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日本バーチャルリアリティ学会誌第 18 巻 2 号 2013 年 6 月

食と VR特集 ■ 食と VR

食感測定装置による食物の食感評価法の開発について

櫻井直樹

広島大学

Sakurai Naoki

それでは，何処で判断しているのであろうか ?

1．はじめに日本人ほど食感に敏感な国民はいないように思える．

歯医者で歯を削られるとある深さから途端に激しい痛“ 沢庵ポリポリ，お茶漬けサラサラ ”，という表現を外国みを生じる．歯の内部に神経が走っているからである．

語に直すことは難しい．ここで，使われるポリポリや，この神経は，虫歯ができると痛むが，ものを食べるときサラサラは日本語では，畳語という範疇に入る語だそうの振動を感知していると考えられる．つまり食物を破壊だ．これが沢庵ではなく，白菜の漬物ならその食感をあするときに生じる音の元になっている振動は，まず歯でらわすのに別の言葉が用意されている．このように，日感知されているということになる．それでは歯はどれほ

本語では食物の食感を表す言葉が豊富だ．食感の中にどの振動を感知しているのであろうか ?

はモチモチ，ネチョネチョなど明確な音を発生しない語

ヒトの振動に対する感覚はとてつもなく敏感である．

もあるが，ポリポリ，ガリガリ，カリカリなどは音を発皮膚の下には，メルケル細胞，マイスナー小体，ルフィ生する食感を表している．しかし，どれほど “ ポリポリ ”

ニ終末，パチニ小体の 4 種類の感覚器官がある．パチニしているかという数値化は大変難しい．2 つを比べれば小体は 1kHz の振動にも反応する．まだ歯が感じる振動どちらがポリポリしているかを判断できるが，昨年食べについての研究には不明の点が多いが，歯がポテトチッた沢庵と今日食べた沢庵の食感を比較することはほとんプスや，クッキーを食べたときの振動の違いをとらえてど不可能である．
そこで，食感を数値化する方法を考えた．

いることは，間違いないであろう．

食物を口に入れて咀嚼するときには多かれ少なかれ音
3. 装置の開発が発生する．その音は，歯が食物を破壊しているときに生じていることは言うまでもない．ということは，そのさて，冒頭に述べた “ 沢庵ポリポリ ” であるが，日本

音は歯が食物を破壊するときに発生する振動が空気中を語にはこれ以外にたくさんの食感を表現する言葉があ伝わったり，頭蓋骨の骨を伝ったりして耳に到着して聞“ パリパリ ”，“ ボリボリ ”，“ シャキシャキ “ などである．
る．

こえているのであろう．それでは，ヒトは食物が破壊さこれらはすべて振動 ( 音 ) に関する言葉のように思える．
そこで，歯が感じる振動をそのまま測定できれば，食れるときの音を耳で聞いてそれを基準に食感を判断して感が数値化できると考えた [2]．その装置の概要を図 1 にいるのであろうか？ここに興味深い研究がある．

示す．プローブは歯に相当し，それを食物に挿入する構
2．食感は音か振動か？

造となっている．まず振動を検出する素子に，ピエゾ素

Chirstensen と Vickers [1] は 1982 年，被験者の耳にヘッ子を用いた．これは振動を電圧変化で出力し，また，電ドホンをつけさせ，大音量の音楽を聞かせながら，クッ圧変動を与えることで素子に振動を起こすことのできるキーの食感を判断してもらった．
その結果，被験者はクッものである．

キーを食べる音がまったく聞こえなくても，正確にクッ

この装置の特徴は 2 つある．

キーの食感を評価することができた．このことは，耳だひとつ目は，プローブの駆動構造である．従来食品工けで食感を評価しているのではないことを示している．

学で用いられてきた食品物性測定装置でもプローブを食

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うドレミファの音程は，周波数が 2 倍になると 1 オクターブという規準が与えられている．例えば 440Hz はピアノの鍵盤の中心から少し右の “ ラ ” の鍵盤を抑えたときの音である．この 1 オクターブ上の音はやはり “ ラ ” と呼ばれるが，その周波数は 880Hz である．またその上に同じラが出てくるが，その “ ラ ” の音は，1760Hz であり，1320Hz（880 ＋ 440Hz）ではない．このように音程については，ヒトの耳は 2 倍をひとつの単位（まとまり）として聞いている．また，音の大きさ（強さ）につ

