Experimentelle und numerische Untersuchungen des Fließverhaltens bei der intra-oralen Lebensmitteleinnahme zur objektivierten Prognose des Mundgefühls mittels kognitiver Algorithmen


Doktorarbeit / Dissertation, 2010
212 Seiten, Note: 1,4

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Symbolverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Forschung
2.1 Anatomie der Mundhöhle
2.1.1 Makroskopische Anatomie der Mundhöhle
2.1.2 Mikroskopische und funktionelle Anatomie der Zungenschleimhaut
2.1.3 Mechanorezeptoren im Mund
2.1.4 Lokalanästhetika/Oberflächenanästhesie
2.1.4.1 Allgemeiner Wirkungsmechanismus von Lokalanästhetika
2.1.4.2 Wirkungsmechanismus an der Nervenmembran . .
2.2 Humansensorik im Bereich des Mundgefühls
2.2.1 Wahrnehmung des Mundgefühls
2.3 Psychorheologie
2.4 Grundgleichungen der Strömungsmechanik und der Rheologie . .
2.5 Deformationsrate und Schubspannungen im Mundraum
2.6 Mundmodelle
2.6.1 Verfolgung des Kauapparates und radiologische Messungen
2.6.2 Zweiplattenmodelle
2.6.3 Posthumus Funnel
2.6.4 Numerische Mundmodelle
2.7 Verknüpfung von physikalischen Messungen mit dem Mundgefühl
2.7.1 Mathematische / Psychophysikalische Modelle
2.7.2 Künstliche Neuronale Netze
2.7.2.1 Funktionsweise Künstlicher Neuronaler Netze . .
2.7.2.2 Anwendung Künstlicher Neuronaler Netze in der Humansensorik

3 Material und Methoden
3.1 Numerische Simulation der Strömung im Posthumus Funnel
3.1.1 OpenFOAM
3.1.2 Gittergenerierung und Abhängigkeit der Lösung von der Gitterauflösung
3.2 PIV Messungen
3.3 Softwaretool ”hANNdy“zur Voraussage von Mundgefühlattributen
3.3.1 Aufbau von „hANNdy"
3.3.2 Verwendete Datenbank
3.3.3 Auswahl der physikalischen Grafien
3.3.4 Beurteilung der Voraussagegenauigkeit
3.4 Untersuchung des relativen Einflusses von Oberflachenmechanorezeptoren und Propriozeption
3.4.1 Probenvorbereitung
3.4.2 Studie 1: Triangeltest
3.4.3 Studie 2: Profilierung anhand einer hedonischen Skala . . . .

4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Anpassung der Geometrie des Posthumus Funnel
4.1.1 Analytische Losungen der Navier-Stokes-Gleichung fur die Straomungen im Posthumus Funnel
4.1.2 Vergleich von Experiment und numerischer Simulation . . .
4.1.2.1 Ausgeflossene Masse: Konvergenzverhalten in Abhaangigkeit von der Gitteraufloasung
4.1.2.2 Ausgeflossene Masse: Uaberpruafung der Abhaangigkeit der Ergebnisse von der Viskositat
4.1.2.3 Ermittlung des Geschwindigkeitsfeldes mittels PIV
4.1.3 Anpassung des Posthumus Funnel an orale Scherraten . . . .
4.1.3.1 Entwicklung des Berechnungsmodells für die Geometrie
4.1.3.2 Überprüfung des newtonschen Modells
4.2 Voraussage des Mundgefühls
4.2.1 Voraussage der M Viscosity mittels klassischer psychophysikalischer Modelle
4.2.2 Voraussage der M Viscosity mittels Künstlicher Neuronaler Netze
4.3 Ursachen der Entstehung des Mundgefühls von halbflüssigen Lebensmitteln
4.3.1 Ergebnisse der Studie 1
4.3.2 Ergebnisse der Studie 2
4.3.3 Abschätzung der zum Schlucken nötigen Kraft
4.3.3.1 Verifizierung der Simulationsergebnisse des Schluckvorgangs
4.3.3.2 Längen und Zeitskalen während des Schluckvorgangs und ihr Einfluss auf die Mechanorezeptoren .
4.3.4 Vergleich der im Posthumus Funnel und im Mund auftretenden Dehnraten während des Schluckvorgangs

5 Zusammenfassung und Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbolverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kurzzusammenfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Aufklärung der Ursachen, der Entstehung und, aus diesen Erkenntnissen abgleitet, der Voraussage des Mundgefühls mittels Künstlicher Neuronaler Netze. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf fließfähigen Lebensmitteln, und demnach auf deren strömungsmechanischen und rheologischen Verhalten.

Zu Beginn schlägt die vorliegende Publikation ein verbessertes empirisches Mund- modell vor (Posthumus Funnel), dessen abgeleiteten Messgrößen die Voraussage des Mundgefühlattributes

”OraleViskosität“signifikantverbessert.Nebeneinem analytischen Ansatz zur Modellierung der Posthumus Funnel Strömung (ähnlich einer Düsenströmung) liefern numerische Simulationen (CFD) tiefere Einblicke in das Strömungsfeld während des Ausflusses, sodass sich weitere Größen ableiten und mit den numerischen Simulationen des Schluckens dieser Proben vergleichen lassen. Dazu zählen beispielsweise die Scher- und die Dehnraten.

Aus den numerischen Simulationen des Schluckvorgangs lassen sich des Weite- ren Größen extrahieren und mit der Realität vergleichen, beispielsweise die zum Schlucken nötige Kraft oder der Druck auf einzelne Mechanorezeptoren. Daraus lassen sich Aussagen bezüglich der Ursachen der Mundgefühlsentstehung treffen, vor allem auf den jeweiligen Einfluss der von der Literatur oft zitierten Propriozep- tion (Eigenwahrnehmung) und Mechanorezeptoren. Beide Systeme galten bisher als relativ gleichberechtigt bezüglich der Mundgefühlswahrnehmung fließfähiger Lebensmittel. Doch die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die bisherige An- nahme als so nicht weiter tragbar erweist.

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 rheologi- cal 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 ”oralviscosity“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 elonga- tion rates.

From the numerical simulations of the swallowing process further quantaties can be extracted and compared with reality, for example the necessary force to swal- low a food bolus or the pressure on individual mechanoreceptors. This results in statements describing the causes of the mouth feel development, especially regar- ding 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.

