aufgabe und es folgt seinen eigenen Regeln. Ich empfinde es als sehr wichtig, denn genau hier ist die Stelle, an der ich der Nachwelt etwas von MIR hinterlassen kann. Die wissenschaftliche Abhandlung, die sich auf den folgenden Seiten anschließt, die interessiert bei einer Doktorarbeit nur einen Teil der Leser. Doch dieser Text hier verr¨ at etwas ¨ uber die Pers¨ onlichkeit des Autors, je nachdem

wie der Autor das Vorwort pers¨ onlich gewichtet. Ebenso erz¨ ahlt jede Doktorarbeit auch etwas ¨ uber das Leben des Autors, wenn auch nur versteckt zwischen den Zeilen.

Das Dilemma l¨ asst sich folgendermaßen zusammenfassen: f¨ ur die einen (die Wissenschaftler) steht der Inhalt, nein oft nur die Ergebnisse im Vordergrund. F¨ ur das pers¨ onliche Umfeld, f¨ ur die Menschen um einen herum, die direkt oder indirekt zum Gelingen dieses Schriftst¨ ucks beitrugen, f¨ ur diejenigen sind diese Zeilen hier gedacht. Mit einem Signifikanzniveau von α = 0.001 wird dieses Kapitel am Anfang meiner Doktorarbeit das einzige sein, was meine Lieben lesen (das mit den Signifikanzniveau ist f¨ ur die Wissenschaftler gedacht, die sich doch einmal hier her verirrt haben. Ihr k¨ onnt ab jetzt mit dem langweiligen Teil aufh¨ oren und auf Seite 1 weiterlesen).

Ein Erlebnis am Anfang meiner Recherche f¨ ur diese Arbeit ist mir noch in Erinnerung geblieben. Damals bestellte ich in der Bibliothek in Weihenstephan eine Doktorarbeit aus dem Jahre 1978. Als ich sie eine Woche sp¨ ater abholte meinte die Dame hinter in der Ausleihe, es sehe so aus, als sei ich die zweite Person die diese Arbeit ¨ uberhaupt je ausgeliehen hat (¨ ubrigens, ich habe nur die Ergebnisse und kleine Teile des Methodenteils ¨ uberflogen). Woher sie das wusste? Keine

Ahnung, stand (wahrscheinlich) entweder in ihren Unterlagen oder sie erkannte

i

es an den noch fast wie neu aussehenden Seiten. Aufgrund dessen entschied ich mich, dieses Vorwort etwas pers¨ onlicher zu gestalten und nicht nur (aber auch) die Danksagung herunter zu beten, denn in der eigentlichen Arbeit ist daf¨ ur verst¨ andlicherweise kein Platz. Falls jemand dies bl¨ od, unangebracht, unorthodox oder gar infantil findet (einige Zitate), bitte sch¨ on. Auch f¨ ur den gilt das Gleiche wie f¨ ur den ausschließlich am Resultat interessierten Wissenschaftler: please proceed to

page 1. Selbst wenn nach den Berichterstattern kein Mensch mehr diese Arbeit liest, so erf¨ ullt die vorliegende Dissertation doch einen Zweck. Sie zeigt den unten erw¨ ahnten Personen, dass sie f¨ ur mich wertvoll sind und dass sie zu etwas wichtigen in meinem Leben beigetragen haben.

Beginnen m¨ ochte ich mit dem Anfang (womit sonst?) meiner Doktorandenzeit. Hier muss ich meinem Professor/Mentor/Doktorvater Antonio Delgado Rodriguez danken. Estimado pap´ a academico, ich danke Ihnen f¨ ur das Vertrauen, die Unterst¨ utzung und den Glauben in mich in all den Jahren. Es war und ist f¨ ur mich sehr wertvoll, dass wir pers¨ onlich und auch zwischenmenschlich diese ausgezeichnete Beziehung f¨ uhren. Viele meiner Freunde konnten es mir nie glauben, dass ein Professor seinen Doktoranden so nah an sich heran l¨ asst. Dies stellt f¨ ur mich, neben Ihrer Expertise, eine wichtige Eigenschaften dar, die Sie auszeichnet. ¡Muchos gracias por todo!

Weiterhin danke ich meinen vielen Kollegen. Leszek, auch wenn ich dir am Anfang vielleicht etwas suspekt war, so warst du f¨ ur mich ein wichtiger Weggef¨ ahrte uber die Jahre. Vielleicht hast du es gar nicht so aktiv mitbekommen, aber deine ¨

Erfahrung und dein Zuh¨ oren haben mir sehr geholfen, vor allem in der Endphase. Vielen Dank daf¨ ur. Kto pokroil ten ser?

Conny, du bist die n¨ achste der ich danken m¨ ochte. Obwohl du stets ” ein bisschen“

was zu tun hattest, so fand ich trotzdem immer eine offene T¨ ur vor. Diese Tugend bewundere ich neben deiner Intelligenz und deinem Fleiß sehr, andere Menschen werden aggressiv und kapseln sich sogar ab. Du hast mir stets mit Rat und Tat zur Seite gestanden, ich hoffe du beh¨ altst unsere Zeit in guter Erinnerung. Georgia, ich bin sehr froh, dass wir uns kennen gelernt haben. Die Liebe und die Warmherzigkeit die du mir entgegengebracht hast bedeuten mir wahnsinnig viel. Viele sagen es liegt daran, dass ich Halbgrieche bin. Doch ich glaube fest daran,

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dass du nur auf meine Witze abf¨ ahrst :-) Du warst eine der ersten Personen am Lehrstuhl, zu der ich eine sehr pers¨ onlich Beziehung aufbauen konnte (neben den Freisingern“ nat¨ urlich), als ich am Ende meines Studiums nach Erlangen kam.

”

Am Anfang war ich sehr ungl¨ ucklich ¨ uber den direkten Umgangston der Franken (manche nennen es ” Unfreundlichkeit“, ich nenne es auch so). Gest¨ utzt wurde das alles durch die Tatsache, dass es, im Gegensatz zu meiner Erziehung, in Franken wohl nicht ¨ ublich ist Menschen (selbst wenn man sie kennt) auf der Straße oder den G¨ angen der Arbeitsst¨ atte zu Gr¨ ußen. Doch auch hier gilt wieder das Prinzip der selektiven Wahrnehmung, der auch ich leider unterliege, obwohl ich es mir st¨ andig versuche auszureden. Nach all den Jahren gingen diese Personen und es kamen sehr viele gr¨ ußende und freundliche Menschen in mein Leben (geht auch sehr gut mit Franken, vor allem wenn man das Eis erstmal gebrochen hat sind sie sehr herzlich und aufgeschlossen).

Dann ist da noch der Snej. Danke, dass du mir ein so guter und hilfsbereiter Freund bist. Und kein Danke daf¨ ur, dass du die M¨ adels bei Oltre Mare immer gewinnen l¨ asst, damit ich verliere hehehe. Und nat¨ urlich noch der Herr Jaswinder. Thx buddy for all the help with OpenFOAM but more for all the personal things we discussed (you know what I mean). I hope I didn’t drive you crazy too much. Und der Rainer. Ja der Rainer. Danke f¨ ur die Studienberatungszusammenarbeit und die Hilfe bei diesem ganzen KNN Kram. Obwohl mir das Ganze oft auf die nat¨ urlichen Neuronen ging, so hast du mit deinen Antworten auf meine Fragen oft Licht ins Dunkel gebracht. Frauke und ” Hey Jud(ith)“ auch euch sei ein großer Dank ausgesprochen und Schmatzer auf die Backe. Ihr habt mir stets offen und hilfsbereit zur Seite gestanden. Vor allem Frauke, wir haben ja eng zusammengearbeitet, insbesondere bei all den ” Sch¨ uler Experimentieren an M¨ adchen und Technik“ (oder so ¨ ahnlich) und anderen Infoveranstaltungen. Ach ja, und bei der Lehre nat¨ urlich. Du weißt ja, wir machen Lehre um die Leere zu f¨ ullen, nicht nur um uns gut zu f¨ uhlen... Erw¨ ahnen m¨ ochte (und MUSS) ich noch die Herren aus der (E- und M-)Werkstatt. Dank eurer Hilfe ist das Leben der studierten Dipl.-Ing. viel einfacher. Das waren im Prinzip die Arbeitskollegen. Wenn ich jemanden vergessen habe, entschuldige bitte. DICH habe ich nat¨ urlich unabsichtlich vergessen.