図 1 食感測定装置の原理

いても dB という値が一般的に使われているが，これも普通の比例関係ではなく，音の強さの対数値がヒトの音品に挿入する構造を有しているが，その駆動方法はモーの聴覚に比例していることを利用して定められたものでターと歯車によるものである．著者は従来の装置に図 1ある．つまり，音の大きさが 10 倍になって，はじめてのプローブとピエゾ素子をつけて測定してみたが，駆動10dB 増加する．100 倍になると 20dB 増加することにな

時に非常に大きな振動ノイズが生じていることが分かっる．1000 倍は 30dB の増加となる．

た．そこで駆動部を，シリンダーとピストンを用いた液このようにヒトの感覚では，倍数をひとつの単位とし体駆動にした．これによりプローブを駆動するときの振て感じるようになっていることを利用して，データの前動が大幅に軽減され，食感を示す振動測定を邪魔しない処理を行なうことにした．まず食品にプローブを挿入しことが分かった．て得られた振動の電圧データを，フィルターにかけて，2 つ目は，振動の検出素子としてピエゾ素子を使った

特定の周波数の窓を通ってきたものを別々に取り扱うこ点である．従来の食品物性測定装置で用いられている検とにした．そのときに，ヒトが聴覚で感じることのでき出素子は，力の変化を検出するひずみ計というものである最高値が 20000Hz であることを考慮して表 1 のようる．ひずみ計は，力の変化に対応した電圧を出力するのな帯域に振動を分けた．

で，力を測定するには向いているが，振動を測定するに表 1 振動数のフィルター周波数は向いていない．実際，200Hz（1 秒間に 200 回の振動）以上の振動をうまく測定できないことが分かった．ピエ帯域番号

ゾ素子の代わりにいわゆる振動測定によく用いられる加12345678910111213141516171819

速度センサーを使ってもよい．
これでプローブを食品に挿入したときの振動は電圧の変化としてとらえることができた．次はそれをどのように数値化するかである．
これまで，食感を測定する方法として食品を被験者に噛ませて，その音をマイクでとる方法なども報告されている．この場合，取得した音のデータは高速フーリエ解析にかけることが多かった．フーリエ解析とは，ある程度連続した時間の振動を解析し，どのような音の成分からできているかを解析する一般的な方法である．周期的な波が含まれていると威力を発揮するが，食品の破壊音のような短時間で終わる非周期的なデータの解析には向いていない．そこで，まったく新しい解析を行なうことにした．

周波数0〜1010〜5050〜100
100〜140140〜200
200〜280
280〜400
400〜560
560〜800
800〜11201120〜1600
1600〜22402240〜3200
3200〜4480
4480〜6400
6400〜8960
8960〜12800
12800〜17920
17920〜25600

最初は 0 〜 10，10 〜 50，50 〜 100 と分けているが，次4. データの前処理（多窓フィルター）からは半オクターブフィルターと呼べる 19 帯域とした．

ヒトの耳は面白い性質を持っている．例えば音楽で使35

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5．電圧の波形処理と食感指標の計算法 [3]すなわち 100 の次は 100× √ 2 にあたる 140Hz とした．
最高値が 25600Hz となっている．25600Hz までを，1 オ

図 4 に様々な野菜を噛音で取得した，フィルターにかクターブずつで分けると，わずか 9 帯域しか設けられなける前の電圧データを提示した．ダイコン，スイカ，リいので，食感の評価が余りにも大雑把になる．そこで，ンゴの果肉にプローブが挿入されると，それに応じてプ

半オクターブという概念を採用した．

ローブが振動し，それが出力電圧の振動となってデータ

このフィルターの概念を図 2 に示した．これにより，が取れる．一方，キュウリのようにプローブが刺さってフーリエ解析では評価できなかった振動の高低に応じたいくと，果肉が途中で割れるものは時々スパイクのようデータが解析可能となった．高い音を多く含む食物は帯な信号が出る．トマトはこの中では一番柔らかいので，域の高いフィルターを通ってくる信号の強さが大きく，振動強度は一番小さい．最下段の 3 つのデータは，葉物逆に低い音を多く含む食物は帯域番号の小さなフィル

野菜で，それぞれ一枚の葉っぱにプローブを突き刺したターを通ってくる信号の強さが大きくなる．

ものである．どれもひとつのスパイク状の信号しか取れていない．この信号はプローブが葉を突き破る瞬間の振動データで，時間長では約 30 ミリ秒である．データ取得スピードを 100kHz にしているので，1 秒間に 100000個データが取れる．それで 30 ミリ秒でも，3000 個のデータが取れる．このようにすれば，非常に短いスパイク状の信号でも分析ができることが分かった．
次に，これらの上下する電圧値をどのようにして食感

