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食品の微細加工に着目した食感のバイオメカニクス＜平成 22 年度助成＞

食品の微細加工に着目した食感のバイオメカニクス
伊能教

夫（東京工業大学大学院理工学研究科）

1.

緒

言造に着目した。具体的には微細構造を有する加工食品（煎餅、ビスケットなどのスナック菓子）を「食文化」という言葉が示すように、人間が食物研究対象として、加工食品の微細構造と食品の機を摂取するという行為には、単に栄養物を体内に械的特性との関係を調べた。

取り込むという以上の意味がある。すなわち、「食研究方法を図 1 のフローチャートに示す。左側

べる」という行為を通して人間が生きていることは、微細構造を有する加工食品を工業用 X 線 CTを実感する喜びである。特に、高齢者にとっては装置で撮影し、その断層画像から加工食品の構造食べる楽しみが生き甲斐に直結しており、若年層的特徴を画像分析する手順である。一方、右側は以上に「食べる」ことの重要性が高い。また、近X 線 CT 撮影で用いた加工食品に荷重試験を施し

年、咀嚼は脳機能との関連性も指摘されており1）、て荷重履歴を計測し、機械的特性を調べる手順で「食べる」ことが人々の QOL に多面的に貢献するある。そして両者を比較・考察することにより、との考えが広まりつつある。

加工食品の微細構造と機械的特性の関係を明らか

食品のあじわい（食味）は、味、形状、色、香り、にすることを目指す。なお、本研究では微小な荷食感などの複合感覚であるが、中でも食感は食味重と変位を計測可能な試験機を開発している。後の重要なファクターである。食品には種々の食感述するように、食品の微細構造の機械的特性は、があるが、なかでもパリパリ感、サクサク感のある

この試験機で計測した荷重履歴から求められる。

加工食品は食感が商品価値を決定づけるほど重要な食品意味をもつ。食感は食品栄養学の範疇であるが機械工学およびバイオメカニクスの観点から考察することで新たな発見と展望が開けると考えている。

X 線 CT 撮影

食感は多方面から研究されているものの 2）3）、主観的評価に頼っている場合が多く、食感のメカ圧縮試験による破粋実験三次元画像構築

ニズムの解明は十分とは言えない。そこで、本研
究では食感を客観的に評価する手法の確立を目指微細構造分析している。本稿では、食品の微細構造に着目して、構造力学的側面から食感に関する研究を実施したことを報告する。
2.

方法

本研究では、食感に影響を及ぼす食品の内部構比較・考察

図1

3.

機械特性分析

研究手順

X 線 CT 撮影による食品の構造分析
図 2 は、主原料は同じ（じゃがいも）であるが、食感に明確な違いのあるスナック菓子の断層画像

2

浦上財団研究報告書

Vol.19（2012）である。二つの食品の微細構造は明らかに異なっている。つまり、食品の微細構造は食感に大きく寄与している可能性が高い。そこで、食品の断面画像から構造の特徴を示すと考えられる特徴量を抽出し、これを用いて食品の特性を表現することを試みた。また、それらの特徴量を主成分分析し、分類法としての有効性を調べた。対象とする加工
食品は、市販の細長い棒状のスナック菓子８種類

図4

画像分析の注目領域

布する占有面積の標準偏差、Moment：表面近傍である。

への占有面積の偏りである。
（1）（2）

スナック菓子 A

スナック菓子 B（3）

X 線 CT 断層像

図2

スナック菓子の断面構造（4）

X 線 CT 画像は、円柱状のスナック菓子の長手方向に沿った断面を撮影したもので、1 画素の大

ここで、T：断層画像間のピッチ（mm）、N：占きさおよび隣り合う断層画像間のピッチは 18μm

有面積を算出できる断層画像の全枚数、Di：表面である。図 3 は実際の断層画像であり、暗部が空から直径方向に数えて i 番目の画像の占有面積、気、白色部がスナック菓子の生地を示している。

n i：i 番目までの画像の枚数、A：注目領域の面積

撮 影 に は マ イ ク ロ X 線 CT 装 置（ScanXmate-（ mm 2 ）である。また、注目領域の大きさを示す

A130SS940）を用いた。

W、L はどちらも 2 mm として算出した。
これらの特徴量で主成分分析した結果を図 5 に示す。第一主成分の寄与率は 0.457、第二主成分の寄与率は 0.372 で、第二主成分までの累積寄与率は 0.829 であった。このことから、図 5 の散布
図は元の特徴量が有していた情報をよく表して図3いると考えられる。各主成分の意味について考
特微量抽出のための CT 画像