1 Einleitung

Über den Geschmack lässt sich ja bekanntlich streiten, doch im Endeffekt reagieren alle Menschen in ähnlicher Weise auf ihre Nahrung. Vieles unseres Verhaltens liegt bereits in den Genen, so zum Beispiel die angeborene Aversion von Säuglingen gegen bitter und sauer. Vor allem süß und ”umami“signalisierennahrhaftesEssen.

Mit wachsendem Alter steigt die Beeinflussung unseres Ess- und Trinkverhaltens durch Erfahrungen und Gewohnheiten. So ist für viele der morgendliche Kaffee, das kühle 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 Makronährstoffe (Fette, Proteine und Kohlenhy- drate) bei einer gewünschten Erhaltung der Mikronährstoffe (Mineralstoffe, Vit- amine, Ballaststoff, etc.). Die Gründe hierfür erweisen sich als vielfältig, zum einen führt die Verarbeitung dazu die Endprodukte haltbarer und bekömmlicher zu ma- chen, sie riechen und schmecken besser und, vor allem für diese Arbeit wichtig, mehr Konsumenten akzeptieren die Textur. Die Textur beschreibt die Wahrneh- mung eines Lebensmittels durch die drei übrigen Sinne: Hören, Sehen und Fühlen. Betrachten wir hierzu zwei Beispiele:

1. Brot Der nutritive Wert des Brotausgangsstoffes Getreide ist haher als der des Brotes selbst. Die gleiche Masse Getreide enthalt mehr Balaststoffe und, durch die Vermengung mit Wasser beim Brot, auch eine hohere Energiedichte (hauptsachlich in Form von Kohlenhydraten aus der Starke). Obwohl unsere Vorfahren pures Getreide zu sich nahmen, entwickelte sich uber die Jahrtausende eine Kultur des Brotbackens. Die Grande zeigen sich, trotz dieses chemisch und physikalisch komplexen Vorgangs denkbar simpel: Brot schmeckt und riecht (Maillard-Reaktion [8]) besser, die Nahrstoffe sind fur den Koarper besser verfuagbar und Brot laasst sich viel angenehmer kauen und schlucken als seine Ausgangsstoffe. Auch die Spelzen zwischen den Zahnen beim Getreide sorgen fur eine eher unangenehmere Empfindung. Jeder, der schon einmal ofenfrisches Brot probiert hat weifi, dass der Verzehrvorgang nicht nur wissenschaftlich sondern auch omnisensorisch einen hoch komplexen Vorgang darstellt

2. Champagner Ahnliches wie fur feste Lebensmittel wie Brot gilt auch fur einige Getraanke. Der reine Traubensaft eignet sich vom ernaahrungsphysiologischen Standpunkt betrachtet fur unseren Korper viel besser als Champagner. Er enthalt eine hahere Energiedichte („Verlust" von Energie durch die Fermentation, d.h. durch die partielle Oxidation der Mono- und Dissacharide im Traubensaft zu Ethanol und CO2) und keinen Alkohol. Durch die Fermentation entstehen neben dem Geruch und Geschmack (vor allem durch den Hefestamm determiniert) auch CO2, das fur das angenehme Perlen auf der Zunge verantwortlich ist. Die richtige Menge an Kohlensaaure, gepaart mit der optimalen Temperatur sorgt fur ein exquisites Zusammenspiel von gustatorischen und olfaktorischen Reizen sowie der Textur

Das Mundgefuahl und die Textur von Lebensmitteln haangen von sehr vielen Faktoren ab. Dazu geharen neben den offensichtlichen wie den physikalischen Eigenschaften (z.B. die Temperatur, die Oberflachenbeschaffenheit, die Rheologie, etc.), auch schwer fassbare Einfluasse wie das Alter des Konsumenten, seine Physiologie und ethnische Herkunft, seine Vorlieben oder gar sein Gemutszustand. Gerade bei fliefifahigen Lebensmitteln beeinflusst das stramungsmechanische Verhalten die Wahrnehmung des Mundgefuhls mafigeblich. Dennoch zeigen sich die Kenntnisse auf diesem Bereich als ungenuagend und beduarfen weiterer interdisziplinaarer Forschung.

Der Geruch und Geschmack spielten lange Zeit die Hauptrolle wahrend der Produktentwicklung und der Qualitatssicherung. Doch auch das Mundgefuhl und die Textur rucken immer mehr in den Fokus. Bei einigen dunnflussigen Getranken wie Wasser oder Apfelsaftschorle mag die ,,sensorische Wertigkeit" des Mundgefuhls nicht entscheidend sein, doch gerade bei komplexen Lebensmitteln wie Schokolade, Joghurt oder Streichkase wertet der Kunde nicht nur nach dem olfaktorischen und gustatorischem Eindruck. Eine Schokolade oder ein Joghurt mit noch spürbaren Partikeln mindern zwar nicht den nutritiven, doch aber den Genusswert erheblich.

Gerade kritische Kunden erlauben solche ”Ausrutscher“nichtundsubstituierendie ihrer Meinung nach fehlerhaften Produkte. Wer würde 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 ernäh- rungsphysiologischen Gleichheit in den seltensten Fällen umstimmen. Zumindest der Genuß fehlte stets.

Aus diesem Grund erscheint der Prozess des ”Texturdesigns“nichtnureinNebeneffekt der Produktentwicklung zu sein, sondern diesem Vorgang steht damit auch eine ökonomische Dimension entgegen. Trotz intensiver Forschung auf diesem Gebiet seit über [40] Jahren [159] gelingt es bis heute nicht befriedigend, Modelle und Modellsysteme für diesen hochkomplexen Vorgang der Texturwahrnehmung zu entwickeln. Einen Schritt in diese Richtung begeht diese Arbeit. Mit der Kenntnis der Zusammenhänge der Interaktion von Material und Mechano- rezeptoren/Reizverarbeitung im Zentralen Nervensystem (ZNS) stünde ein mäch- tiges Werkzeug zur gezielten Veränderung des Texturempfindens zur Verfügung. Der Mensch alleine befindet sich in der Lage, Lebensmittel sensorisch zu beschrei- ben, und bildet bis heute die letzte und entscheidende Instanz bei der endgültigen sensorischen Bewertung. Seine sensorische Expertise zu ersetzen ist mit den bis- herigen Erkenntnissen nicht möglich. Abhilfe können Expertensysteme liefern, die das Wissen menschlicher Panelisten bündeln und näherungsweise abbilden. Hiie- mae [62] sieht die Vorteile solcher Expertensysteme in den reduzierten Kosten, den kürzeren Trainingszeiten der menschlichen Experten, höherer Flexibilität und we- niger Mehrdeutigkeiten in den Ergebnissen. Dazu kommt die Objektivierung und die damit entstehende Unabhängigkeit von individuellen Einflüssen der Paneli- sten. Doch wie bei fast allen biologischen Vorgängen 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 länger Anstrengungen zur Beschreibung einzelner sensorischer Attribu- te mit einzelnen physikalischen Größen [71],[86] ], oder mehrerer Größen mithilfe von Potentzansätzen wie z.B. van den Oever [167]. Ein komplettes Modell, welches die gesamte Bandbreite an Texturattributen abbilden kann, existiert jedoch aufgrund der Komplexität leider nicht.