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Nun zu meinen Freunden. Ach wo fange ich an? Mit ” Easy E“ aka ” The Bus“

btaka Ertels Matthias. Als mein bester Freund (nein Malaka mou, nicht weinen, du kommst auch noch dran) soll die ganze Welt ¨ uber unsere Freundschaft aufmerk-

sam gemacht werden. Danke f¨ ur die coolen Jahre und die vielen, die noch kommen werden. Du warst, bist und bleibst mein bester Freund (zumindest hoffe ich das mit dem ” bleiben“, nachdem du das hier gelesen hast und es dir nicht zu peinlich ist). Die Diskussionen und deine Aufmunterung gaben mir immer viel Aufwind wenn ich mal niedergeschlagen war, wenn es zum Beispiel nicht so lief wie ich wollte. So jetzt du ” Malaka mou“ aka ” PPP“ btaka K. Martin R¨ atzsch. Obwohl wir

uns w¨ ahrend der Bundeswehrzeit t¨ aglich und danach nur noch ab und zu w¨ ahrend des Jahres gesehen haben, bist du mir der liebste und beste preußische Freund (so, wieder gl¨ ucklich?). Danke f¨ ur alles, die Zeit mit dir ist immer richtig genial!! Wer w¨ are da noch? Der Christopher G., ne Moment das w¨ are zu auff¨ allig, der C. Gedeon. Auch wenn wir uns selten sehen, die Zeit mit dem Ertel genieße ich immer sehr. Vor allem der Vergleich mit euren Studienerfahrungen erleichtern einem die Einordnung der eigenen Erfahrungen ungemein. Auch die Nini will ich nat¨ urlich nicht unerw¨ ahnt lassen. Es ist sch¨ on dich zu meinen besten Freunden z¨ ahlen zu d¨ urfen. Egal wozu du dich f¨ ur deine Doktorarbeit entschieden hast, unsere Freundschaft wird immer bestehen bleiben. So, damit dieses Vorwort nicht l¨ anger wird, als der Rest der Arbeit und zu sehr abschweift, hier noch wichtige Freunde in meinem Leben (damit sich keiner benachteiligt f¨ uhlt in alphabetischer Reihenfolge): Erika, Fabian, Freya, Goofy, Klaus B., Laura&Flo, N.N., Norbert&Vronile, Olivia, Thomas Strixner, Thomas Wolf. Auch hier in der Freunde-Sektion gilt das Gleiche wie bei den Arbeitskollegen. Wer sich vergessen f¨ uhlt, tr¨ agt seinen Namen unter N.N. ein. Danke.

Wichtig f¨ ur das Gelingen einer Doktorarbeit sind auch die Studenten in Form von HiWis, Bacheloranden, Diplomanden, etc. Jeder der eine Dissertation (an der Uni) angefertigt hat weiß, dass große Teile der sich wiederholenden Laborarbeit oft die Studenten durchf¨ uhren. Deshalb auch mein Dank an meine Mitstreiter (in Reihenfolge wie sie sich zu mir verirrt haben): Johanna Schmidt, Bettina Willinger, Patrick Inhetveen formerly known as Brendel formerly formerly known as Dite, Andr´ e Heldt, Cora Hanesch und Marco Kotz.

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Nun meine Familie. Meine Eltern, dass sie mich die wichtigen Werte im Leben gelehrt haben (Mama: Σ αγαπ ´ ω), ihr habt mich zu dem Menschen gemacht der

ich bin. Außerdem haben sie und meine Geschwister Ann-Marie und Christopher daf¨ ur gesorgt, dass ich die Wochenenden zu Hause als einen Ort der Entspannung und des ” Abschaltens“ nutzen konnte, auch wenn die griechische Mentalit¨ at das oft erschwert. Auch meiner neuen Familie Vetisch, dass ihr mir eure wunderbare Tochter geschenkt habt, und dass ihr mich ebenso liebt.

Yvonne, du warst von der ersten bis zur letzten Sekunde an meiner Seite. Danke f¨ ur die Liebe und Unterst¨ utzung in all den Jahren dieser Doktorarbeit. Ohne dich w¨ are diese Zeit niemals das Wunderbare gewesen, dass sie f¨ ur mich war. Du warst auch in den schlechten Zeiten, in denen ich in Selbstzweifel fast erstickt bin mein Rettungsanker. Ich liebe dich

Das bringt mich zum Ende dieses Vorworts. Nun sitze ich hier in Altona/Melbourne, schreibe diese Zeilen und schließe ein Kapitel meines Lebens ab. In den n¨ achsten Tagen reiche ich die Arbeit offiziell ein. An dieser Stelle greife ich ein St¨ uck in die Zukunft vor und danke Herrn Prof. J¨ org Hinrichs f¨ ur die ¨ Ubernahme des Amtes

des zweiten Berichterstatters und Herrn Prof. Michael Wensing f¨ ur die ¨ Ubernahme des Amtes des Vorsitzenden. Ebenso danke ich der Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT) f¨ ur das Stipendium zu Beginn meiner Promotion und all den fachlichen Weiter- und Fortbildungen, sowie f¨ ur alles Zwischenmenschliche.

Wenn ich die Augen schließe und an den Moment zur¨ uckdenke, an dem ich mich mit Herrn Delgado und Albert Baars im Br¨ aust¨ uberl Weihenstephan ¨ uber m¨ ogliche Promotionsthemen unterhielt und die Augen ¨ offne und das Erreichte sehe, so erf¨ ullt mich das mit einem gewissen Stolz. Endg¨ ultig abschließen m¨ ochte ich mit einem Zitat von Ulrich Erckenbrecht, dass sich an alle richtet, die doch etwas mit meiner Doktorarbeit anfangen m¨ ochten: ” Wo die Zu-Ende-Denker zu Ende gedacht haben, f¨ angt’s erst an interessant zu werden“...