えると、第一主成分は Moment と Average が同程

特徴量抽出に際して注目したのは、図 4 に示す度寄与している量で、Variance も先の 2 種類に比ような特定の注目領域における生地の割合であべて弱いながらも影響を与えていると言える。一る。今回は、この値を便宜的に占有面積と定義し、方、第二主成分は Size とほぼ平行であり、これか式（1）〜（4）に示す 4 つの特徴量を調べた。すなら最も大きな影響を受けている。また、Average、わち、Size：スナック菓子の代表寸法、Average：Variance は第二主成分に対して正の相関があるの直径方向の平均占有面積、Variance：直径方向に分に対し、Moment は負の相関があるということが3

食品の微細加工に着目した食感のバイオメカニクス

ただし、この分析法のみでは構造と機械的特性の関係は明らかではない。そこで両者を関連づけるための実験計測を行うことにした。
4．加工食品の局所的物性の測定
幾何学的な内部構造を機械的特性と関連づけるには、荷重履歴を調べる必要がある。従来から食品の荷重履歴は重要と認識されており、ヤング率や破壊強度などの物性を計測する研究は数多く報告されている 4）〜 7）。しかし、その多くはマクロ的な挙動を調査することを目的としており、微細図5

スナック菓子断面構造の主成分分析

構造との関係を調べた研究は食品関係では、ほとんどない。
図 6 は、通常のテクスチャーアナライザ（小型わかる。
各試料の位置関係を見ると、第一に、試料 A卓上試験機）を用いて、上述した 8 種類のスナッが第二主成分に関して他の試料より明らかに小さク菓子の荷重履歴を測定した結果の一例である。

いことがわかる。これは第二主成分に大きな影響

ここで得られるマクロ的な荷重履歴の変動に着目を与えている S i z e が試料 A と他とで大きく異なっして、variance に相当する構造的特徴との相関をていたことを意味する。第二に、試料 B、試料 D、調べてみたところ、これらの間に明確な相関を見

試料 G の一部が Average 、Variance において大き出すことは難しいという結論を得ている 8）。ただな値を有していたことが見てとれる。また、
試料 B、し、荷重の細かな変動については、食品の局所的試料 G は Average 及び Variance のベクトルに沿っな破壊によるものであり、食感に重要な特徴と考て分布しており、Moment に対してはごく狭い範囲えられる。その理由は、これらの変動は全体の荷に集中している。これに対して、試料 D は個体差重履歴と比較すれば微小であるが、人体の歯根膜が少なく、構造の均質な試料であったことがわかる。に内在する機械的受容器はこの変動を知覚するだ

Load

図6

通常の荷重試験機によるスナック菓子の荷重履歴

4

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Vol.19（2012）

けの感度を有しているからである 9）。つまり、微位の計測を要する。そこで本研究では、このオー小な変動は多彩な食感の重要なファクターとなっダの荷重と変位を計測可能な試験機を新たに開発ている可能性が高く、バイオメカニクス的観点かした。図 7 および図 8 に、開発した微小荷重試験

ら局所的な機械的特性も把握しておく必要がある機の構成と組立後の全体像を示す。また、表 1 にと考えられる。このことから本研究では、スナッ

本計測装置の仕様を示す。荷重を加える圧子の位

ク菓子の微小領域の機械的特性、特にヤング率を置制御は 1 ステップ 8 . 3 nm で動作するピエゾア計測することに重点を置いた。

クチュエータ（PI 社製 P-625 1CL）で行っている。

微小荷重試験機の開発

荷重履歴は、荷重分解能 100μ N の高感度ロード

4.1

微細構造の機械的特性を測定するには、局所的セル（A&D 製 LC-4001）を用いて測定している。

な箇所の荷重履歴を計測する装置が必要になる。

また、変位計測には繰り返し精度 0.913μm のレー本研究では、１辺が 100μm 程度の対象領域の機ザー変位計（KEYENCE 社 製 LK-H027K）を用械的特性を取得することを目指しているため、こいた。の測定には、mN オーダの荷重とμm オーダの変表1

微小荷重試験機の仕様

図９に試験片を載せた圧子部を示す。圧子部がスナック菓子と接触する位置は、二つのビデオカメラで観察して確認している。これは、有限要素解析において荷重点の位置の決定として重要である。
測定データは 0.1 kHz でサンプリングし、データロガーに記録している。測定結果の一例を図 10に示す。図では 10 分の 1 にデータを間引いてい図7