Ziel dieser Arbeit ist es, den Prozess der Wahrnehmung der Textur fließfähiger Le- bensmittel auf Basis strömungsmechanischer Überlegungen zu untersuchen. Das erste Ziel besteht in der Untersuchung des relativen Einflusses von Mechanorezep- toren und Propriozeption (Eigenwahrnehmung) auf die Wahrnehmung des Mund- gefühls halbflüssiger Lebensmittel. Dabei zeigen sich weltweit einmalige Einblicke in die Entstehung des Mundgefühls anhand des relativen Einfluss der physiolo- gischen Wahrnehmungsapparate im Mund bei einem halbflüssigen Lebensmittel (Vanille Pudding). Diese Erkenntnisse lassen sich im Anschluss zur Voraussage der Textur nutzen. Um die Vorgänge im ZNS nachzubilden empfehlen sich kognitive Al- gorithmen, wie z.B. Künstliche Neuronale Netze (KNN) oder Fuzzy Logic, da diese die Vorgänge im Gehirn mathematisch modellieren und somit besser beschreiben. Es existieren bereits vereinzelt erfolgreiche Ansätze, um die sensorische Wahrneh- mung auf diese Weise nachzuahmen und damit auch gesicherte Voraussagen zu treffen [89]. Diese Arbeit stellt erstmals ein Softwaretool vor, das die Voraussage von Mundgefühlattributen von Lebensmitteln anhand einer bestehenden Daten- bank ermöglicht. Die Verwendung rein rheologischer Größen ermöglicht 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 Qualitätsmanager ste- hen in der Summe dadurch wertvolle Systeme zur Seite, die in letzter Instanz dem Verbraucher durch qualitativ noch hochwertigerer Produkte zugute kommen.

2 Stand der Forschung

Die vorliegende Arbeit behandelt eine Vielzahl unterschiedlicher Themengebiete. Dies unterstreicht zum einen die nötige Interdisziplinarität, zum anderen können 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 Mundhöhle

Der Mund stellt zwar nicht die erste Instanz zur Bewertung der Lebensmitteltextur dar, jedoch die wichtigste. Die Kenntnis der Physiologie der Mundhöhle und der vorhandenen Sensorik, sowohl makro- als auch mikroskopisch, zeigt sich zum Verständnis der E]ntstehung des Mundgefühls als unbedingt nötig. Gerade die Interaktion bei halbflüssigen Lebensmittel mit dem Mundraum bestimmt vornehmlich die Rheologie der Lebensmittel.

2.1.1 Makroskopische Anatomie der Mundhöhle

Die meisten in der Technik eingesetzten Sensoren durchlaufen eine vorherigen Prü- fung auf ihre Eignung am Einsatzort, d.h. z.B. bezüglich ihrer Empfindlichkeit, ihrer Robustheit und ihres Messbereichs. Diesen Vorgang durchliefen auch alle biologischen Sensoren im Laufe der Evolution. Erschloss sich eine Spezies neue Le- bensräume, so degenerierten Sinnesorgane (sogenannte Involution) wofür andere stärker in den Vordergrund traten. Beispiele bilden die geringe Sehkraft von Maul- würfen (Talpa europaea) oder die sich stets verschlechternde Geruchswahrnehmung des Menschen.

Die Mundhöhle (cavitas oris propria) dient in erster Linie der Vermengung des Speisebreis mit Speichel und der Zerkleinerung. Diesen Prozessierungsraum be- grenzen die Zahnreihen frontal und lateral, der Gaumenbogen kranial und die Schlundenge dorsokaudal. Weiterhin trennt der Gaumen die Mundhöhle von der Nasenhöhle, in dessen starren vorderen Abschnitt die Schleimhaut dem Knochen aufliegt (harter Gaumen), den hinteren Teil hingegen können Muskeln bewegen. Der Raum zwischen Zähnen und Lippen bzw. Wangen trägt die Bezeichnung Mundvorhof (vestibulum oris) und steht, abgesehen von den interdentalen Spalten, lediglich zwischen dem letzten Molaren und dem aufsteigenden Unterkieferast mit der Mundhöhle in Kontakt. Deshalb spielen vor allem die Sensoren in der eigent- lichen Mundhöhle und der Zunge eine Rolle bei der Wahrnehmung der Mundge- fühlattribute, doch nicht ausschließlich. Während spezialisierte Sensoren wie die olfaktorischen (Geruch) oder gustatorischen (Geschmack) die Qualität während dieses Vorgangs bewerten, dienen die Eindrücke der Mechanorezeptoren an der Zunge, dem Gaumen und den Zähnen der Evaluierung des Schluckzeitpunktes. Die letzten drei Sensoren sind zusammen mit der akutischen und Temperaturempfin- dung für 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 ent- hält daneben Mechanosensoren, zuständig für einen wichtigen Teil der Wahrneh- mung der Lebensmitteltextur. Bei geschlossenem Mund und entspanntem Zustand füllt sie praktisch die gesamte Mundhöhle aus. Sie liegt auf dem Mundboden auf und besteht aus einem Muskelkörper, den eine Schleimhautschicht bedeckt. Von au- ßen einstrahlende Muskeln verleihen der Zunge eine große Beweglichkeit, während Binnenmuskeln eine starke Verformbarkeit ermöglichen. Auf dem Zungenrücken 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 Zungenoberfläche handelt es sich um makroskopisch sichtbare Strukturen und sie lassen sich in Geschmacks- und Tastpapillen unterteilen. Die Abbildung 2.2 illustriert diese.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Anatomie des Mundraums. Nach [148]