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vi

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis   xi

1  Einleitung  5

2  Stand der Forschung  9

2.1  Anatomie der Mundh ohle  9

2.1.1  Makroskopische Anatomie der Mundh ohle  9

2.1.2  Mikroskopische und funktionelle Anatomie der Zungenschleim-  

haut   10

2.1.3  Mechanorezeptoren im Mund  13

2.1.4  Lokalan asthetika/Oberfl achenan asthesie  17

2.1.4.1  Allgemeiner Wirkungsmechanismus von Lokalan-  

asthetika   17

2.1.4.2  Wirkungsmechanismus an der Nervenmembran  18

2.2  Humansensorik im Bereich des Mundgef uhls  20

2.2.1  Wahrnehmung des Mundgef uhls  25

2.3  Psychorheologie  29

2.4  Grundgleichungen der Str omungsmechanik und der Rheologie  31

2.5  Deformationsrate und Schubspannungen im Mundraum  36

2.6  Mundmodelle  41

2.6.1  Verfolgung des Kauapparates und radiologische Messungen  42

2.6.2  Zweiplattenmodelle  44

2.6.3  Posthumus Funnel  46

2.6.4  Numerische Mundmodelle  52

2.7  Verkn upfung von physikalischen Messungen mit dem Mundgef uhl  55

2.7.1  Mathematische / Psychophysikalische Modelle  59

vii

Inhaltsverzeichnis

2.7.2  K unstliche Neuronale Netze  62

2.7.2.1  Funktionsweise K unstlicher Neuronaler Netze  63

2.7.2.2  Anwendung K unstlicher Neuronaler Netze in der  

Humansensorik   65

3  Material und Methoden  69

3.1  Numerische Simulation der Str omung im Posthumus Funnel  69

3.1.1  OpenFOAM  70

3.1.2  Gittergenerierung und Abh angigkeit der L osung von der Git-  

terau  fl osung  71

3.2  PIV Messungen  76

3.3  Softwaretool hANNdy“ zur Voraussage von Mundgef uhlattributen  80

3.3.1  Aufbau von hANNdy“  80

3.3.2  Verwendete Datenbank  84

3.3.3  Auswahl der physikalischen Gr oßen  85

3.3.4  Beurteilung der Voraussagegenauigkeit  86

3.4  Untersuchung des relativen Einflusses von Oberfl achenmechanore-  

zeptoren  und Propriozeption  91

3.4.1  Probenvorbereitung  91

3.4.2  Studie 1: Triangeltest  94

3.4.3  Studie 2: Profilierung anhand einer hedonischen Skala  96

4  Ergebnisse und Diskussion  99

4.1  Anpassung der Geometrie des Posthumus Funnel  99

4.1.1  Analytische L osungen der Navier-Stokes-Gleichung f ur die  

Str  omungen im Posthumus Funnel  99

4.1.2  Vergleich von Experiment und numerischer Simulation  104

4.1.2.1  Ausgeflossene Masse: Konvergenzverhalten in Ab-  

h  angigkeit von der Gitteraufl osung  104

4.1.2.2  Ausgeflossene Masse:  

Uberpr  ufung der Abh angig-  

keit  der Ergebnisse von der Viskosit at  109

4.1.2.3  Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes mittels PIV  111

4.1.3  Anpassung des Posthumus Funnel an orale Scherraten  115

viii

Inhaltsverzeichnis

4.1.3.1  Entwicklung des Berechnungsmodells f ur die Geo-  

metrie   115

4.1.3.2   

Uberpr  ufung des newtonschen Modells  123

4.2  Voraussage des Mundgef uhls  128

4.2.1  Voraussage der M Viscosity mittels klassischer psychophysi-  

kalischer  Modelle  128

4.2.2  Voraussage der M Viscosity mittels K unstlicher Neuronaler  

Netze   129

4.3  Ursachen der Entstehung des Mundgef uhls von halbfl ussigen Le-  

bensmitteln   136

4.3.1  Ergebnisse der Studie 1  136

4.3.2  Ergebnisse der Studie 2  138

4.3.3  Absch atzung der zum Schlucken n otigen Kraft  142

4.3.3.1  Verifizierung der Simulationsergebnisse des Schluck-  

vorgangs   146

4.3.3.2  L angen und Zeitskalen w ahrend des Schluckvor-  

gangs  und ihr Einfluss auf die Mechanorezeptoren  149

4.3.4  Vergleich der im Posthumus Funnel und im Mund auftreten-  

den  Dehnraten w ahrend des Schluckvorgangs  153

5  Zusammenfassung und Ausblick  159

Abbildungsverzeichnis   165

Tabellenverzeichnis 173   

ix

Inhaltsverzeichnis

x

Symbolverzeichnis

Akronyme

B.I.T.E Bi-cyclical Instrument for Texture Evaluation

CF D Computational Fluid Dynamics

EM A Elektromagnetische Artikulographie

EM G Elektromyographie

EP G Elektropalatographie

F SC Fundamental Stiffness Coefficient

F T C Flowing Time Coefficient

KI K¨ unstliche Intelligenz

KN N K¨ unstliche Neuronale Netze

M V G Mittlere Voraussagegenauigkeit

OF M Oral Flow Model

P IV Particle Image Velocimetry

P P Puddingpulver

RF Rezeptives Feld

T P A Texture Profile Analysis

V AV Varianz der Voraussagen

xi

Inhaltsverzeichnis

V OF Volume of Fluid

ZN S Zentrales Nervensystem

Arabische Formelzeichen

m ³ ˙ V Volumenstrom

^{s 1} D Deformationsgeschwindigkeitstensor

^s e Z Einheitsvektor in z-Richtung

^m f Volumenkraft

s ^{2 m} Erdbeschleunigung g

s 2

n i Fl¨ achennormalenvektor

^m Geschwindigkeitsvektor u

^s m ² A Fl¨ ache

a L¨ ange der langen Hauptachse einer Ellipse m

a Parameter

b L¨ ange der kurzen Hauptachse einer Ellipse m

b Parameter

d H¨ ohe des Konus im Posthumus Funnel m

D 0 Durchmesser des unteren Zylinders im Posthumus Funnel m

D 2 Durchmesser des oberen Zylinders im Posthumus Funnel m

F Kraft N

G Enthalpie N

H L¨ ange des oberen Zylinders im Posthumus Funnel m

h L¨ ange des unteren Zylinders im Posthumus Funnel m

xii

h Plattenabstand m

P as ⁿ K Konsistenzindex (Power-Law)

^J k Boltzmann-Konstante

^K L A Abstand der oberen Marke vom Boden im Posthumus Funnel m

L E Abstand der unteren Marke vom Boden im Posthumus Funnel m

^g M Molare Masse

^mol m Gesamtzahl an physikalischen Parameter im Steven-Modell

n Brechnungsindex

n Fließindex (Power-Law)

n Parameter

P Physikalische Gr¨ oße

^N p Druck

m 2

R Radius m

r Ortskoordinate Radius m

S Sensorisches Attribut

T Absolute Temperatur K

t Zeit s

^m u Geschwindigkeit in x-Richtung

^{s m} U z,0,m Volumenstromgemittelte axiale Geschwindigkeit

^{s m} v Geschwindigkeit in y-Richtung

^{s m} w Geschwindigkeit in z-Richtung

^s w ij Verbindungsgewicht des Neurons i mit Neuron j bei KNN

xiii

Inhaltsverzeichnis

Dimensionslose Kennzahlen

F r Froude-Zahl

Re Reynolds-Zahl

Griechische Formelzeichen

α Aktivierungsfunktion eines K¨ unstlichen Neuronalen Netzes

¹ ˙ Dehnrate

^{s 1} ˙ γ Scherrate

^s η Dynamische Viskosit¨ at P as

η S Scheinbare Viskosit¨ at eines nicht-newtonschen Mediums P as

^N γ Oberfl¨ achenspannung

^m τ Schubspannung(stensor) P a

τ Spannungstensor P a

^kg ρ Massendichte

m 3

σ Normalspannung P a

τ Schubspannung P a

τ 0 Fließgrenze P a

^◦ θ Benetzungswinkel

m ² υ Kinematische Viskosit¨ at

^s ς Eingangssumme eines K¨ unstlichen Neuronalen Netzes

Indizes und Exponenten

∗ Dimensionslose Gr¨ oße

A Anfang

xiv

E Ende

f O freie Ober߬ ache

m gemittelte Gr¨ oße

P Platte

T Transponiert

x in Richtung der x-Koordinate

y in Richtung der y-Koordinate

z in Richtung der z-Koordinate

Operatoren

: Inneres Produkt

∆ Laplace-Operator

Nabla-Operator

xv

Kurzzusammenfassung

Diese Arbeit besch¨ aftigt sich mit der Aufkl¨ arung der Ursachen, der Entstehung und, aus diesen Erkenntnissen abgleitet, der Voraussage des Mundgef¨ uhls mittels K¨ unstlicher Neuronaler Netze. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf fließf¨ ahigen Lebensmitteln, und demnach auf deren str¨ omungsmechanischen und rheologischen Verhalten.

Zu Beginn schl¨ agt die vorliegende Publikation ein verbessertes empirisches Mundmodell vor (Posthumus Funnel), dessen abgeleiteten Messgr¨ oßen die Voraussage des Mundgef¨ uhlattributes ” Orale Viskosit¨ at“ signifikant verbessert. Neben einem analytischen Ansatz zur Modellierung der Posthumus Funnel Str¨ omung (¨ ahnlich einer D¨ usenstr¨ omung) liefern numerische Simulationen (CFD) tiefere Einblicke in das Str¨ omungsfeld w¨ ahrend des Ausflusses, sodass sich weitere Gr¨ oßen ableiten und mit den numerischen Simulationen des Schluckens dieser Proben vergleichen lassen. Dazu z¨ ahlen beispielsweise die Scher- und die Dehnraten.

