ENGINEERING Foods 綜述：把“咀嚼”變成數據：肌電圖如何解碼淀粉類食物的動態質構 

一、引言：淀粉類食物的質構，是一個“會變”的動態過程

淀粉類食物是全球多數膳食模式的重要主體，其所提供的碳水化合物，是人群膳食能量攝入的首要來源。它們獨有的黏彈性和剪切變稀行為，造就了極其復雜的質構體驗，而這正是它們吸引消費者的核心。但淀粉類食物的質構復雜性不只體現在第一口的感覺上，更體現在口腔加工過程中持續發生的結構轉變：餅干、面包、米制品和糯米食品，初始可能被感知為脆、酥、彈或黏彈，但隨著咀嚼進行，以淀粉為主的多組分基質會依次經歷斷裂、吸水、唾液混合、軟化、黏附、聚集和食團形成。質構感知隨之從第一口的感受，過渡到咀嚼后期、直至吞咽適宜性的體驗。這種動態演變并非簡單的“質構變軟”，而是與淀粉富集基質特有的理化結構特征密切相關。蛋白質主導的食物，口腔加工由纖維結構、凝膠網絡或蛋白聚集體的斷裂變形主導；脂質主導的食物，感知更與熔融、潤滑、乳液破乳和奶油感釋放相關；而淀粉類食物則同時受到機械破碎、唾液介導的水合、唾液淀粉酶活性、以及口腔內淀粉顆粒或糊化網絡重塑的多重影響。非淀粉組分還通過改變基質連續性、水結合、界面相互作用、潤滑和食團形成進一步調制這一過程。總的來說，淀粉類食物的口腔加工，是“結構解體-唾液滲透-酶解軟化-黏附聚集-食團重塑”的路徑。這條淀粉特異的加工路徑意味著，質構評估不能只依賴靜態儀器測量，單次壓縮、剪切或穿刺實驗無法捕捉真實咀嚼中的連續轉變；感官評價又本質主觀、依賴訓練有素的品評員、耗時且難以跨個體跨實驗室標準化。肌電圖（EMG，electromyography）在 1980 年代就被引入食品科學用于口腔加工機制研究，作為一項記錄咀嚼肌和口周肌生物電信號的技術，提供了一個客觀、實時、連續監測口腔加工的方法，這也正是綜述的核心主題。

二、質構復雜性的根源：從淀粉的多尺度結構到口腔內的動態演變

淀粉類食物質構復雜性的根本來源，是淀粉自身“分子-結晶-顆粒”的多尺度層級組織。直鏈/支鏈淀粉比例、鏈長分布和分子纏結程度，調節著吸水、膨脹、糊化和老化過程，從而塑造硬度、脆度和黏附性等質構屬性。天然淀粉呈現 A、B、C 三種結晶型，結晶多態性和雙螺旋有序度的差異，決定了顆粒對熱和水的響應、糊化起點和網絡重塑行為。顆粒大小、形貌、表面性質和結晶/無定形區域的空間排布，則進一步決定受熱、剪切和咀嚼下的斷裂行為與碎片釋放，影響粉感、粉質感和順滑感等屬性。長淀粉鏈跨越結晶與無定形區域，通常增強凝膠穩定性和彈性；富含短支鏈的系統則更易膨脹，產生更軟更黏的質構。真實食品中，非淀粉組分通過特定的分子和基質級互作調節凝膠形成。脂質（尤其脂肪酸或乳化劑）可與直鏈淀粉形成 V 型復合物，限制顆粒膨脹和直鏈溶出，改善加熱剪切下的糊穩定性并改變老化行為；蛋白質可競爭水分、破壞淀粉-淀粉氫鍵而弱化凝膠，也可在參與連續蛋白-淀粉網絡時強化基質；淀粉-蛋白-脂質還能形成比二元淀粉-脂質復合物短程有序度和結晶度更高的三元復合物，進一步改變口腔加工中的黏度發展、凝膠彈性和食團形成性質。口腔加工使這些結構發生劇烈演變：咀嚼的壓縮和剪切力破壞凝膠網絡，導致基質碎裂、內部區域更多暴露于唾液，接觸面積增大又加速唾液浸潤、水分滲透和酶解。淀粉的可濕性由多尺度結構特征協同控制。淀粉分子豐富的羥基賦予固有親水性，而結晶有序度和無定形區域比例調節水分滲透速率。A 型淀粉結晶結構相對致密，B 型淀粉結晶排布更開放、含水量更高，利于水分進入和擴散。膨脹多孔的脆性淀粉類食品是最典型的例子：新鮮爆米花疏松多孔的三維互聯微孔網絡提供縱橫雙向的連續毛細通路，加上水溶性結晶態淀粉的存在，使水滴可在 40 毫秒內完全潤濕，并伴隨即刻結構坍塌。這一快速潤濕-坍塌過程，恰好解釋了口腔加工中“初始脆感”向“軟化”的轉變。