図8

微小荷重試験機の構成

本研究で開発した微小荷重試験機

るが、スナック菓子の生地に圧子が接触してから

図9

試験機の圧子部

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食品の微細加工に着目した食感のバイオメカニクス

図 10

微小試験機による荷重履歴曲線の一例

線形的に荷重が増加していることがわかる。後述

図 11

スナック菓子の試験片

図 12スナック菓子の試験片するようにこの増加関係を利用して局所的なヤング率を算出する。
4.2

機械的特性の推定手法

対象物の微小領域のヤング率を測定するために、筆者らは以下に示す算出手法を提案している 10）。
Step 1. スナック菓子から 10 mm3 程度の小片で試験片を作る。このとき試験片が食品内のどこに位置していたかを記録しておく。
対象としたスナック菓子の小領域を 図 11に、小領域を取り出して作成した試験片の一例を図 12 に示す。

試験片から作成した解析モデルと応力解析のStep 2. 試験片の工業用マイクロ X 線 CT 画像を結果を 図 13 に示す。有限要素モデルは、要素数撮影する。本実験では画像解像度を 26μ m

約 57 万要素、節点数約 70 万である。有限要素解と設定し、512 × 512 ピクセルの画像で撮

析は、本学に設置してあるスーパーコンピュー影した。

タ TSUBAME 2.0 で行った。解析ソフトウェアは

Step 3. 撮影した X 線 CT 画像から有限要素モデ

MD-NASTRAN 2010 を使用した。

ルを作成する。モデリングにあたっては、ヤング率の推定方法を以下に示す。試験片は小CT 画像からスナック菓子の生地の存在領域区間では均質で物体の変形過程は線形である

領域を２値化処理した画像データを使用と仮定すると、変形Δd とヤング率 E の関係は次する。有限要素は、１辺 26μm の立方体式で表される。

ボクセルで表現する。

E Δ d = Const.

（5）

Step 4. X 線 CT 撮影した試験片に対して、微小さらに、右辺の定数は試験片の形状情報と境界荷重試験を行い、荷重履歴を計測する。

条件によって定まるため、有限要素解析の結果とStep 5. 試験片の有限要素モデルに荷重試験と同荷重試験の結果では共通の定数をもつことにな等の境界条件を与えて、計算機上で変位量を求める。

り、次式が成立する。
Ea Δ da = Ec Δ dc

（6）

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浦上財団研究報告書

Vol.19（2012）

ここで E a は有限要素モデルに対して仮定した

表2CT 値とヤング率の関係ヤング率である。つまり、解析の段階では有限要素モデルに適当なヤング率を設定して応力解析を行う。この解析によって得られる変位量がΔ d aである。また、Δd c は圧縮試験における試験片の変位である。具体的には 図 10 の赤線で示した傾600MPa 程度の値となっている。通常の荷重試験きから決定される。E c は、求めるべき試験片の機を使用した図 6 のような荷重履歴のデータからヤング率である。結局、式（6）の中で未知数は E c

ヤング率を算出した場合は、2MPa 程度となる（スのみであるため、試験片のヤング率を推定できる。

ナック菓子の直径 8 mm、圧子の直径 5 mm と設本手法では、X 線 CT で計測可能な大きさの幾定して算出）。つまり、マクロ的な機械特性とは何学的構造であれば、たとえ不定形で複雑な構造非常に異なる値になっており、微小領域の機械的であっても有限要素モデルに反映されるため、従特性を調べる意義があると考えている。

来のマクロ的な計測方法に比べて詳細な物性データを得ることができる。

また今回の測定実験では、試験片はまだ 3 個のみであるが、値に大きな違いがあることがわかる。

また、 図 13 の応力分布をみると応力発生箇所

試 験 片 No. 2 は、 外 側 付 近 の 計 測 で 算 出 さ れ たは数十μm の領域に限定されている。つまり、こヤング率であり、内側の領域で計測された No.1,の領域で歪みが発生しており、これが荷重試験機

No. 3 のヤング率と比べると高い値になっている。の変位量となっていると考えられるので、この領これは、スナック菓子の製造工程で生地の加熱に域のヤング率を算出していることになる。このこより、外側と内側で物性の違いが出ているためでとから試験片の大きさに依らずに、圧子の場所をはないかと考えられる。このように熱処理による変えることにより数十μm の領域のヤング率を求

生地の物性変化も調べられる可能性がある。

めることができる可能性がある。

今後、計測点を増やした実験を行うとともに、食感の異なるスナック菓子を対象として詳細に機械的特性を調べていきたい。
5.