Aus den numerischen Simulationen des Schluckvorgangs lassen sich des Weiteren Gr¨ oßen extrahieren und mit der Realit¨ at vergleichen, beispielsweise die zum Schlucken n¨ otige Kraft oder der Druck auf einzelne Mechanorezeptoren. Daraus lassen sich Aussagen bez¨ uglich der Ursachen der Mundgef¨ uhlsentstehung treffen, vor allem auf den jeweiligen Einfluss der von der Literatur oft zitierten Propriozeption (Eigenwahrnehmung) und Mechanorezeptoren. Beide Systeme galten bisher als relativ gleichberechtigt bez¨ uglich der Mundgef¨ uhlswahrnehmung fließf¨ ahiger Lebensmittel. Doch die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die bisherige Annahme als so nicht weiter tragbar erweist.

1

Inhaltsverzeichnis

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Abstract

This work deals with the elucidation of the causes, the origin and, derived from these findings, the prediction of the mouth feel using artificial neural networks. The focus lies on flowable foods, and thus on their fluid mechanical and rheological behavior.

At the beginning this publication proposes an improved empirical mouth model (Posthumus funnel). The derived measured quantities of the Posthumus Funnel improve the prediction of the mouth feel attribute ” oral viscosity“ significantly.

In addition to an analytical approach which models the Posthumus funnel flow (similar to a jet flow), numerical simulations (CFD) give deeper insight into the flow field so that other measures can be derived and compared with the numerical simulations of the swallowing movement. These include the shear and the elongation rates.

From the numerical simulations of the swallowing process further quantaties can be extracted and compared with reality, for example the necessary force to swallow a food bolus or the pressure on individual mechanoreceptors. This results in statements describing the causes of the mouth feel development, especially regarding the relative influence of the often cited proprioception (self-perception) and mechanoreceptors. Till the present day both systems were considered being equal regarding their impact on the mouth feel perception of flowable foods. But the results suggest that this assumption proves to be no longer acceptable.

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Inhaltsverzeichnis

4

1 Einleitung

¨ Uber den Geschmack l¨ asst sich ja bekanntlich streiten, doch im Endeffekt reagieren alle Menschen in ¨ ahnlicher Weise auf ihre Nahrung. Vieles unseres Verhaltens liegt bereits in den Genen, so zum Beispiel die angeborene Aversion von S¨ auglingen gegen bitter und sauer. Vor allem s¨ uß und ” umami“ signalisieren nahrhaftes Essen.

Mit wachsendem Alter steigt die Beeinflussung unseres Ess- und Trinkverhaltens durch Erfahrungen und Gewohnheiten. So ist f¨ ur viele der morgendliche Kaffee, das k¨ uhle Bier oder ein Glas Gin Tonic eine genussvolle Angelegenheit, trotz, oder gerade wegen, des bitteren Geschmacks.

Ziel jeder Lebensmittelprozessierung besteht in der biologischen, chemischen und physikalischen Umwandlung der Makron¨ ahrstoffe (Fette, Proteine und Kohlenhydrate) bei einer gew¨ unschten Erhaltung der Mikron¨ ahrstoffe (Mineralstoffe, Vitamine, Ballaststoff, etc.). Die Gr¨ unde hierf¨ ur erweisen sich als vielf¨ altig, zum einen f¨ uhrt die Verarbeitung dazu die Endprodukte haltbarer und bek¨ ommlicher zu machen, sie riechen und schmecken besser und, vor allem f¨ ur diese Arbeit wichtig, mehr Konsumenten akzeptieren die Textur. Die Textur beschreibt die Wahrnehmung eines Lebensmittels durch die drei ¨ ubrigen Sinne: H¨ oren, Sehen und F¨ uhlen. Betrachten wir hierzu zwei Beispiele:

1 Einleitung

den K¨ orper besser verf¨ ugbar und Brot l¨ asst sich viel angenehmer kauen und schlucken als seine Ausgangsstoffe. Auch die Spelzen zwischen den Z¨ ahnen beim Getreide sorgen f¨ ur eine eher unangenehmere Empfindung. Jeder, der schon einmal ofenfrisches Brot probiert hat weiß, dass der Verzehrvorgang nicht nur wissenschaftlich sondern auch omnisensorisch einen hoch komplexen Vorgang darstellt

2. Champagner ¨ Ahnliches wie f¨ ur feste Lebensmittel wie Brot gilt auch f¨ ur einige Getr¨ anke. Der reine Traubensaft eignet sich vom ern¨ ahrungsphysiologischen Standpunkt betrachtet f¨ ur unseren K¨ orper viel besser als Champagner. Er enth¨ alt eine h¨ ohere Energiedichte ( Verlust“ von Energie durch

”

die Fermentation, d.h. durch die partielle Oxidation der Mono- und Dissacharide im Traubensaft zu Ethanol und CO 2 ) und keinen Alkohol. Durch die Fermentation entstehen neben dem Geruch und Geschmack (vor allem durch den Hefestamm determiniert) auch CO 2 , das f¨ ur das angenehme Perlen auf der Zunge verantwortlich ist. Die richtige Menge an Kohlens¨ aure, gepaart mit der optimalen Temperatur sorgt f¨ ur ein exquisites Zusammenspiel von gustatorischen und olfaktorischen Reizen sowie der Textur

Das Mundgef¨ uhl und die Textur von Lebensmitteln h¨ angen von sehr vielen Fak-toren ab. Dazu geh¨ oren neben den offensichtlichen wie den physikalischen Eigenschaften (z.B. die Temperatur, die Oberfl¨ achenbeschaffenheit, die Rheologie, etc.), auch schwer fassbare Einfl¨ usse wie das Alter des Konsumenten, seine Physiologie und ethnische Herkunft, seine Vorlieben oder gar sein Gem¨ utszustand. Gerade bei fließf¨ ahigen Lebensmitteln beeinflusst das str¨ omungsmechanische Verhalten die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls maßgeblich. Dennoch zeigen sich die Kenntnisse auf diesem Bereich als ungen¨ ugend und bed¨ urfen weiterer interdisziplin¨ arer Forschung.

Der Geruch und Geschmack spielten lange Zeit die Hauptrolle w¨ ahrend der Produktentwicklung und der Qualit¨ atssicherung. Doch auch das Mundgef¨ uhl und die Textur r¨ ucken immer mehr in den Fokus. Bei einigen d¨ unnfl¨ ussigen Getr¨ anken wie Wasser oder Apfelsaftschorle mag die ” sensorische Wertigkeit“ des Mundgef¨ uhls

nicht entscheidend sein, doch gerade bei komplexen Lebensmitteln wie Schokolade, Joghurt oder Streichk¨ ase wertet der Kunde nicht nur nach dem olfaktorischen und

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gustatorischem Eindruck. Eine Schokolade oder ein Joghurt mit noch sp¨ urbaren Partikeln mindern zwar nicht den nutritiven, doch aber den Genusswert erheblich. Gerade kritische Kunden erlauben solche ” Ausrutscher“ nicht und substituieren die

ihrer Meinung nach fehlerhaften Produkte. Wer w¨ urde schon freiwillig ein schales Bier, feucht und weich gewordene Kartoffelchips oder altes trockenes Brot zu sich nehmen? Wohl die wenigsten, und die anderen kann das Argument der ern¨ ahrungsphysiologischen Gleichheit in den seltensten F¨ allen umstimmen. Zumindest der Genuß fehlte stets.