   圖1（原文 Fig. 1）：口腔加工中淀粉的多尺度結構演變。淀粉類食物在剪切、壓縮、唾液潤滑和唾液淀粉酶水解作用下，發生從顆粒結構到分子鏈、凝膠網絡的分層級重塑——包括顆粒水合膨脹與溶出、結晶/無定形片層改變、分子鏈降解和凝膠網絡漸進重組。

三、為什么傳統方法不夠？——TPA、流變與 EMG 的定位差異

評估淀粉類食物質構的主流方法有三類。質構分析儀（如 TPA 質構剖面分析）通過壓縮、穿刺、剪切、拉伸等測試記錄力-時間或力-位移曲線，提取硬度、內聚性、彈性、黏附性、咀嚼性和膠黏性等參數，適合表征固體和半固體食物的整體質構（Fig. 2A）。流變儀關注連續剪切或振蕩載荷下的流動與變形，測量表觀黏度、屈服應力、儲能模量（G′）和損耗模量（G″），更適合表征半固體、膠體等復雜體系的黏彈性和結構穩定性（Fig. 2B）。但本質上，兩者都是體外（ex vivo）儀器測量，反映的是預設機械條件下樣品的理化性質。感官評價提供人類感知的直接信息，但本質主觀、需要訓練有素的品評員，跨個體和跨實驗室的重現性有限。而肌電圖（EMG）的獨特定位在于：它從人類口腔加工的視角評估質構相關生理響應。通過記錄咀嚼中咬肌、顳肌等咀嚼肌的肌電活動，提取咀嚼周期、咀嚼時長、信號振幅和積分肌電等參數（Fig. 2C）。與傳統質構儀和流變儀相比，EMG 的核心優勢是能夠在食物物理性質與人類口腔生理響應之間架起橋梁：它捕捉的是食物質構隨時間演變過程中肌肉激活模式的實時調整，從而把質構的時間演化與口腔加工中的生理響應直接聯系起來，揭示質構感知背后的生理機制。同時，肌電圖 可與質構分析、流變測量和感官評價協同，共同構建更全面的質構評估框架。但是讀到這可能要問，感官和肌電圖都要人的參與，到底優勢在哪呢？EMG 與感官評價都需要真實的人在真實進食中參與，但感官評價采集的是人的主觀感知（"我覺得硬不硬、好不好吃"，受口味、情緒和訓練水平影響，事后打分、顆粒度粗）；EMG 采集的是咀嚼肌產生的客觀生理電信號（微伏級、全程連續、每秒上千次采樣），反映的是"肌肉實際干了多少活"這一客觀物理事實，還能捕捉到人自己意識不到的細節（如黏性食物對張口肌的額外激活）。因此 EMG 的優勢不是替代感官評價，而是補上感官評價缺失的"生理響應"維度。

圖2（原文 Fig. 2）：食物質構表征方法的對比。（A）TPA 與黏附性測試，量化硬度、內聚性、彈性等宏觀質構參數；（B）流變測量（剪切、頻率掃描、振幅掃描），闡明材料黏彈行為；（C）咀嚼過程中的 EMG 信號及其特征提取，將感官質構屬性與口腔加工行為聯系起來。