Zu den Zungenpapillen zählen:

- Papillae vellatae. 7-12 warzenförmige, das Zungenniveau nur geringfügig überragende Papillen, die v-förmig im dorsalen Bereich der Zunge angeordnet und von einem Graben, der die Geschmacksknospen enthält, umgeben sind
- Papillae foliatae. Querliegende Schleimhauteinfaltungen am Zungenrand, die ebenfalls Geschmacksknospen enthalten
- Papilae fungiformes. Sie erheben sich bis zu 1,5 mm über das Zungeniveau und besitzen Geschmacksknospen, die sich nach den ersten Lebensjahren größtenteils zurückbilden
- Papilae filiformis. Diese Tastpapillen sind über den gesamten Zungenrücken verteilt und stellen den größten Anteil der Zungenpapillen. Sie sind die einzi- ge Papillenart, die in ihrem Epithel keine Geschmacksknospen beherbergen. Ihr Epithel bildet kleine, schlundwärts gerichtete, beim Menschen schwach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(a) Zunge in der Mundhöhle [148]

(b) Papillen der Zungen [97]

Abbildung 2.2: Zungenoberfläche mit ihren Papillen

verhornte, Spitzen. Diese übertragen als kleine Hebel mechanische Reize auf die Endigungen der im Bindegewebskern der Papillen zahlreich vorhandenen sensiblen Nervenfasern [49].

Allgemein besteht die Schleimhaut aus drei Schichten:

- Epithelium mucosae. Die Epithelschicht, die den oberen Abschnitt der Schleimhaut bildet
- Lamina propria mucosae. Das Schleimhautbindegewebe, welches unmittelbar unter der Epithelschicht liegt
- Lamina muscularis mucosae. Die Schleimhautmuskelschicht, die die Lamina propria mucosae von tiefer gelegenem Bindegewebe trennt

Die Mundschleimhaut ist aus mehrschichtigem unverhorntem Plattenepithel (ei- ne Ausnahme bilden hier lediglich die Spitzen der Papillae filiformes) und Schleim- hautbindegewebe aufgebaut. Die Lamina muscularis mucosae ist nur schwach aus- gebildet [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 Rezeptoren, als auch der Innervation im Mundbereich zu den höchsten im gesamtem menschlichen Organismus zählen.

Zweipunktmessungen haben ergeben, dass sich die Bereiche größter Berührungs- empfindlichkeit und Ortsauflösung an der Zungenspitze befinden, gefolgt von den Lippen und dem harten Gaumen [29]. Ein Grund hierfür ist neben der dichteren In- nervation wohl auch in der geringeren Dicke der die Papillae filiformes bedeckenden Epithelschicht zu sehen [22]. Grundlage der taktilen Wahrnehmung der Zungen- schleimhaut stellen unterschiedliche Mechanorezeptoren dar, auf die das folgende Kapitel näher eingeht.

2.1.3 Mechanorezeptoren im Mund

Der Mensch nimmt seine Umwelt, und demnach auch das Mundgefühl, ausgelöst durch die Wechselwirkung Lebensmittel/Mundoberfläche über Sensoren wahr. Neben der Temperatur- und dem Schmerzempfinden (freie Nervenendigungen) zeigen sich die Mechanorezeptoren dafür zuständig. Obwohl sich die Mechanosensortypen in der haarfreien Haut ähneln, gibt es im Mund doch Besonderheiten. Die klassische Unterteilung des Texturempfindens durch die Gewebeschichten gliedert sich nach Oldfield [119] wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Allgemeiner Aufbau der Haut [49]

- Mechanorezeptoren in den oberflächlicheren 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, Zäh- nen und Kiefer besteht in der Verformbarkeit. Aus dieser Tatsache folgt, dass die verschiedenen Verformbarkeiten auch wiederum einen spezifischen Einfluss auf die gesamte Texturwahrnehmung ausüben.

Alle Mechanorezeptoren besitzen spezialisierte Nervenendigungen, beispielsweise freie oder ”verkapselte“.DiesegliedernsichinzweilangsamadaptierendeSensoren (SA [1] = Merkel-Zellen und SA [2] = Ruffini-Körperchen), welche sich in der mittleren Hautschicht unter der Oberfläche befinden, und ein schnell adaptieren- den Sensor (RA [1] = Meissner-Körperchen). Diese Unterscheidung entspringt der Art der wahrgenommenen Reize: während SA [1] und SA [2] auf statische Belastun- gen mit Depolarisation (die Depolarisation setzt sich als Aktionspotential über den Nerv fort und bildet die Grundlage der Reizleitung [117]) reagieren, klingt die Reizintensität bei statischer Belastung von Meissner-Körperchen (RA [1] ) nach ca.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Mechanorezeptoren der haarfreien Haut. Die Sensoren in der oralen Mukosa sind identisch mit den somatischen, bis auf die fehlenden Vater-Pacini-Körperchen. Nach Williams et al. [180] nauigkeit von etwa 3-10%. Versuche unter Lokalanästhesie von Haut und Gelenken und die damit verbundene Inaktivierung der entsprechenden Rezeptoren haben zu der Erkenntnis geführt, dass weder die Oberflächensensoren der Haut, noch die- jenigen 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 Oberflächenanästhesie die Propriozeption nicht be- einflusst. Die wichtigste Rolle bei der intramuskulären Kraftmessung spielen die Golgi-Sehnen-Organe, deren adäquaten Reiz die bei der Muskelkontraktion ent- wickelte mechanische Spannung darstellt. Diese Organe liegen am Übergang zwi- schen Muskel und Sehne und bestehen aus flüssigkeitsgefüllten Kapseln, ausgestat- tet mit wenigen Muskelfasern und reich verzweigten marklosen Nervenendigungen. Sie sind von einer bindegewebigen Kapsel umhüllt und zwischen Kollagenfasern eingebettet [146]. Steigt die Muskelspannung an, so werden die Kollagenfasern der Sehnen zusammengezogen, was gleichzeitig die flüssigkeitsgefüllten Kapseln der Golgi-Sehnen-Organe komprimiert. Dies führt zu einer Druckerhöhung an den Nervenendigungen und zu Nervreizung. Wird der Muskel kontrahiert, messen die Golgi-Sehnen-Organe so das aktuelle mechanische Spannungsniveau innerhalb der Sehne und geben auf diese Weise Informationen über die vom Muskel entwickelte Kraft an das zentrale Nervensystem (ZNS) weiter [127, 135].