Aus diesem Grund erscheint der Prozess des ” Texturdesigns“ nicht nur ein Nebeneffekt der Produktentwicklung zu sein, sondern diesem Vorgang steht damit auch eine ¨ okonomische Dimension entgegen. Trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet seit ¨ uber 40 Jahren [159] gelingt es bis heute nicht befriedigend, Modelle und Modellsysteme f¨ ur diesen hochkomplexen Vorgang der Texturwahrnehmung zu entwickeln. Einen Schritt in diese Richtung begeht diese Arbeit. Mit der Kenntnis der Zusammenh¨ ange der Interaktion von Material und Mechano-rezeptoren/Reizverarbeitung im Zentralen Nervensystem (ZNS) st¨ unde ein m¨ achtiges Werkzeug zur gezielten Ver¨ anderung des Texturempfindens zur Verf¨ ugung. Der Mensch alleine befindet sich in der Lage, Lebensmittel sensorisch zu beschreiben, und bildet bis heute die letzte und entscheidende Instanz bei der endg¨ ultigen sensorischen Bewertung. Seine sensorische Expertise zu ersetzen ist mit den bisherigen Erkenntnissen nicht m¨ oglich. Abhilfe k¨ onnen Expertensysteme liefern, die das Wissen menschlicher Panelisten b¨ undeln und n¨ aherungsweise abbilden. Hiiemae [62] sieht die Vorteile solcher Expertensysteme in den reduzierten Kosten, den k¨ urzeren Trainingszeiten der menschlichen Experten, h¨ oherer Flexibilit¨ at und weniger Mehrdeutigkeiten in den Ergebnissen. Dazu kommt die Objektivierung und die damit entstehende Unabh¨ angigkeit von individuellen Einfl¨ ussen der Panelisten. Doch wie bei fast allen biologischen Vorg¨ angen stellt auch dieser Vorgang ein mehrdimensionales nichtlineares Problem dar und ist damit mit ” einfachen“ Gleichungen und Gleichungssystemen nicht zu modellieren. In der Literatur bestehen zwar schon l¨ anger Anstrengungen zur Beschreibung einzelner sensorischer Attribute mit einzelnen physikalischen Gr¨ oßen [71,86], oder mehrerer Gr¨ oßen mithilfe von Potentzans¨ atzen wie z.B. van den Oever [167]. Ein komplettes Modell, welches die

7

1 Einleitung

gesamte Bandbreite an Texturattributen abbilden kann, existiert jedoch aufgrund der Komplexit¨ at leider nicht.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Prozess der Wahrnehmung der Textur fließf¨ ahiger Lebensmittel auf Basis str¨ omungsmechanischer ¨ Uberlegungen zu untersuchen. Das

erste Ziel besteht in der Untersuchung des relativen Einflusses von Mechanorezep-toren und Propriozeption (Eigenwahrnehmung) auf die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls halbfl¨ ussiger Lebensmittel. Dabei zeigen sich weltweit einmalige Einblicke in die Entstehung des Mundgef¨ uhls anhand des relativen Einfluss der physiologischen Wahrnehmungsapparate im Mund bei einem halbfl¨ ussigen Lebensmittel (Vanille Pudding). Diese Erkenntnisse lassen sich im Anschluss zur Voraussage der Textur nutzen. Um die Vorg¨ ange im ZNS nachzubilden empfehlen sich kognitive Al-gorithmen, wie z.B. K¨ unstliche Neuronale Netze (KNN) oder Fuzzy Logic, da diese die Vorg¨ ange im Gehirn mathematisch modellieren und somit besser beschreiben. Es existieren bereits vereinzelt erfolgreiche Ans¨ atze, um die sensorische Wahrnehmung auf diese Weise nachzuahmen und damit auch gesicherte Voraussagen zu treffen [89]. Diese Arbeit stellt erstmals ein Softwaretool vor, das die Voraussage von Mundgef¨ uhlattributen von Lebensmitteln anhand einer bestehenden Datenbank erm¨ oglicht. Die Verwendung rein rheologischer Gr¨ oßen erm¨ oglicht bereits Voraussagegenauigkeiten von bis zu 99,3%. Des Weiteren erfolgt die Optimierung des nachgewiesenen Voraussagepotentials der empirischen Ausflussmessmethode des Posthumus Funnel. Dem Produktentwickler oder dem Qualit¨ atsmanager stehen in der Summe dadurch wertvolle Systeme zur Seite, die in letzter Instanz dem Verbraucher durch qualitativ noch hochwertigerer Produkte zugute kommen.

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2 Stand der Forschung

Die vorliegende Arbeit behandelt eine Vielzahl unterschiedlicher Themengebiete. Dies unterstreicht zum einen die n¨ otige Interdisziplinarit¨ at, zum anderen k¨ onnen aufgrund des Umfangs der Literatur der Themenbereich nicht alle Aspekte Einzug finden, sodass sich der folgende Abschnitt vor allem dem Schrifttum mit besonderem Bezug zu dieser Arbeit widmet.

2.1 Anatomie der Mundh¨ ohle

Der Mund stellt zwar nicht die erste Instanz zur Bewertung der Lebensmitteltextur dar, jedoch die wichtigste. Die Kenntnis der Physiologie der Mundh¨ ohle und der vorhandenen Sensorik, sowohl makro- als auch mikroskopisch, zeigt sich zum Verst¨ andnis der Entstehung des Mundgef¨ uhls als unbedingt n¨ otig. Gerade die Interaktion bei halbfl¨ ussigen Lebensmittel mit dem Mundraum bestimmt vornehmlich die Rheologie der Lebensmittel.

2.1.1 Makroskopische Anatomie der Mundh¨ ohle

Die meisten in der Technik eingesetzten Sensoren durchlaufen eine vorherigen Pr¨ ufung auf ihre Eignung am Einsatzort, d.h. z.B. bez¨ uglich ihrer Empfindlichkeit, ihrer Robustheit und ihres Messbereichs. Diesen Vorgang durchliefen auch alle biologischen Sensoren im Laufe der Evolution. Erschloss sich eine Spezies neue Lebensr¨ aume, so degenerierten Sinnesorgane (sogenannte Involution) wof¨ ur andere st¨ arker in den Vordergrund traten. Beispiele bilden die geringe Sehkraft von Maulw¨ urfen (Talpa europaea) oder die sich stets verschlechternde Geruchswahrnehmung des Menschen.

Die Mundh¨ ohle (cavitas oris propria) dient in erster Linie der Vermengung des

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2 Stand der Forschung

Speisebreis mit Speichel und der Zerkleinerung. Diesen Prozessierungsraum begrenzen die Zahnreihen frontal und lateral, der Gaumenbogen kranial und die Schlundenge dorsokaudal. Weiterhin trennt der Gaumen die Mundh¨ ohle von der Nasenh¨ ohle, in dessen starren vorderen Abschnitt die Schleimhaut dem Knochen aufliegt (harter Gaumen), den hinteren Teil hingegen k¨ onnen Muskeln bewegen. Der Raum zwischen Z¨ ahnen und Lippen bzw. Wangen tr¨ agt die Bezeichnung Mundvorhof (vestibulum oris) und steht, abgesehen von den interdentalen Spalten, lediglich zwischen dem letzten Molaren und dem aufsteigenden Unterkieferast mit der Mundh¨ ohle in Kontakt. Deshalb spielen vor allem die Sensoren in der eigentlichen Mundh¨ ohle und der Zunge eine Rolle bei der Wahrnehmung der Mundgef¨ uhlattribute, doch nicht ausschließlich. W¨ ahrend spezialisierte Sensoren wie die olfaktorischen (Geruch) oder gustatorischen (Geschmack) die Qualit¨ at w¨ ahrend dieses Vorgangs bewerten, dienen die Eindr¨ ucke der Mechanorezeptoren an der Zunge, dem Gaumen und den Z¨ ahnen der Evaluierung des Schluckzeitpunktes. Die letzten drei Sensoren sind zusammen mit der akutischen und Temperaturempfindung f¨ ur die Wahrnehmung der sogenannten Textur verantwortlich. Abbildung 2.1 veranschaulicht die Anatomie des Mundraumes schematisch.

2.1.2 Mikroskopische und funktionelle Anatomie der

Zungenschleimhaut

Die Zunge stellt das wichtigste Organ der Nahrungsverarbeitung dar und sie enth¨ alt daneben Mechanosensoren, zust¨ andig f¨ ur einen wichtigen Teil der Wahrnehmung der Lebensmitteltextur. Bei geschlossenem Mund und entspanntem Zustand f¨ ullt sie praktisch die gesamte Mundh¨ ohle aus. Sie liegt auf dem Mundboden auf und besteht aus einem Muskelk¨ orper, den eine Schleimhautschicht bedeckt. Von außen einstrahlende Muskeln verleihen der Zunge eine große Beweglichkeit, w¨ ahrend Binnenmuskeln eine starke Verformbarkeit erm¨ oglichen. Auf dem Zungenr¨ ucken heftet sich die Schleimhaut unverschieblich an die Aponeurosis lingue, eine derbe Bindegewebsfaszie. Das Schleimhautbindegewebe ist durch hohe Papillen fest mit dem Schleimhautepithel verzahnt. Bei den Papillen der Zungenoberfl¨ ache handelt es sich um makroskopisch sichtbare Strukturen und sie lassen sich in Geschmacks-und Tastpapillen unterteilen. Die Abbildung 2.2 illustriert diese.

