食品咀嚼不但是一个由中枢神经系统控制的生理学过程，而且是一个由食品机械特性及几何特性共同调节的物理学过程。咀嚼过程的分析有助于理解咀嚼机理，解释人们在摄入食品时的喜好程度和选择标准，评价食品质地，为食品工业的研究提供有力依据，并开发出更高质量的食品以满足消费者的需求，尤其是一些特殊群体，比如，儿童、老人、义齿佩戴者等等。由于咀嚼过程的复杂性和咀嚼时食品力学性能的变化，研究口腔咀嚼与食品破碎的相互关系成为食品界研究的一大难点。目前，关于食品属性和咀嚼过程联系的研究方法，包括一些硬件技术和软件技术，不能完成对食品变形、破碎、混合、传递的整个过程中力学行为的分析，有必要探讨一种新的再现食品咀嚼过程的方法。本文针对食品质地评价、提高咀嚼效率、咀嚼过程与食品物理属性关系问题，构建咀嚼过程的数值仿真模型，分析咀嚼过程中食品物料动态变化以及咀嚼方式对咀嚼结果的影响；并模拟物料在口腔中的流动过程，为咀嚼模拟机的运动机构设计提供理论支撑。主要研究内容如下：（1）模拟人类咀嚼肌的性质，研制了仿齿压头。利用CT断层扫描技术获得健康男子的上颌骨、下颌骨以及牙齿齿列结构，利用逆向工程技术研制了上、下第一磨牙的仿齿压头；采集人在咀嚼不同食品时的咀嚼肌肌电图，分析肌电信号变化规律，提取特征值；对咀嚼肌活动变化特征与仿齿压头测得的食品质地特性进行相关性分析，相关分析结果表明仿齿压头测得的质地特性与咀嚼肌活动变化规律的平均密切程度比普通质构仪压头高9.3%。说明仿齿压头能更好地反映食品的质地特性。（2）利用有限元法分析了咀嚼时下颌运动规律对食品物料破坏效果的影响。结合咀嚼时颞下颌关节运动理论和现代牙合理论构建了咀嚼运动的3种简化模式：切割模式、杵压模式、研磨模式。以上颌骨为参照物，将下颌骨假设为刚体，将咀嚼时下颌骨的运动分为匀速运动和3种不同形式的变速运动；切割模式以切牙为边界，杵压模式和研磨模式以第一磨牙为边界，分别模拟了3种模式不同运动规律下的食品咀嚼过程，引入联合强度理论，分析咀嚼后物料表面的应力分布。分析结果表明：与其它2种模式相比，研磨模式会产生更大的剪切应力和密赛斯应力，对弹性和韧性食品有良好的破坏效果；切割模式产生的主应力最大，适合切咬脆性食品；在研磨模式下，咀嚼速率越高，食品的破坏效果越好；加速度的变化对咀嚼效果的影响相对较弱，相比而言，加速度稳定变化时，会产生较大的剪切应力和密赛斯应力。用仿齿压头破碎试验验证速率变化对物料的破坏效果，证实了仿真结果。（3）利用离散元法建立咀嚼破碎模型，模拟食品的动态咀嚼破碎过程，分析食品在咀嚼过程中的形态以及力学行为变化。选取离散元中的粘结模型，将粒径相同的很多微颗粒粘结成一个球形颗粒团，用来代替球形食物颗粒，模拟球形食品在咀嚼过程中的破碎现象。任意两个微颗粒之间都存在粘结键，需要设置相应的粘结参数，包括：粘结半径、法向刚度、切向刚度、法向应力临界值和切向应力临界值。当咀嚼边界（牙齿）对食品施加作用力时，若微颗粒之间受到的法向应力和切向应力超过设置的临界值，则粘结键断裂，食品就发生破碎现象。使用咀嚼破碎模型之前，颗粒团中每个微颗粒的位置信息需要首先计算出来，具体方法是：模拟颗粒团的挤压形成过程，获得每个微颗粒的坐标位置；将所有微颗粒的位置信息形成数据文件，保存到咀嚼破碎模型的动态链接库文件中，再进行破碎过程模拟。用仿齿压头的物料破碎试验验证咀嚼破碎模型的结果，将物料受力的仿真值与试验值做一元线性回归，其判定系数均在87%以上，说明离散元法分析咀嚼破碎过程是可行的；对不同质地样品进行排序，咀嚼破碎模型分析结果与感官评价结果一致，说明咀嚼破碎模型可以代替感官进行质地评价。（4）利用离散元法构建不同形状的食物块模型，模拟不同形状同种食品的咀嚼破碎过程，分析几何形状对食品质地特性的影响。在离散元软件中，用不同形状边界挤压成不同形状的颗粒团，获得颗粒团中每个微颗粒的位置信息，利用咀嚼破碎模型对颗粒团进行破碎。离散元分析结果表明：相同截面积不同厚度的样品，厚度越大，硬度、弹性和断裂能量越大；对于硬度、回复性、内聚性、弹性和断裂能量5个指标中的任意1个指标，相同厚度相同体积不同形状的样品两两之间差异均显著，且圆柱体的断裂能量最小，最易断裂。用仿齿压头配合质构仪进行质地测试实验，验证离散元仿真结果，仿真值与试验值趋势一致，为质地分析时样品形状的选取提供了理论依据。（5）利用离散元法模拟了咀嚼时物料从舌块表面滑落的动态过程，优化了舌块表面的倾斜度，为咀嚼模拟机设计了最佳仿生舌块。研究口腔结构，依据逆向工程技术得到牙齿齿列、上颌骨和下颌骨模型，设计出贴合牙齿齿列的舌块模型，舌块为舌尖高、舌根低的空间对称斜面结构。变换舌块表面倾斜度，对物料从舌块表面滑落到磨牙区域的动态过程进行仿真，优化出物料滑落效果最好的舌块模型：水平倾角为10°、竖直倾角为20°，并加工成实物，提高了咀嚼模拟机的工作效率。综上所述，本文所做的基于有限元法和离散元法的咀嚼过程分析研究，有助于进一步理解咀嚼过程和食品力学性质的关系。有限元法能分析食品在破碎之前的变形过程，离散元法用于分析食品的破碎过程，两种方法再现了食品咀嚼过程，量化了咀嚼时食品在口腔中的动态过程，为咀嚼机理的研究提供了支撑，将质地评价和食品力学性质、断裂特性等联系在一起，提出了一种新的评价食品质地的方法。