2.1.4 Lokalanästhetika/Oberflächenanästhesie

Um nun eine qualifizierte Aussage über den relativen Einfluss der Propriozeption und der Mechanorezeptoren auf die Mundgefühlswahrnehmung treffen zu können, bedarf es einer Möglichkeit der gezielten Inaktivierung einer dieser beiden Systeme, dazu dient die Oberflächenanästhesie. Die Oberflächenanästhesie ist als spezielle Form der Lokalanästhesie zu betrachten, bei der der Wirkstoff nicht durch Injekti- on ins Gewebe eingebracht, sondern auf die Oberfläche der Haut aufgetragen wird. Von dort aus gelangt er dann mittels Diffusion zu seinem eigentlichen Wirkort, den in den oberen Hautschichten liegenden Nervenendigungen. Der Wirkmecha- nismus des Oberflächenanästhetikums, d.h. der pharmakologische Effekt an der Nervenendigung selbst unterscheidet sich nicht von dem eines mittels Infiltration applizierten Lokalanästhetikums [78, 82].

2.1.4.1 Allgemeiner Wirkungsmechanismus von Lokalanästhetika

Lokalanästhetika heben reversibel und örtlich begrenzt die Erregbarkeit und das Leitungsvermögen von Nervenfasern auf. Sie blockieren spannungsabhängige (me- chanische Spannungen) Natriumkanäle und verhindern somit die Bildung von Akti- onspotentialen. Es handelt sich meist um schlecht wasserlösliche, schwach basische aromatische Amine, die aus einem lipophilen Anteil, meist ein ungesättigter aro- matischer Ring, und einem hydrophilen Anteil, meist ein tertiäres oder sekundäres Amin, bestehen. Allgemein unterscheidet man bei den heute verwendeten Prä- paraten zwischen Lokalanästhestika vom Estertyp und solchen vom Amidtyp, je nachdem ob eine Esterbindung oder eine Amidbindung den aromatischen Molekül- teil mit der Aminogruppe verknüpft [3]. Da für die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche nur Lidocain, ein Lokalanästhetikum vom Amidtyp, zum Einsatz kam, liegt auf diesem Präparat der Fokus der weiteren Ausführungen.

2.1.4.2 Wirkungsmechanismus an der Nervenmembran

Im Ruhezustand finden sich im Inneren einer ruhenden Nervenfaser hohe Konzen- trationen von Kaliumionen, bei geringer Konzentration an Natriumionen. Die den Nerv umgebende extrazelluläre Flüssigkeit weist ein inverses Konzentrationspro- fil auf, was zur Ausbildung von Konzentrationsgradienten beider Ionen führt. In die Lipidmatrix der Nervenmembran sind Proteine eingelagert, die als Ionenkanäle fungieren und deren Durchlässigkeit die spannungsabhängige Konformationsände- rungen des Proteinmakromoleküls bestimmt. Im unerregten Zustand nimmt die transmembrane Leitfähigkeit der Kaliumkanäle hohe, die der Natriumkanäle sehr geringe Werte an. Dies führt 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 Permeabilität der Natriumkanäle an, was durch das Einströmen von Natriumio- nen eine Verringerung des Ruhepotentials zur Folge hat. Unterschreitet der Wert des Potentials eine kritische Grenze, erfolgt eine Konformationsänderung inner- halb des den Natriumkanal bildenden Proteinmoleküls und damit eine maximale Öffnung des Natriumkanals. Der nun ungehinderte Natriumioneneinstrom führt zu einer Umkehr des elektrischen Membranpotentials, also zu einer Depolarisati- on der Membran. Der gesamte Vorgang spielt sich im Bereich von ca. 10 ms ab. An dieser Stelle setzt die Wirkung von Lokalanästhetika an, die den Natrium- kanal blockieren und damit die Entstehung eines Aktionspotentials verhindern. Dies geschieht indem das Pharmakon sich von der intrazellulären Seite des Ax- ons her an den spannungssensitiven Natriumkanal anlagert (Abbildung 2.5) und diesen durch elektrochemische Veränderungen in seiner inaktiven, also geschlosse- nen Form stabilisiert. Auf diese Weise blockiert es den normalerweise bei Erregung auftretenden Natriumeinstrom und verhindert eine physiologische Reizleitung [91]. Dabei öffnet 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]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Spannungssensitiver Natriumkanal [150]

Neben der Blockade des Natriumkanals können Lokalanästhetika auch andere Io- nenkanäle inaktivieren, vor allem Kaliumkanäle. Für Lidocain ist dieser Effekt aber im Vergleich zu der Wirkung am Natriumkanal eher gering und trägt damit nur unwesentlich zur Inaktivierung der Reizleitung über die Nervenmembran bei [79]. Die Reihenfolge der Blockade der verschiedenen Nervenfasern und der Grad der Anästhesie sind abhängig vom Durchmesser und Typ der Nervenfasern. Die Inakti- vierung der Fasern erfolgt in der Reihenfolge B-, C-,A-Fasern. Dies bedeutet, dass zuerst die Vasokonstriktion (durch Hormone induzierte Gefäßverengung), dann das Schmerz-, Wärme-/Kälte-, Berührungs-, Druckempfinden und zuletzt die Motorik ausgeschaltet werden [91].

Exakte Werte für die Eindringtiefe von topisch angewendetem Lidocain sind in der Literatur nicht zu finden, jedoch existieren zahlreiche Untersuchungen zu einem alternativen Oberflächenanästhetikum - EMLA (eutectic mixture of local anesthetics), einem Mischpräparat aus Prilocain und Lidocain, welches in erster 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 für die durchgeführten Versuche ver- wendete Lidocainpräparat Eindringtiefen in ähnlicher Größenordnung aufweist und somit die oberflächlichen Rezeptoren zu betäuben vermag, die Tiefensensibilität und damit die Propriozeption jedoch unberührt lässt [1, 133]. Die Kenntnis der zur Mundgefühlswahrnehmung nötigen Humansensoren lässt sich anschließend mit strömungsmechanischen Untersuchungen über die Druck- und Schubspannungs- verteilung entlang der Zunge und dem Gaumen kombinieren, um so tiefgehende Erkenntnisse zu gewinnen.