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Abbildung 2.1: Anatomie des Mundraums. Nach [148]

2 Stand der Forschung

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ne Ausnahme bilden hier lediglich die Spitzen der Papillae filiformes) und Schleimhautbindegewebe aufgebaut. Die Lamina muscularis mucosae ist nur schwach ausgebildet [49].

Was die Morphologie und Innervation der Mechanorezeptoren angeht, unterscheidet sich die Mundschleimhaut nicht wesentlich von anderen kutanen Geweben [22] (siehe Abbildung 2.3). Jedoch ist festzuhalten, dass sowohl die Dichte der Rezep-toren, als auch der Innervation im Mundbereich zu den h¨ ochsten im gesamtem menschlichen Organismus z¨ ahlen.

Zweipunktmessungen haben ergeben, dass sich die Bereiche gr¨ oßter Ber¨ uhrungsempfindlichkeit und Ortsaufl¨ osung an der Zungenspitze befinden, gefolgt von den Lippen und dem harten Gaumen [29]. Ein Grund hierf¨ ur ist neben der dichteren Innervation wohl auch in der geringeren Dicke der die Papillae filiformes bedeckenden Epithelschicht zu sehen [22]. Grundlage der taktilen Wahrnehmung der Zungenschleimhaut stellen unterschiedliche Mechanorezeptoren dar, auf die das folgende Kapitel n¨ aher eingeht.

2.1.3 Mechanorezeptoren im Mund

Der Mensch nimmt seine Umwelt, und demnach auch das Mundgef¨ uhl, ausgel¨ ost durch die Wechselwirkung Lebensmittel/Mundoberfl¨ ache ¨ uber Sensoren wahr. Ne-

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2 Stand der Forschung

ben der Temperatur- und dem Schmerzempfinden (freie Nervenendigungen) zeigen sich die Mechanorezeptoren daf¨ ur zust¨ andig. Obwohl sich die Mechanosensortypen in der haarfreien Haut ¨ ahneln, gibt es im Mund doch Besonderheiten. Die klassische Unterteilung des Texturempfindens durch die Gewebeschichten gliedert sich nach Oldfield [119] wie folgt:

• Mechanorezeptoren in den oberfl¨ achlicheren Gewebeschichten der Zunge, des harten und weichen Gaumens, der Lippen und des Zahnfleisches

• Mechanorezeptoren in der Wurzelhaut in der Umgebung der Zahnwurzeln

• Mechanorezeptoren der Muskeln und der Sehnen, welche am Kauvorgang teilnehmen

Ein Hauptunterschied zwischen den weichen Geweben wie Lippen, dem weichen Gaumen, dem Zahnfleisch und der Zunge und den harten wie harter Gaumen, Z¨ ahnen und Kiefer besteht in der Verformbarkeit. Aus dieser Tatsache folgt, dass die

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verschiedenen Verformbarkeiten auch wiederum einen spezifischen Einfluss auf die gesamte Texturwahrnehmung aus¨ uben.

Alle Mechanorezeptoren besitzen spezialisierte Nervenendigungen, beispielsweise freie oder ” verkapselte“. Diese gliedern sich in zwei langsam adaptierende Sensoren (SA 1 = Merkel-Zellen und SA 2 = Ruffini-K¨ orperchen), welche sich in der mittleren Hautschicht unter der Oberfl¨ ache befinden, und ein schnell adaptierenden Sensor (RA 1 = Meissner-K¨ orperchen). Diese Unterscheidung entspringt der Art der wahrgenommenen Reize: w¨ ahrend SA 1 und SA 2 auf statische Belastungen mit Depolarisation (die Depolarisation setzt sich als Aktionspotential ¨ uber

den Nerv fort und bildet die Grundlage der Reizleitung [117]) reagieren, klingt die Reizintensit¨ at bei statischer Belastung von Meissner-K¨ orperchen (RA 1) nach ca. 50 − 500 ms ab [147]. D.h. RA 1 ist f¨ ur die Detektion von dynamischen Druckintensit¨ ats¨ anderungen sensibel, also f¨ ur die Geschwindigkeit des Eindr¨ uckens der Haut. Sie beginnen bereits bei einer Eindr¨ uckung von 100 µm in S¨ attigung zu geuber 300 − 400 µm. Da dem Zungenr¨ ucken die hen, und sind insensitiv f¨ ur Gr¨ oßen ¨

Vater-Pacini-K¨ orperchen fehlen nimmt die Zunge sehr schwer Vibrationen wahr, was wiederum zu einer reduzierten Wahrnehmung von Rauigkeit f¨ uhren kann [178]. Abbildung 2.4 zeigt die in der haarfreien Haut vorkommenden Mechanorezeptoren. Die Tabelle 2.1 gibt Auskunft ¨ uber die im Mund vorkommenden Rezeptoren.

Tabelle 2.1: Die im Mund vorkommenden Mechanorezeptoren, ihre charakteristische L¨ ange und ihre Eigenschaften. Abk¨ urzungen: RF≡Rezeptives Feld

chanorezeptoren in den Muskeln, Sehnen und Gelenken. Diese Sinnesmodalit¨ at ist Grundlage sowohl f¨ ur den Kraftsinn als auch f¨ ur die Wahrnehmung von Position und Bewegung einzelner K¨ orperteile relativ zum restlichen K¨ orper. Erstgenannter erm¨ oglicht die Absch¨ atzung der von einem Muskel erzeugten Kraft mit einer Ge-

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2 Stand der Forschung

Abbildung 2.4: Mechanorezeptoren der haarfreien Haut. Die Sensoren in der oralen

nauigkeit von etwa 3-10%. Versuche unter Lokalan¨ asthesie von Haut und Gelenken und die damit verbundene Inaktivierung der entsprechenden Rezeptoren haben zu der Erkenntnis gef¨ uhrt, dass weder die Oberfl¨ achensensoren der Haut, noch diejenigen der Gelenke großen Einfluss auf den Kraftsinn haben. Dieser ist also in erster Linie das Ergebnis von Muskel- und Sehnenafferenzen [145]. Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass eine Oberfl¨ achenan¨ asthesie die Propriozeption nicht beeinflusst. Die wichtigste Rolle bei der intramuskul¨ aren Kraftmessung spielen die Golgi-Sehnen-Organe, deren ad¨ aquaten Reiz die bei der Muskelkontraktion entwickelte mechanische Spannung darstellt. Diese Organe liegen am ¨ Ubergang zwischen Muskel und Sehne und bestehen aus fl¨ ussigkeitsgef¨ ullten Kapseln, ausgestattet mit wenigen Muskelfasern und reich verzweigten marklosen Nervenendigungen. Sie sind von einer bindegewebigen Kapsel umh¨ ullt und zwischen Kollagenfasern eingebettet [146]. Steigt die Muskelspannung an, so werden die Kollagenfasern der Sehnen zusammengezogen, was gleichzeitig die fl¨ ussigkeitsgef¨ ullten Kapseln der Golgi-Sehnen-Organe komprimiert. Dies f¨ uhrt zu einer Druckerh¨ ohung an den Nervenendigungen und zu Nervreizung. Wird der Muskel kontrahiert, messen die

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Golgi-Sehnen-Organe so das aktuelle mechanische Spannungsniveau innerhalb der Sehne und geben auf diese Weise Informationen ¨ uber die vom Muskel entwickelte

Kraft an das zentrale Nervensystem (ZNS) weiter [127, 135].