図 2 振動による食感測定の半オクターブフィルター原理以上の装置と原理を一体化した最新の装置を図 3 に示した．ポンプで送液する液体はシリコンオイルを用いている．プローブを駆動するピストンをおさめるシリン
ダーは真鍮製にして，固有振動数を 30000Hz 以上にした．
プローブの形状は，例えば，前歯（門歯）なら，マイナスドライバー型を，また犬歯なら三角錐を用いている．

図 4 食感測定装置 （噛音 ) で取られたフィルターを通す前の電圧振動データ
ダイコン， スイカ， リンゴ， キウリ， トマトは矢印の間隔のデータを解析した．

奥歯（臼歯）も食感には重要であるが，金属で作るのはキャベツ， 白菜， レタスのような葉物野菜は， 矢印で示したように， 非常に難しく，また，臼歯は上下方向だけでなく，水平方向に短い信号しか取れない．

も動くので，更なる工夫が必要であろう．の指標にするかである．振動は物体が運動することによるので，その運動を 2 乗するとエネルギーに相当する値
E ＝（1/2）mv2 となることを利用して，以下のように定義した．
2食感指標（Texture Index, TI）＝ ∑（v ）/n（データ数 n あるいは時間 t）
ここで v はプローブの振動速度である．センサーから出てくる電圧値（V）とプローブの振動速度（v）の間には

図 3 食感測定装置 ( “噛音” )以下のような関係がある．

左がノート型パソコン右が送液ポンプ， 真ん中がプローブとそれを駆動するピストン．

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センサーとしてピエゾセンサーを使った場合，ピエゾセンサーが位置に関する信号を出力していると仮定するとｖ⋍ V×ｆとなる．ここで，ｆはその振動周波数である．
センサーとして，加速度センサーを使った場合，出力電圧は加速度と比例するのでｖ⋍ V/ｆ

図 5 野菜と焼き菓子の食感指標 (TI) の比較＊口絵にカラー版掲載となる．
そこで，食感指標は，センサー別に定義することがで特徴が現れている．

きる．

キャベツはこれらの野菜の中で一番食感値が高い．特に中音域（200 〜 800Hz）と，高音域（4480 〜 6400Hz）

センサーがピエゾ素子の場合にその特徴がよく現れている．また，同じ葉物野菜でも白菜はまったくキャベツとは異なる特徴を示す．すな

TI ＝∑（V× f）2/n ＝ （f 2/n）× ∑（V 2）

わち，100 〜 140Hz の値が高く，これは “ ザクザク ” 感を示すように思える．また，800 〜 1600Hz の値も高い．

センサーが加速度センサーの場合

これをキャベツと比較すると，キャベツのシャキシャキ感は 4480 〜 6400Hz に現れているように思える．

TI ＝

222

∑（V ／ f） /n ＝（1/nf ）× ∑（V ）一方焼き菓子のほうでは，すべてのグラフに 3 つの山が見える（上向の矢印）．これが焼き菓子の特徴とTI は帯域別に定義されるので TI は 19 個計算される．

言えるであろう．またその中で一番指標が高いのが日また上式で使われているｆは帯域の中心周波数になるの本のおかきであった．クラッカー，ビスケット，パイ，で，その 2 乗は帯域の下側と上側の数字を掛け合わせた

ラスクはこの順番に指標が並んでいる．特にクラッカー

ものに等しくなる．例えば表 1 の第 4 帯域で示せば，下は 800 〜 6400Hz までが，ビスケットなどに比べて高い

2限周波数は 100Hz 上限周波数が 140Hz なので f ＝ 100×のでクラッカーのパリパリ感はこのあたりに出ている

140 ＝ 14000 となる．n はデータ数でもよいし，単位時可能性がある．また，焼き菓子の中ではクッキーの指間（秒）でもよい．したがって TI は単位時間当たりの標が一番低かった．特に，2240Hz 以上の指標が，他のプローブ振動のエネルギーに比例し，エネルギー密度の焼き菓子に比べて低いので，これがクッキーの特徴をような量を表す．

現しているのではないかと考えられる．つまりクッキーは，パリパリしていないことを示していると言える．
このほかに，ネギ [4]，キャベツ [5] やポテトチップス [6]6. 野菜，果物，焼き菓子の食感の測定例
図 5 に野菜と焼き菓子の食感指標のグラフを示した．の食感も報告している．

縦軸はヒトの音などに対する感覚と比較するために対数

図 6 に異なる食感を持つブドウ 9 品種の測定例を示し軸とした．横軸は 19 の帯域をとっている．まず，野菜た [7]．昔はブドウといえばデラウエアしかなかったが，と焼き菓子を比べると，全体的に焼き菓子のほうが食感