四、EMG方法學：從肌肉電信號到質構參數

肌電信號反映的是中樞運動控制下、脊髓運動神經元激活的骨骼肌纖維動作電位總和，可通過表面電極在咀嚼和吞咽等功能性動作中無創檢測。一套完整的肌電圖（EMG）系統通常包括電極、放大器、模數轉換器和信號處理單元。在口腔動力學研究中，電極（通常為一次性銀-氯化銀表面電極）須依據嚴格解剖標準精確放置于目標肌肉肌腹——咬肌、顳肌前束、二腹肌前腹和頦舌肌等，電極間距通常為 5–20 毫米以優化信號質量、減少相鄰肌肉串擾。由于皮膚表面采集的原始 EMG 信號十分微弱（典型在微伏級），易受環境噪聲干擾，需要高性能生物電放大器進行放大和預濾波，抑制基線漂移和高頻噪聲；隨后由模數轉換器數字化，采樣率通常不低于 1000 赫茲，分辨率（如 16 位或 24 位）決定信號細節和動態范圍。放大數字化后的 EMG 信號通常經帶通濾波（典型 20–500 赫茲）以衰減運動偽跡和高頻噪聲，并以 50 或 60 赫茲陷波濾波抑制工頻干擾，隨后進行全波整流和均方根（RMS）平滑。常用軟件包括 OpenSignals 和 LabChart 8。EMG 口腔加工參數可分為三類：時域指標（如積分肌電 iEMG，反映累積肌肉活動）、頻域指標（如頻譜能量分布，表征肌肉激活模式和疲勞相關變化），以及時間指標（咀嚼周期數、周期時長、肌肉激活潛伏期，揭示神經肌肉協調模式，Fig. 4 與 Table 1）。參考電極通常置于腕部或手背以降低電噪聲；個體間肌肉活動差異主要通過歸一化處理解決，歸一化到最大自主收縮（MVC）或某一參考樣品。實驗前須用合適的參考材料進行標準化，數據歸一化為參考樣品百分比后，比使用原始表面肌電數據更具臨床相關性。  圖3（原文 Fig. 3）：咀嚼與吞咽過程中 EMG 信號采集與處理系統示意圖。（A）雙極表面電極放置；（B）信號處理方法（帶通濾波、陷波濾波、整流、RMS 平滑等）；（C）咀嚼過程的 EMG 信號；（D）吞咽過程的 EMG 信號。圖4（原文 Fig. 4）：EMG 峰形分析與對應信號參數。從咀嚼序列的肌電峰中提取幅度、時長、爆發（burst）數、積分肌電等參數，用于量化咀嚼功、肌肉激活強度與口腔加工行為。

五、四大質構屬性如何用 EMG 解碼？

肌電圖（EMG）通過振幅、積分肌電、爆發時長、咀嚼周期數和總咀嚼時間等參數，把淀粉類食物的質構屬性與口腔加工響應聯系起來。需要強調的是，咀嚼中 EMG 信號的變化反映的是多個持續演變質構屬性疊加的神經肌肉需求，而非單一屬性的變化：初始硬度或脆度主要決定早期咀嚼負荷和 EMG 振幅，而唾液混合和淀粉水合則在中后期逐漸降低抗斷裂能力、同時增加黏附性、內聚性或彈性。本綜述選取硬度、脆度、黏附性、彈性四個代表性維度展開。

5.1 硬度：決定早期咀嚼負荷的首要屬性

硬度在咀嚼早期即觸發強烈的 EMG 響應：米飯硬度分級（UDF 1–4）研究顯示，硬度與咀嚼振幅、肌肉功、咀嚼序列數和總時長正相關；蒸谷米因淀粉老化變硬，顯著抬高早期咀嚼階段咬肌的振幅和爆發時長，而糊化更充分的普通米飯則降低破碎所需的機械功。

5.2 脆度：快速脆性斷裂與早期肌肉響應的“短促”特征

低水分淀粉類食物的脆度源于剛性玻璃態基質在咀嚼時的快速脆性斷裂，反映在 EMG 上是短的爆發時長和銳利激活。不同脆性食物的咀嚼策略不同：餅干這類硬脆食品從早期垂直壓縮轉向后期水平剪切，且需比脆性果蔬更大的咬合力才能在唾液軟化前啟動斷裂；薯片這類高孔隙膨化食品則只需較低的咀嚼負荷。薯片研究顯示，感官脆度與平均咀嚼功負相關、與咀嚼次數正相關（更脆則每次咀嚼肌負荷更小，但干燥細碎顆粒需要更多咀嚼混合唾液才能成團）。