2.1.4 Lokalan¨ asthetika/Oberfl¨ achenan¨ asthesie

Um nun eine qualifizierte Aussage ¨ uber den relativen Einfluss der Propriozeption

und der Mechanorezeptoren auf die Mundgef¨ uhlswahrnehmung treffen zu k¨ onnen, bedarf es einer M¨ oglichkeit der gezielten Inaktivierung einer dieser beiden Systeme, dazu dient die Oberfl¨ achenan¨ asthesie. Die Oberfl¨ achenan¨ asthesie ist als spezielle Form der Lokalan¨ asthesie zu betrachten, bei der der Wirkstoff nicht durch Injektion ins Gewebe eingebracht, sondern auf die Oberfl¨ ache der Haut aufgetragen wird. Von dort aus gelangt er dann mittels Diffusion zu seinem eigentlichen Wirkort, den in den oberen Hautschichten liegenden Nervenendigungen. Der Wirkmechanismus des Oberfl¨ achenan¨ asthetikums, d.h. der pharmakologische Effekt an der Nervenendigung selbst unterscheidet sich nicht von dem eines mittels Infiltration applizierten Lokalan¨ asthetikums [78, 82].

2.1.4.1 Allgemeiner Wirkungsmechanismus von Lokalan¨ asthetika

Lokalan¨ asthetika heben reversibel und ¨ ortlich begrenzt die Erregbarkeit und das Leitungsverm¨ ogen von Nervenfasern auf. Sie blockieren spannungsabh¨ angige (mechanische Spannungen) Natriumkan¨ ale und verhindern somit die Bildung von Aktionspotentialen. Es handelt sich meist um schlecht wasserl¨ osliche, schwach basische aromatische Amine, die aus einem lipophilen Anteil, meist ein unges¨ attigter aromatischer Ring, und einem hydrophilen Anteil, meist ein terti¨ ares oder sekund¨ ares Amin, bestehen. Allgemein unterscheidet man bei den heute verwendeten Pr¨ aparaten zwischen Lokalan¨ asthestika vom Estertyp und solchen vom Amidtyp, je nachdem ob eine Esterbindung oder eine Amidbindung den aromatischen Molek¨ ulteil mit der Aminogruppe verkn¨ upft [3]. Da f¨ ur die in dieser Arbeit durchgef¨ uhrten Versuche nur Lidocain, ein Lokalan¨ asthetikum vom Amidtyp, zum Einsatz kam, liegt auf diesem Pr¨ aparat der Fokus der weiteren Ausf¨ uhrungen.

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2 Stand der Forschung

2.1.4.2 Wirkungsmechanismus an der Nervenmembran

Im Ruhezustand finden sich im Inneren einer ruhenden Nervenfaser hohe Konzentrationen von Kaliumionen, bei geringer Konzentration an Natriumionen. Die den Nerv umgebende extrazellul¨ are Fl¨ ussigkeit weist ein inverses Konzentrationsprofil auf, was zur Ausbildung von Konzentrationsgradienten beider Ionen f¨ uhrt. In die Lipidmatrix der Nervenmembran sind Proteine eingelagert, die als Ionenkan¨ ale fungieren und deren Durchl¨ assigkeit die spannungsabh¨ angige Konformations¨ anderungen des Proteinmakromolek¨ uls bestimmt. Im unerregten Zustand nimmt die transmembrane Leitf¨ ahigkeit der Kaliumkan¨ ale hohe, die der Natriumkan¨ ale sehr geringe Werte an. Dies f¨ uhrt aufgrund des herrschenden Konzentrationsgradienten zur Entstehung eines negativen Potentials auf der Membraninnenseite - dem sog. Ruhepotential [145, 150]. Kommt es nun zur Stimulierung des Nervs, so steigt die Permeabilit¨ at der Natriumkan¨ ale an, was durch das Einstr¨ omen von Natriumionen eine Verringerung des Ruhepotentials zur Folge hat. Unterschreitet der Wert des Potentials eine kritische Grenze, erfolgt eine Konformations¨ anderung innerhalb des den Natriumkanal bildenden Proteinmolek¨ uls und damit eine maximale ¨ Offnung des Natriumkanals. Der nun ungehinderte Natriumioneneinstrom f¨ uhrt zu einer Umkehr des elektrischen Membranpotentials, also zu einer Depolarisation der Membran. Der gesamte Vorgang spielt sich im Bereich von ca. 10 ms ab. An dieser Stelle setzt die Wirkung von Lokalan¨ asthetika an, die den Natriumkanal blockieren und damit die Entstehung eines Aktionspotentials verhindern. Dies geschieht indem das Pharmakon sich von der intrazellul¨ aren Seite des Axons her an den spannungssensitiven Natriumkanal anlagert (Abbildung 2.5) und diesen durch elektrochemische Ver¨ anderungen in seiner inaktiven, also geschlossenen Form stabilisiert. Auf diese Weise blockiert es den normalerweise bei Erregung auftretenden Natriumeinstrom und verhindert eine physiologische Reizleitung [91]. Dabei ¨ offnet dieser Kanal unter physiologischen Bedingungen nicht ab einem fixen Schwellenwert der mechanischen Belastung, vielmehr steigt die Wahrscheinlichkeit der Depolarisation mit steigender Belastung nach einer Boltzmann-Verteilung [55]:

Hier steht Po f¨ ur die ¨ Offnungswahrscheinlichkeit des Ionenkanals, ∆G f¨ ur die

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Differenz der freien Energie des ge¨ offneten und geschlossenen Kanals, k ist die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur.

Abbildung 2.5: Spannungssensitiver Natriumkanal [150]

Neben der Blockade des Natriumkanals k¨ onnen Lokalan¨ asthetika auch andere Ionenkan¨ ale inaktivieren, vor allem Kaliumkan¨ ale. F¨ ur Lidocain ist dieser Effekt aber im Vergleich zu der Wirkung am Natriumkanal eher gering und tr¨ agt damit nur unwesentlich zur Inaktivierung der Reizleitung ¨ uber die Nervenmembran bei [79].

Die Reihenfolge der Blockade der verschiedenen Nervenfasern und der Grad der An¨ asthesie sind abh¨ angig vom Durchmesser und Typ der Nervenfasern. Die Inaktivierung der Fasern erfolgt in der Reihenfolge B-, C-,A-Fasern. Dies bedeutet, dass zuerst die Vasokonstriktion (durch Hormone induzierte Gef¨ aßverengung), dann das Schmerz-, W¨ arme-/K¨ alte-, Ber¨ uhrungs-, Druckempfinden und zuletzt die Motorik ausgeschaltet werden [91].

Exakte Werte f¨ ur die Eindringtiefe von topisch angewendetem Lidocain sind in der Literatur nicht zu finden, jedoch existieren zahlreiche Untersuchungen zu einem alternativen Oberfl¨ achenan¨ asthetikum - EMLA (eutectic mixture of local anesthetics), einem Mischpr¨ aparat aus Prilocain und Lidocain, welches in erster

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2 Stand der Forschung

Linie zur Vermeidung von Missempfindungen bei Injektionen Anwendung findet. Diese Untersuchungen kommen zu dem Ergebnis, dass die Eindringtiefe dieses Pharmakons im Bereich von 5mm liegt [69, 91].

Somit ist also davon auszugehen, dass das f¨ ur die durchgef¨ uhrten Versuche verwendete Lidocainpr¨ aparat Eindringtiefen in ¨ ahnlicher Gr¨ oßenordnung aufweist und somit die oberfl¨ achlichen Rezeptoren zu bet¨ auben vermag, die Tiefensensibilit¨ at und damit die Propriozeption jedoch unber¨ uhrt l¨ asst [1, 133]. Die Kenntnis der zur Mundgef¨ uhlswahrnehmung n¨ otigen Humansensoren l¨ asst sich anschließend mit str¨ omungsmechanischen Untersuchungen ¨ uber die Druck- und Schubspannungs-

verteilung entlang der Zunge und dem Gaumen kombinieren, um so tiefgehende Erkenntnisse zu gewinnen.