最近はパリパリした食感を持つ，例えばシャインマス指標が高い．左のグラフの野菜だけに注目すると，トマカットのような品種が好まれるようになって来た．
また，トがすべての帯域にわたり一番低い値を示している．ト

食感がそれらの中間のものも存在する．そこでこれらのマトは噛んでもほとんど音が出ないが，振動データとし品種別の食感が食感指標で区別できるかを検討した．すてはこのように表現することができる．つまりマイクロると特に，10 〜 280Hz までの帯域で 3 者が区別できるホンよりも感度がよいことになる．また，野菜によってことが分かった．また，3200Hz 以上の帯域では 3 者の37

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 18 巻 2 号 2013 年 6 月

食と VR

感指標のグラフとヒトの感性とを対応させる研究も必要となろう．
食感がヒトの感覚器を通して脳に投影される現実世界の写像であるとすれば，それを数値化する試みは，ヒトの食感を説明するためのバーチャルリアリティ技術として今後利用されると期待される．
参考文献[ 1 ] Christensen, C.M. and Z. Vickers: J. Food Sci. 46,
pp.574-578（1981）[2] Sakurai, N., S. Iwatani, S. Terasak and R. Yamamoto : J. Japan.
Hort. Sci. 74, pp.31-35（2005）[3] Iwatani, S., H. Akimoto and N. Sakurai : J. Food Engineering

図 6 食感の異なるブドウの品種の比較

115, pp.26-32（2013）[7] Postharvest Biol. Technol. 62, pp.305-309 （2011） より転載

[4] Taniwaki, M., T. Hanada and N. Sakurai : J. Japan. Soc.
Hort. Sci. 75, pp.410-414（2006）[5] Taniwaki, M., M. Takahashi, N. Sakurai, A. Takada and M.

指標に差がないので，このあたりはブドウの食感としては評価されていないのかもしれない．またこのグラフか

Nagata: Posthrvest Biol. Techol. 54, pp.106-110（2009）

ら，最もパリパリした食感を持つ品種はオリエンタルス[6] Taniwaki, M., N. Sakurai and H. Kato: Food Res. Internaional
43, pp.814-818（2010）

ターで最も軟らかい食感を持つものは，ノースレッドで[7] Iwatani, S., H. Yakushiji, N. Mitani and N. Sakurai : Postharvestあることも分かった．最も軟らかいノースレッドを噛んBiol. Technol. 62, pp.305-309（2011）

でもほとんど音がしない．
しかし，食感測定装置のプローブはその振動をこのようにとらえることができる．このデータを年度ごとに取れば，年度ごとの各品種の食感が総説評価できる．ヒトの食味試験では，1 年前の食感を記憶

・櫻井直樹：音響振動信号による野菜の食感の評価法，
野菜情報 73, pp.28-35（2010）

し続けることはほとんど不可能に近い．しかし，このように機械で測定された食感の数値は年度ごとの比較も容・櫻井直樹：新しい食感評価法と装置，ジャパンフード
サイエンス 2010-5, pp.56-63（2010）

易である．
この図 6 のデータは楔形（マイナスドライバー型，門・ 谷 脇 満， 櫻 井 直 樹： お い し さ と 音，Food & Food
Ingredients Journal of Japan 216, pp.316-322（2011）歯型）のプローブを用いて取られたものである．犬歯型（三角錐）のプローブを用いた場合は，これほど明瞭な違いが現れなかった．三角錐のプローブではブドウ果肉【略歴】に突き刺しても，取れる振動信号が弱かったためと思わ

櫻井直樹（SAKURAI Naoki）

れる．

広島大学大学院生物圏科学研究科教授

1977 年大阪市立大学理学研究科博士課程修了（理博）
1980 年広島大学総合科学部助手，1988 年広島大学総合

7．まとめ
以上のように，プローブを食品に挿入するときの振動科学部助教授，1991 〜 1992 年カリフォルニア大学デーを，そのまま電圧変化としてとらえる装置を用いると，ビス分校研究員，1993 年広島大学総合科学部教授．専

これまで測定が困難であった食物などの食感が数字とし門は植物生理学．著書『植物細胞壁と多糖類』，『植物生て評価できることが分かった．

理学入門』．

今回の測定では，プローブの挿入スピードはすべて同一（22 ㎜ / 秒）であったが，挿入スピードを変化させる，すなわちゆっくり噛む，早く噛むことによる違いがあるのかどうかを検討する必要がある．また，食38