5.3 黏附性：中后期“持久”的肌肉活動負擔

黏附性源于食團內部的內聚力與食團和牙齒、上顎的黏附作用，支鏈淀粉富集的體系黏性更強。與硬度、脆度在咀嚼早期即激發強響應不同，黏附性對 EMG 的影響延遲而持久，在咀嚼中后期才最明顯：年糕、米飯逐漸水合成黏附食團，需要持續用力克服黏附阻力，表現為延長的肌肉活動、更多的咀嚼周期和更長的總時長。年糕的內聚性和黏附性都強于米飯，因此吞咽前需更多咀嚼。黏性食物還會特異性激活張口肌（二腹肌）和舌肌（分離牙弓、清除黏膜殘留），年糕過度黏附甚至會增加吞咽難度（舌骨上肌 EMG 振幅和時長改變）。

5.4 彈性：對抗回彈的“持續張力”

彈性指食物去除外力后恢復原狀的能力，像年糕、面條、發酵面包等凝膠狀食品，其糊化淀粉分子通過氫鍵和分子纏結形成彈性網絡。彈性食物咀嚼中不驟然坍塌，而是持續變形、回彈，對應獨特的神經肌肉策略：年糕的儀器硬度低于米飯，卻誘導了更高的每口咬肌積分肌電。因為閉口肌不僅要克服屈服阻力，還要持續對抗回彈和變形阻力。彈性食物因此需要更多咀嚼周期才能達到吞咽閾值，中后期 EMG 振幅和爆發時長衰減更慢，爆發時長可能成為區分彈性響應與硬度主導咀嚼的敏感指標（印度蒸米糕 idli 研究證實中段爆發時長與彈性感知強相關）。圖5（原文 Fig. 5）：代表性質構屬性及其對應神經肌肉響應在口腔加工過程中的動態演變。硬度與脆度主要驅動早期咀嚼負荷（短爆發、高振幅），黏附性在中后期表現為持久的肌肉活動（更多周期、更長總時長），彈性則體現為對抗回彈的持續張力（高每口 iEMG、更寬波形）。