2.2 Humansensorik im Bereich des Mundgefühls

Die Humansensorik befasst sich mit der Wahrnehmung externer Reize durch den Sinnesapparat des Menschen. Dazu gehören im Hinblick auf die Wahrnehmung des Mundgefühls von Lebensmitteln vor allem vier Systeme: Berührungsempfindlich- keit (nötig um die Größe, die Form und die Textur von Lebensmitteln zu ermitteln), Propriozeption (beschreibt die Eigenwahrnehmung des Körpers, z.B. die relative Stellung des Kiefers zum Schädel), Nozizeption (Signalverarbeitung von nasalen und oralen Gewebeverletzungen, oft als Schmerz beschrieben) und das Tempera- turempfinden (warm und kalt) [53, 56].

Messungen mit einem Sensorikpanel bieten derzeit die einzige Möglichkeit die Wahrnehmung des Mundgefühls eines Menschens zu erfassen und zu quantifizieren.

Selbst das gelingt nur eingeschränkt, da jeder Mensch prinzipiell als ”Messinstrument“ fungiert hängt die Wahrnehmung der Textur von vielen externen und inter- nen Faktoren ab (siehe auch Abschnitt [2].[3] ). Dies würde sich bei einem Messgerät (um bei der Analogie zu bleiben) in einer hohen Varianz der Messwerte widerspie- geln. Genau so geschieht es auch beim Menschen: eine zufällig zusammengestellte Gruppe von Menschen sollen ein Produkt anhand einer im Voraus definierten Ska- la, 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 Einschätzung von sensorischen Parametern im Rahmen der Produktentwicklung eignet. Es existie- ren statistische Methoden um diese Effekte zu dämpfen [99]. Dennoch bleiben die Aussagen zu subjektiv und durch persönliche Erfahrung geprägt. Diese Gruppe kommt oft dennoch in der Entwicklung eines Lebensmittels zum Einsatz, nämlich als sogenanntes ”Konsumentenpanel“beiaffektivenTests,vornehmlichzurEinschätzung der allgemeinen Akzeptanz oder ob einzelne Attribute wie z.B. die Süße im richtigen Maße liegen (sog. Akzeptanztests, z.B. ”Justaboutright“-Skalaoder hedonistische Skalen). Ein weiterer Test aus der Reihe der affektiven Tests bildet der Präferenztest, bei der die Konsumenten z.B die Produkte in die Reihenfolge steigender Beliebtheit ordnen.

Zur industriellen Anwendung des Menschen als Messinstrument bedarf es aber hö- herer Präzision und Genauigkeit. Dies führt zur Etablierung von sogenannten Sen- sorikpanels, einer gezielt geschulten Personengruppe mit der Aufgabe, die Wahr- nehmung des Mundgefühls so weit wie möglich zu objektivieren und auch quantifi- zieren. Dies erfordert eine Auswahl von Personen, die, neben der Basisfähigkeit die vier der fünf Grundgeschmacksarten (süß, salzig, sauer und bitter) besser wahrneh- men zu können als der Durchschnitt, schon von vornherein bei den Auswahltests ähnliche Aussagen treffen, d.h. deren Einschätzungen statistisch gesehen enger zu- sammen liegen als die einer randomisierten Vergleichsgruppe. Nach dieser Wahl beginnt die Schulung des Panels, z.B. durch die Festlegung gemeinsamer Stan- dards und dem entsprechenden Training, was die Varianz weiter minimiert. Ein so geschultes Panel ist durch seine Erfahrung auch in der Lage, feinere Unterschie- de in Sensorikmerkmalen zu erkennen als Konsumentenpanels. Eine der Fokusse dieser Arbeit liegt auf der Abbildung des Wissens eines Sensorikpanels anhand ko- gnitiver Algorithmen, um es so dauerhaft verfügbar zu halten und auch die teuren und sehr aufwendigen Paneltests auf ein nötiges Minimum zu reduzieren.

Stellt man Menschen die Aufgabe, sie sollen ein Lebensmittel verkosten und be- schreiben, so stehen vor allem der olfaktorische und gustatorische Reiz im Vor- dergrund. Das Mundgefühl beschreiben die meisten entweder gar nicht oder nur unterbewusst [157]. Dass die Textur aber einen wichtigen Beitrag zur gesamten sen- sorischen Qualität liefert, zeigte Schiffman [143]. Sie pürierte diverse Lebensmittel und ließ sie ältere und jüngere Menschen verkosten. Maximal [40] % der jungen Men- schen erkannten die Lebensmittel anhand ihrer Geruchs und Geschmacks richtig.

2 Stand der Forschung

Die fehlende adäquate Textur führte zu den Fehlentscheidungen. Die Lebensmit- telwirtschaft erkannte diesen Trend in den letzten Jahrzehnten und bewirbt nun gezielt nicht mehr alleine den Geruch und Geschmack, sondern auch texturelle Eigenschaften wie

”Cremigkeit“oderdie ”Vollmundigkeit“[113,136,162] .

Während der Nahrungsaufnahme spielen alle fünf Körpersinne eine große Rolle. Der erste Eindruck ist meist der visuelle, das Betrachten der Nahrung. Hier fin- det schon der erste Vergleich mit bekannten und bewährten Mustern statt (z.B sichtbare Veränderungen wie Schimmel oder Verfärbungen). Die nächsten Schritte stellen das orthonasale Riechen (olfaktorischer Reiz) sowie das Temperaturemp- finden während der oralen Einnahme des Lebensmittels dar. Haptische und taktile Reize, der gustatorische Reiz des Wahrnehmens der Grundgeschmacksarten (bit- ter, sauer, salzig, süß und umami) sowie das retronasale Riechen treten während der Manipulation des Speisebreis im Mundraum auf. Die Zunge spielt für die Wahr- nehmung des Mundgefühls, aber natürlich auch für den Geschmack die Hauptrolle. Sie dient nicht nur als Sensor, sondern auch als Aktor, der den Speisebrei für das Herunterschlucken vorbereitet (Vermengung mit Speichel, Transport zwischen die Zähne), aber auch ständig auf die Beschaffenheit im Sinne einer vom Probanden gewünschten 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 verknüpft. Olfaktorische und gustatorische Reize lösen Moleküle 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 Moleküle (10−[10] m bis 10−[9] m) zu detektieren vermögen. Grund hierfür ist die Möglichkeit der direkten Interaktion des reizauslösenden Moleküls mit der Sinneszelle, z.B. durch Kopplung des Moleküls an Oberflächenrezeptoren der Sinneszellen oder Einwanderung 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 extrazelluläre Rezeptoren und der anschließenden Aktivierung eines G-Proteins (Schlüssel-Schloss-Prinzip).