結論

本報告では、食感を生み出す重要なファクターと考えられる食品内部の微細構造に着目し、局所的な機械的特性を測定する実験装置を開発した。
そして、有限要素解析と組み合わせることで数十μm スケールの領域のヤング率が算出可能であることを示した。微細構造の機械的特性に関する研図 13

有限要素モデルと応力解析結果の一例

究は、端緒についた段階であり、今後、種々の条件で実験計測を行っていく必要がある。この研究

4.3

ヤング率算出値

上述した方法によって得られたヤング率を 表2 に示す。算出されたヤング率は、100MPa からを進めることにより、多彩な食感を生み出す微細構造と機械的特性の関係が総合的に議論できるようになると考えている。

食品の微細加工に着目した食感のバイオメカニクス

謝辞
本研究を遂行する上で、多大な研究助成金を賜りました浦上食品・食文化振興財団に心より感謝の意を表します。
文献1) 成田紀之：咀嚼と前頭前野，日本咀嚼学会雑誌，Vol.18-1,pp.12-21 (2008)2) 西成勝好 ，大越ひろ，神山かおる，山本隆：“食感ハンドブック”，サイエンスフォーラム (2005)
3) David Kilcast: “Texture in food Volume 2: Solid foods”,
Woodhead Publishing Ltd. (2004)
4) Szczesniak, A. S., Brandt, M. A. and Friedman, H.:
Development of standard rating scales for mechanicalparameters of texture and correlation between the objective
and sensory methods of texture evaluation, Journal of Food
Science, Vol.28, pp.397-403 (1963)75) Vincent, J. F. V.: Application of fracture mechanics to thetexture of food, Engineering Failure Analysis, Vol. 11, pp.
695-704 (2005)
6) 和田淑子 : 焼き菓子のテクスチャーと物性に関する研究 ，日本家政学会誌 ，Vol.50-9，pp.903-914 (1999)
7) 中野典子 ，森奥登志江：クレープ生地の物性と官能特性に及
ぼすそば粉の影響 ，調理科学 ，Vol . 23-2, pp.174-179 (1990)
8) 門脇廉，小関道彦，木村仁，伊能教夫：食感のバイオメ
カニクス（加工食品の内部構造に関係する破砕時の荷重履歴の特徴量），M ＆ M2009 材料力学カンファレンス，CDROM，PS13 (2009)
9) Manley, R. S., Pfaffman, C., Lathrop, D. D. and Keyser, J.:
Oral sensory thresholds of persons with natural and artificial
dentitions, Journal of Dental Research, Vol.31, pp.305-312(1952)
10) Ren Kadowaki, Hitoshi Kimura, Norio Inou: Mechanical
Property of Crispy Foods Focusing on the Microstructue,
The 6th International Conference on Micro Manufacturing
ICOMM/2011, pp.685-690 (2011)

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浦上財団研究報告書

Vol.19（2012）

Biomechanical study of food texture based on
micro-structure of crispy foods
Norio INOU
Department of Mechanical and Control Engineering
Tokyo Institute of Technology
This study deals with examining characteristic mechanical properties of crispy
foods. Crispy foods have a variety of inner structures and consequently have non-uniform
mechanical properties in the foods. These characteristics may be closely related to foodtextures, but there are few reports on the theme.
To examine the characteristics of non-uniformity of the foods, we examined structural
patterns on cross-section of crispy snacks with principal component analysis. Eight kindsof commercially available crispy snacks were scanned by an industrial X-ray CT. The crosssectional images for the each subject were evaluated by the four characteristics: scale ofthe subject, existence rate of food material for specified area of the object, variance of foodmaterial for a specified space of the object, and deviation of food material. The principal
component analysis showed that these four characteristics were useful indications to classify
the crispy snacks from stand point of structural pattern. However, the mechanical propertiesof the snacks are not cleared from this analysis.
For examination of mechanical properties of the crispy snacks, we developed acompression testing machine on the micro-scale level and proposed a new estimation
method of Young’s modulus of crispy foods. The machine obtains a load-deflection curve
compressing a specified point of a test piece with 10 -3 Newton order loading force and 10 -6
Meter order displacement.
Using the compression testing machine, we estimated Young’s modulus as the following
procedures. First, a small test piece was made from a snack and the cross-sectional CT
images were obtained. At the same time, a compression test with the test piece was performed
and the load-deflection curve was obtained. Second, the individual finite element model was
made based on the CT images. Third, stress analysis was performed. Since Young’s modulus
of food material of the snack on the micro scale level is unknown, a temporary Young’smodulus Ea was given to all finite elements. The boundary condition of the model was set as
to be equivalent of the compression test. From the analytical result of deformation Δda, wecan finally estimate Young’s modulus Ec by the equation EaΔ da = EcΔdc because we know
Δdc from the experimental data on the compression test.
The estimated values of Young’s modulus showed 100-600 MPa on micro-scale level
whereas 2 MPa was estimated from a common compression test on the macro-scale level. It
is cleared that there is much difference in Young’s modulus between micro- and macro- scalelevel. The proposed estimation method of mechanical property will be useful for developing
new crispy foods.