六、EMG 監測口腔加工動態：從食團到健康

除了質構屬性，肌電圖（EMG）還能實時記錄肌肉活動，揭示口腔加工的動態過程，包括食團形成與破碎、質構接受度與偏好預測、咀嚼行為對消化代謝健康的影響、以及吞咽負擔評估。食團動態方面， 研究通常把咀嚼序列劃分為早、中、晚三期：早期 EMG 振幅和頻率特征主要反映食物的初始質構和瞬時變形行為；中后期淀粉基質微結構被唾液酶和咀嚼力逐漸破壞，通常表現為 EMG 振幅下降和咀嚼節律趨于規律。偏好預測方面，EMG 把動態質構轉化為可量化特征：肌肉活動振幅關聯瞬間最大咬合需求（機械負荷的生理代理），每口肌肉活動和總肌肉活動更接近咀嚼功或總體費力程度，與儀器測得的斷裂功密切對應。高硬度低黏附的米飯會增加咀嚼次數、時長和總咀嚼肌活動，抬高口腔加工負擔、降低消費者喜愛度——即便儀器硬度相當的樣品，黏附性差異仍可被 EMG 活動和咀嚼行為清晰區分。一個有趣的發現是咀嚼方式本身就能改變接受度：以卡拉膠凝膠化的土豆泥為模型，固定頻率節拍咀嚼雖不顯著增加咀嚼次數，卻延長了咀嚼時長并重新分配了肌肉群出力（顳肌貢獻更大），導致濕潤度、黏附性和內聚性等感知維度系統性偏移，而固定頻率條件下的整體偏好反而更高。消化健康層面，咀嚼會通過改變食團顆粒大小分布、比表面積和唾液混合程度，調節淀粉對消化酶的可及性：米飯中細顆粒比例與 45 分鐘血糖峰值和血糖增量曲線下面積（iAUC）顯著相關。進食方式同樣影響代謝結局——用筷子吃白米飯的血糖生成指數（GI）約 68、用勺子約 81，差異主要歸因于更小的單口量、更多的口數和更慢的進食速率；口數與 iAUC 負相關，單口量與 iAUC 正相關。但綜述特別提醒：EMG 不應被視為血糖指數的直接預測器，而是量化咀嚼行為的生理工具——高抗性淀粉粳米飯雖降低了模擬消化中的葡萄糖釋放速率，卻因更硬（且黏性更低）而大幅降低了整體喜愛度，提示"增加口腔加工負擔以減緩淀粉消化"這一潛在益處常伴隨質構接受度的代價。吞咽負擔與吞咽困難（dysphagia）評估方面，需區分年齡相關生理衰退與病理性吞咽困難：前者主要表現為口腔肌儲備下降、咀嚼效率降低和對質構變化的適應減弱；后者更直接與食團轉運受損、神經肌肉協調異常和吞咽安全性下降相關。EMG 研究顯示，老年人每口肌肉活動低于年輕人，但通過增加咀嚼次數和咀嚼時長代償，總吞咽前 EMG 活動相當；且年輕人咀嚼中 EMG 振幅逐漸下降、老年人這一調整不明顯，提示其對口內漸進質構變化的適應減弱。病理性吞咽困難則需重點關注舌骨下肌群（頦下肌、舌骨上肌）的激活模式，更長的激活時長或改變的振幅可能提示代償性用力或異常神經肌肉募集。吞咽困難友好食品不應只看流變性質或 IDDSI（國際吞咽困難飲食標準化倡議）等級：IDDSI 0–2 級質構改良液體中，黏度和等級越高、感知吞咽容易度越低，伴隨的口腔加工和吞咽相關 EMG 活動也越高。

七、影響 EMG 響應的因素：基質、個體與行為控制

同一標準化淀粉食品被不同人食用時，咀嚼策略存在顯著個體差異：研究識別出快速進食者、慢速進食者和高能量進食者等咀嚼行為亞群，且不同咀嚼模式與對模型凝膠硬度和橡膠感的感知相關。唾液分泌和口腔環境也是重要變異來源，廣義加性模型分析顯示，唾液流速和黏蛋白濃度與咀嚼頻率和時長呈非線性負相關；唾液分泌較低的個體因口腔潤滑效率下降，可能需要延長咀嚼來促進淀粉基質的水合和聚集。特定生理條件還會改變咀嚼節律：從鼻呼吸轉為口呼吸時，為維持氣道通暢咀嚼運動會中斷，導致咬肌平均肌電圖（EMG）振幅降低、咀嚼效率下降，并以增加咀嚼周期數作為代償。咀嚼并非純粹的自動反射，行為控制和外部指令可調節 EMG 模式：受試者能有意識地調節咀嚼頻率從而改變質構感知；當被要求“充分咀嚼”時，人們并非簡單地增大咬合力，而是縮短每個咀嚼周期的爆發時長、降低舌骨上肌負荷，以實現更細的食團粉碎。這凸顯了感官和 EMG 評估中標準化指令的重要性。外部進食條件和攝入模式同樣調制咀嚼動態：餐具、食物大小和形狀影響單口體積和食團初始結構；面條吸食等特定進食行為涉及唇、舌、頰和頜的協調運動，產生不同于常規咀嚼的 EMG 模式。圖6（原文 Fig. 6）：影響口腔加工中 EMG 響應的因素總覽。食物基質理化性質（直鏈/支鏈比、分子量分布、糊化老化狀態、顆粒 vs 凝膠形態）、個體生理差異（咀嚼習慣、唾液分泌、牙列狀態）、以及行為控制與外部因素（進食指令、餐具、食物形態）共同調制 EMG 響應。