Tabelle 2.2: Die fünf Grundgeschmacksarten und die sieben Grundgerüche nach AMOORE

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Während der Nahrungsaufnahme auftretende Längenskalen

Bei der Wahrnehmung der Textur hingegen muss das Gehirn die Eindrücke der verschiedenen Sensortypen bündeln und interpretiert diese als Summeneindruck.

Neben der Rezeptur beeinflussen auch die Prozessparameter, wie z.B. die thermi- sche oder mechanische Belastung, während der Herstellung die Textur des Lebens- mittels [16, 64, 174]. Vor allem die Größenordnung vieler Lebensmittelinhaltsstoffe wie z.B. Proteine, Hydrokolloide, usw. liegt im Bereich derjenigen der Sinneszellen. Beispielsweise können während des Herstellungsprozesses von Joghurt Partikelag- glomerate entstehen, welche wahrnehmbare Größenordnungen annehmen und so ein griesiges oder raues Mundgefühl erzeugen [80, 81]. Wie unter Abschnitt 2.1.2 beschrieben zeigen nicht alle Bereiche der Körperoberfläche die gleiche Anzahl- dichte an Mechanorezeptoren. Dies äußert sich in der unterschiedlichen Fähigkeit Größenordnungen von berührten Objekten zu unterscheiden. Der Zwei-Punkt- Diskriminierungstest bietet eine Möglichkeit diese Fähigkeit zu überprüfen. Mit geschlossenen Augen berührt der Versuchsleiter die Körperoberfläche mit zwei Me- tallstiften und bestimmt den Abstand, ab dem der Proband die Berührung als zwei getrennte Reize wahrnimmt. Während dieser Abstand an den Fingerspitzen oder den Lippen bei ca. 0,5 mm liegt, kann er auf dem Rücken Größenordnungen von bis zu 2 cm annehmen. Strassburg [157,158] untersuchte im Hinblick dessen die Fä- higkeit des Menschen Größenordnungen im Mundraum abschätzen zu können. Sie ließ eine Gruppe von Probanden die Dicke von PET-Plättchen (12, 5 − 250 µm) im Größenabstand von 25 µm bei gleichen Durchmessern (3 und 5 mm) paarweise ver- gleichen. Die Versuchspersonen nutzen sowohl die Fingerspitzen und Handflächen, sowie die Zunge und Gaumen. Beim ersten System erwies sich die Unterscheidung bei allen Dicken möglich, im Mund hingegen nicht zwischen 125 und 190 µm. Sie führte dies auf die Art und Weise der Wahrnehmung von Dicken im Mund zurück. Bei sehr kleinen Dicken verbiegen sich die Plättchen und legen sich zwischen Zunge und Gaumen. Bei den dickeren hingegen reicht die Kraft der Zunge nicht aus, um die vollständige Durchbiegung der Plättchen zu erreichen und somit drücken sich diese in die Zunge. Die Sensibilität beider Wahrnehmungswege zeigen sich im Be- reich dazwischen als nicht groß genug, sodass eine Unterscheidung hier nicht mehr möglich ist.

2.2.1 Wahrnehmung des Mundgefühls

Spricht man von der Wahrnehmung des Mundgefühls, so muss man sich vor Augen führen, dass der Mensch die Eindrücke seiner Sinneszellen ohne vorheriges Training kaum einzeln deuten kann, sondern in der Regel als Summeneindruck wahrnimmt. D.h. im Umkehrschluss, dass die direkte Frage nach dem reinen Einfluss der Me- chanorezeptoren z.B. von einem Probanden nicht beantwortet werden kann. Alle Vorgänge laufen unterbewusst ab, sodass sich eine getrennte Untersuchung als sehr schwierig erweist.

Deshalb beschreibt die Literatur den Vorgang der Wahrnehmung der Struktur, und damit Textur, eines Lebensmittels oft mit einem Black-Box-Modell (Abbil- dung 2.7).

Abbildung 2.7: Black-Box-Modell der Wahrnehmung der Lebensmittelstruktur. Die Abhängigkeit von der Mundphysiologie und der Prozessierung des Lebensmittels ist nur unzureichend bekannt

Eine der wichtigsten Gründe liegt in der Komplexität und Diversität des biologi- schen Systems. Jeder Mensch besitzt eine andere Mundgeometrie und manipuliert den Speisebrei auf unterschiedliche Weise [32]. Zudem bewertet jeder Mensch seine Sinneseindrücke unterschiedlich, sei es z.B. aufgrund seiner Kultur, seines Gemüts- zustandes oder seiner persönlichen Vorlieben (Abbildung 2.8). Sehr wichtig ist in diesem Zusammenhang die starke Nichtlinearität von Reiz und Wahrnehmung (sie- he hierzu Abschnitt 2.7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Potentielle Faktoren der Texturwahrnehmung

Weiterhin gilt es zu erwähnen, dass der Mensch alle Sinneseindrücke im Kontext deutet. Auch beeinflussen sich die unterschiedlichen Systeme gegenseitig, mit dem visuellen als dem dominanten System. Ebenso interferieren unsere Empfindungen auch mit bereits gespeicherten Erfahrungen, daraus resultieren einige bekannte Wahrnehmungstäuschungen. Eine grobe Klassifizierung lautet:

- Akustische Täuschung. Ein berühmtes Beispiele ist die sogenannte Shepard- Skala. Bei der Wiederholung der selben Tonleiter hat der Hörer stets den Eindruck als steige oder falle die Tonhöhe kontinuierlich, auch über die Ok- taven hinaus. Weiterhin existieren eine Vielzahl anderer Täuschungen, z.B. das Tritonus-Paradoxon, der Fransen-Effekt und der McGurk-Effekt
- Optische Täuschung. Hier existiert ebenfalls eine Vielzahl an Wahrnehmungs- täuschungen, beispielsweise die Hollow-Face-Illusion, die Mueller-Lyer-Illusion und die Poggendorff-Täuschung. Ein Beispiel zeigt Abbildung 2.9. Hier deu- tet das Gehirn die gleiche physikalische Leuchtdichte durch subjektiv un- terschiedliche Helligkeit. Dies geschieht hier z.B. durch die Subtraktion des Einflusses des Schattens des Zylinders
- Haptische Täuschung. Auch die Tastempfindung lässt sich täuschen. Diese Phänomene können demnach auch die Wahrnehmung des Mundgefühls be- einflussen. Beispiele aus diesem Bereich sind die Charpentiersche Täuschung oder die Pinocchio-Illusion. Bei der letzteren empfindet ein Proband der sei- ne eigene oder eine fremde Nase mit geschlossenen Augen berühren soll als bis zu 30 cm lang, sobald eine Vibration auf den Bizeps aufgebracht wird
- Gustatorische Täuchung. Ein weniger stark erforschtes Gebiet stellen die gustatorischen Täuschungen dar. Beispielsweise schmecken grün angefärbte Saccharoselösungen für die Probanden am süssesten, obwohl sie sich von den anders angefärbten Zuckerlösungen in ihrer Saccharosekonzentration nicht unterscheiden
- Thermische Täuschung. Hier beruht die Täuschung entweder auf dem ver- wechseln von heiß und kalt, oder auf der Verstärkung oder Abschwächung dieser Reize durch externe Ereignisse. Berührt beispielsweise nach der An- kündigung eines heißen Gegenstandes ein Eiswürfel die Haut eines Proban- den, so hat dieser den Eindruck, es handle sich um ein heißes Objekt

Diese Tatsachen rechtfertigen den Wunsch nach einer Objektivierung der Sin- neswahrnehmung, wie in dieser Arbeit in besonderer Form geschehen. Dies kann Fehlinterpretationen aufgrund persönlicher interner Zustände vorbeugen und Fehl- entscheidungen in den unterschiedlichen Stadien der Lebensmittelprozessierung umgehen.

Die an der Propriozeption beteiligten Mechanorezeptoren, z.B. im Halteapparat in Muskel- und Sehnenspindeln, nehmen die Stellung des Kiefers oder die zur Be- wegung der Zunge nötigen Kraft auf. So nimmt die Kraft der Manipulation des Speisebreis in der Regel mit der Viskosität des LM zu, unter Ausklammerung der Unterschiede laminarer oder turbulenter Strömungszustände. Hier zeigt sich ein äußerst wichtiges Phänomen: nicht die Substanz welche die Viskosität erhöht wird detektiert, sondern ihr Einfluss, indirekt ausgedrückt durch die gemessene Kraft. Die Mechanorezeptoren hingegen reagieren wie unter Abschnitt 2.1.3 beschrieben

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Beispiel einer optischen Wahrnehmungstäuschung. Obwohl beide Felder die gleiche Leuchtdichte (cdm[2] ) besitzen, erscheint im linken Bild Kachel B heller als A. Das menschliche Gehirn errechnet die subjektive Helligkeit anhand von Erfahrungen und versucht dem- nach den Einfluss des Schattens des Zylinders zu kompensieren [2] nur auf Druck oder Dehnung. Dies ist bei stückigen oder partikelbeladenen Le- bensmittel direkt durch die Eindrückung der Zunge oder des Gaumens messbar, falls die Partikel eine gewisse Größe besitzen. Je nach Literaturstelle schwanken diese Werte in Abhängigkeit von der Lebensmittelmatrix, der Größe und der Här- te der Partikel, wobei sich vorsichtig ein Durchschnittswert von ca. 25 µm nennen lässt [41], doch auch kleinere Partikel von 2 µm weisen einen Einfluss auf [43]. Dass der Mensch solch kleine zugegebene Partikel direkt und nicht z.B. indirekt über ihr Druckfeld detektiert, zeigte Strassburg [157]. Das hervorgerufene Druckfeld reicht mit seiner Wirkung nicht aus, um einen Sinneseindruck hervorzurufen.

Trotz intensiver Recherche ist es zum jetzigen Zeitpunkt nicht gelungen Veröffent- lichungen zu ermitteln, welche die spezifische Auswirkung der unter Abschnitt 2.2 genannten Systeme der Mundgefühlswahrnehmung quantitativ beschreiben. Jedes der Wahrnehmungssysteme beeinflußt im Gehirn das andere, sie verstärken oder schwächen sich, je nach Situation. Vor allem erlernte oder erfahrene Situationen führen zu dieser Interaktion, welche den Gesamtprozess und das Verständnis wei- ter erschweren. Ein jüngst erschienener Review von Stein und Standfort [154] in Nature Reviews Neuroscience fasst diese höchst interessante Tatsache zusammen.

[...]

Ende der Leseprobe aus 212 Seiten

Details

Titel
Experimentelle und numerische Untersuchungen des Fließverhaltens bei der intra-oralen Lebensmitteleinnahme zur objektivierten Prognose des Mundgefühls mittels kognitiver Algorithmen
Hochschule
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg  (Lehrstuhl für Strömungsmechanik)
Note
1,4
Autor
Jahr
2010
Seiten
212
Katalognummer
V168248
ISBN (eBook)
9783640852864
ISBN (Buch)
9783640852895
Dateigröße
9075 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
experimentelle, untersuchungen, fließverhaltens, lebensmitteleinnahme, prognose, mundgefühls, algorithmen
Arbeit zitieren
Alexander Kutter (Autor), 2010, Experimentelle und numerische Untersuchungen des Fließverhaltens bei der intra-oralen Lebensmitteleinnahme zur objektivierten Prognose des Mundgefühls mittels kognitiver Algorithmen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/168248

Kommentare

  • Noch keine Kommentare.
Im eBook lesen
Titel: Experimentelle und numerische Untersuchungen des Fließverhaltens bei der intra-oralen Lebensmitteleinnahme zur objektivierten Prognose des Mundgefühls mittels kognitiver Algorithmen


Ihre Arbeit hochladen

Ihre Hausarbeit / Abschlussarbeit:

- Publikation als eBook und Buch
- Hohes Honorar auf die Verkäufe
- Für Sie komplett kostenlos – mit ISBN
- Es dauert nur 5 Minuten
- Jede Arbeit findet Leser

Kostenlos Autor werden