2.2 Humansensorik im Bereich des Mundgef¨ uhls

Die Humansensorik befasst sich mit der Wahrnehmung externer Reize durch den Sinnesapparat des Menschen. Dazu geh¨ oren im Hinblick auf die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls von Lebensmitteln vor allem vier Systeme: Ber¨ uhrungsempfindlichkeit (n¨ otig um die Gr¨ oße, die Form und die Textur von Lebensmitteln zu ermitteln), Propriozeption (beschreibt die Eigenwahrnehmung des K¨ orpers, z.B. die relative Stellung des Kiefers zum Sch¨ adel), Nozizeption (Signalverarbeitung von nasalen und oralen Gewebeverletzungen, oft als Schmerz beschrieben) und das Temperaturempfinden (warm und kalt) [53, 56].

Messungen mit einem Sensorikpanel bieten derzeit die einzige M¨ oglichkeit die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls eines Menschens zu erfassen und zu quantifizieren. Selbst das gelingt nur eingeschr¨ ankt, da jeder Mensch prinzipiell als ” Messinstrument“ fungiert h¨ angt die Wahrnehmung der Textur von vielen externen und internen Faktoren ab (siehe auch Abschnitt 2.3). Dies w¨ urde sich bei einem Messger¨ at (um bei der Analogie zu bleiben) in einer hohen Varianz der Messwerte widerspiegeln. Genau so geschieht es auch beim Menschen: eine zuf¨ allig zusammengestellte Gruppe von Menschen sollen ein Produkt anhand einer im Voraus definierten Skala, z.B. von 0 (sehr wenig cremig) bis 9 (sehr viel cremig), bewerten (deskriptive Analyse [21]). Die Varianz der Bewertung erweist sich in diesem Fall meistens als so hoch, dass sich diese Gruppe mit ihrer Genauigkeit nicht zur Einsch¨ atzung von

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sensorischen Parametern im Rahmen der Produktentwicklung eignet. Es existie-

ren statistische Methoden um diese Effekte zu d¨ ampfen [99]. Dennoch bleiben die Aussagen zu subjektiv und durch pers¨ onliche Erfahrung gepr¨ agt. Diese Gruppe kommt oft dennoch in der Entwicklung eines Lebensmittels zum Einsatz, n¨ amlich als sogenanntes ” Konsumentenpanel“ bei affektiven Tests, vornehmlich zur Einsch¨ atzung der allgemeinen Akzeptanz oder ob einzelne Attribute wie z.B. die S¨ uße im richtigen Maße liegen (sog. Akzeptanztests, z.B. ” Just about right“-Skala oder

hedonistische Skalen). Ein weiterer Test aus der Reihe der affektiven Tests bildet der Pr¨ aferenztest, bei der die Konsumenten z.B die Produkte in die Reihenfolge steigender Beliebtheit ordnen.

Zur industriellen Anwendung des Menschen als Messinstrument bedarf es aber h¨ oherer Pr¨ azision und Genauigkeit. Dies f¨ uhrt zur Etablierung von sogenannten Sen-sorikpanels, einer gezielt geschulten Personengruppe mit der Aufgabe, die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls so weit wie m¨ oglich zu objektivieren und auch quantifizieren. Dies erfordert eine Auswahl von Personen, die, neben der Basisf¨ ahigkeit die vier der f¨ unf Grundgeschmacksarten (s¨ uß, salzig, sauer und bitter) besser wahrnehmen zu k¨ onnen als der Durchschnitt, schon von vornherein bei den Auswahltests ¨ ahnliche Aussagen treffen, d.h. deren Einsch¨ atzungen statistisch gesehen enger zusammen liegen als die einer randomisierten Vergleichsgruppe. Nach dieser Wahl beginnt die Schulung des Panels, z.B. durch die Festlegung gemeinsamer Standards und dem entsprechenden Training, was die Varianz weiter minimiert. Ein so geschultes Panel ist durch seine Erfahrung auch in der Lage, feinere Unterschiede in Sensorikmerkmalen zu erkennen als Konsumentenpanels. Eine der Fokusse dieser Arbeit liegt auf der Abbildung des Wissens eines Sensorikpanels anhand kognitiver Algorithmen, um es so dauerhaft verf¨ ugbar zu halten und auch die teuren und sehr aufwendigen Paneltests auf ein n¨ otiges Minimum zu reduzieren. Stellt man Menschen die Aufgabe, sie sollen ein Lebensmittel verkosten und beschreiben, so stehen vor allem der olfaktorische und gustatorische Reiz im Vor-dergrund. Das Mundgef¨ uhl beschreiben die meisten entweder gar nicht oder nur unterbewusst [157]. Dass die Textur aber einen wichtigen Beitrag zur gesamten sen-sorischen Qualit¨ at liefert, zeigte Schiffman [143]. Sie p¨ urierte diverse Lebensmittel und ließ sie ¨ altere und j¨ ungere Menschen verkosten. Maximal 40 % der jungen Menschen erkannten die Lebensmittel anhand ihrer Geruchs und Geschmacks richtig.

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Die fehlende ad¨ aquate Textur f¨ uhrte zu den Fehlentscheidungen. Die Lebensmittelwirtschaft erkannte diesen Trend in den letzten Jahrzehnten und bewirbt nun gezielt nicht mehr alleine den Geruch und Geschmack, sondern auch texturelle Eigenschaften wie ” Cremigkeit“ oder die ” Vollmundigkeit“ [113, 136, 162].

W¨ ahrend der Nahrungsaufnahme spielen alle f¨ unf K¨ orpersinne eine große Rolle. Der erste Eindruck ist meist der visuelle, das Betrachten der Nahrung. Hier findet schon der erste Vergleich mit bekannten und bew¨ ahrten Mustern statt (z.B sichtbare Ver¨ anderungen wie Schimmel oder Verf¨ arbungen). Die n¨ achsten Schritte stellen das orthonasale Riechen (olfaktorischer Reiz) sowie das Temperaturempfinden w¨ ahrend der oralen Einnahme des Lebensmittels dar. Haptische und taktile Reize, der gustatorische Reiz des Wahrnehmens der Grundgeschmacksarten (bitter, sauer, salzig, s¨ uß und umami) sowie das retronasale Riechen treten w¨ ahrend der Manipulation des Speisebreis im Mundraum auf. Die Zunge spielt f¨ ur die Wahrnehmung des Mundgef¨ uhls, aber nat¨ urlich auch f¨ ur den Geschmack die Hauptrolle. Sie dient nicht nur als Sensor, sondern auch als Aktor, der den Speisebrei f¨ ur das Herunterschlucken vorbereitet (Vermengung mit Speichel, Transport zwischen die Z¨ ahne), aber auch st¨ andig auf die Beschaffenheit im Sinne einer vom Probanden gew¨ unschten Konstitution einwirkt [56].

Dabei sei der entscheidende Unterschied zwischen dem Schmecken / Riechen / Temperaturempfinden und dem Texturempfinden genannt: erstere besitzen spezialisierte Sensoren zur Reizaufnahme, welche sich in den Geschmackspapillen der Zunge befinden und sind mit einer, ihrer Physiologie entsprechenden, Empfindung verkn¨ upft. Olfaktorische und gustatorische Reize l¨ osen Molek¨ ule mit kleinen Molmassen aus, siehe hierzu Tabelle 2.2.

Abbildung 2.6 verdeutlicht die Tatsache, dass die spezialisierten Sensortypen (Geruch und Geschmack, 10 ⁻⁶ m bis 10 ⁻⁵ m) vor allem relativ kleine Molek¨ ule (10 ⁻¹⁰ m bis 10 ⁻⁹ m) zu detektieren verm¨ ogen. Grund hierf¨ ur ist die M¨ oglichkeit der direkten Interaktion des reizausl¨ osenden Molek¨ uls mit der Sinneszelle, z.B. durch Kopplung des Molek¨ uls an Oberfl¨ achenrezeptoren der Sinneszellen oder Ein-wanderung in die Zelle. Beispielsweise vereinfacht dargestellt, entweder durch die direkte Wanderung von Ionen in die Sinneszellen (sauer und salzig), oder durch die Kopplung eines Aromastoffes an extrazellul¨ are Rezeptoren und der anschließenden Aktivierung eines G-Proteins (Schl¨ ussel-Schloss-Prinzip).

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