八、挑戰與未來：從實驗室信號到智能口腔加工

綜述列出肌電圖（EMG）應用的三重挑戰。其一，EMG 測的不是食物質構本身，而是質構變化引發的神經肌肉響應，振幅看似定量，本質上應視為相對測量，不能跨個體、甚至不能跨同一人的不同實驗設置直接比較。其二，EMG 信號同時受食物結構屬性和個體口腔生理特征影響，咀嚼習慣、牙列狀態、咬合力、唾液分泌、舌運動功能和吞咽能力都會改變肌肉激活模式，同一食物在不同個體可誘導不同響應。其三，單獨 EMG 不足以完整解釋淀粉類食物在口腔中的動態質構轉變，咀嚼中機械破碎、唾液潤濕、酶解、黏附、聚集、食團形成和吞咽準備同時發生，難以把 EMG 響應歸因到某一孤立的質構屬性。因此作者指出：當前 EMG 研究的瓶頸不是信號采集本身，而是如何在復雜食物結構變化和個體生理變異背景下，以機制上有意義的方式對肌肉電活動進行歸一化、歸因和解釋。未來方向首先是標準化：需要建立 EMG 采集與分析的標準協議，涵蓋電極放置、肌肉選擇、采樣頻率、濾波流程、歸一化方法、特征提取和報告標準，以降低實驗設置對數據解讀的影響。其次是多模態整合：EMG 應與質構分析、流變測量、聲學信號、頜運動學、舌壓測量、唾液特征、食團結構分析、感官評價、腦電（EEG）和面部表情分析融合，構建同時描述食物結構、口腔加工行為、生理響應與感知情感響應的多模態數據庫。人工智能和機器學習能幫助從復雜 EMG 信號中提取潛在模式，但模型若不受食物結構、口腔生理和感官機制約束，可能停留在統計相關層面而無法產生可解釋的科學結論，未來智能算法與 EMG 的整合，不應只關注預測精度，還要回答“為什么特定的淀粉結構、糊化程度、老化狀態和食團形成行為會引發特定的肌肉響應”。在此基礎上，柔性電子、無線傳感和可穿戴設備有望推動 EMG 從實驗室分析工具走向實時口腔加工監測技術，并為仿生咀嚼系統、機器人口腔加工平臺和個性化食品設計提供更可靠的生理依據。圖7（原文 Fig. 7）：淀粉類食物的智能質構評價與工程。整合 EMG 特征、咀嚼軌跡、咬合力、食團形成行為、食物結構參數、腦電神經響應和面部表情感知線索，構建以人體生理和感知響應為中心的智能質構評價系統，推動淀粉類食品向精準化、個性化和機制引導設計發展。

九、總結：質構不是材料的靜態屬性，而是“吃出來”的動態結果

這篇綜述的落點很清晰：淀粉類食物質構不是靜態的材料屬性，而是食物結構、口腔加工行為與人體生理響應三者相互作用產生的動態感知結果。咀嚼和吞咽中，機械破碎、唾液潤濕、酶解、食團形成和神經肌肉調控共同塑造了感知到的硬度、脆度、黏附性和彈性。肌電圖（EMG）通過量化肌肉激活模式、咀嚼努力、時間協調和吞咽相關活動，為捕捉這些動態響應提供了一條生理學路徑，從而補充了傳統質構分析、流變學和感官評價的不足，把食物結構性質與實時口腔加工行為連接起來。現有證據表明，EMG 在表征質構相關加工負荷、個體間差異、消化影響和吞咽困難等脆弱人群的吞咽問題方面尤其有價值。但其更廣泛的應用需要標準化實驗協議、改進信號解讀并審慎對待個體變異性。隨著可穿戴傳感、人工智能和仿生口腔加工系統的進步，EMG 有望推動淀粉類食品評價與設計，從靜態質構測量走向更生理化、個體化和智能化的框架。對食品科學研究者而言，這篇綜述最大的提醒是：當你下一次咬下一口米飯或餅干時，你感知到的“質構”其實是一場發生在口腔里的、可被電信號捕捉的動態事件。

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文章來源：微信公眾號曉食國際、《Decoding Complex Texture of Starchy Foods During Oral Processing: Electromyographic Insights and Future Horizons》