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Theses Year : 2021

Biomechanical characterization of the tongue-food interface during the course of oral processing

Caractérisation biomécanique de l’interface langue-aliment au cours du processus oral

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Abstract

Food oral processing and associated biomechanics play important role in the dynamics of texture perceptions. This thesis was aimed to understand this biomechanics by designing novel in-vitro oral processing setups. Model tongues were fabricated from polyvinyl alcohol (PVA), which helped to mimic human tongue characteristics like rigidity and surface roughness. Furthermore, novel ultrasound techniques were developed for real-time analysis of the tongue-food-palate system. At first, the deformation of gelatin and agar gels over the model tongues were investigated during uniaxial compressions. Two ultrasound parameters (apparent reflection coefficient and time of flight) were identified as suitable for analyzing (i) tongue-food interface coupling and (ii) tongue deformations. The results showed that both tongue properties (rigidity, roughness) and food properties (rigidity and syneresis) were critical. The ultrasound method was then further developed to analyze bulk deformations of composite gels in context of perception of heterogeneity. For the first time, it was possible to observe in real time the deformation of each gel layer within the food and thus provide new knowledge to better understand the perceptions of texture heterogeneity.Moving forward, a new set-up that could perform more complex motion sequences (compression and shearing) was developed. It was equipped with three-axis force sensors to evaluate friction forces. The feasibility of the set-up was tested by measuring how friction coefficient values were affected by food properties (cottage cheese: mainly its viscosity and the presence of particules), tongue properties, and operational parameters (normal stress, shearing velocity). Increases in the surface roughness and bulk rigidity of the model tongue led to a pronounced augmentation of the friction coefficient values. Sensory analysis was also carried out to relate the mechanical phenomena observed with the two set-ups. The results confirm that beyond the physico-chemical characteristics of food, it is essential to take into account the tongue characteristics (and variability) in order to better understand the mechanical interactions which likely affect texture perceptions.
La transformation orale des aliments et la biomécanique associée jouent un rôle important dans la dynamique de la perception de la texture. Cette thèse avait pour but de comprendre cette biomécanique en concevant de nouveaux outils d’étude in vitro du processus oral. Des modèles de langues ont été fabriqués à partir d'alcool polyvinylique (PVA), ce qui a permis d'imiter les caractéristiques de la langue humaine comme la rigidité et la rugosité de surface. En outre, de nouvelles techniques ultrasonores ont été développées pour l'analyse en temps réel du système langue-aliment-palais. Dans un premier temps, la déformation de gels de gélatine et d'agar sur les modèles de langues a été étudiée lors de compressions uniaxiales. Deux paramètres ultrasonores (coefficient de réflexion apparent et temps de vol) ont été identifiés comme pertinents pour l'analyse (i) du couplage entre la langue et l'interface alimentaire et (ii) des déformations de la langue. Les résultats ont montré que les propriétés de la langue (rigidité, rugosité) et celles de l'aliment (rigidité et synérèse) jouaient toutes deux un rôle capital. La méthode ultrasonore a ensuite été développée pour analyser les déformations au sein de gels composites multicouches. Pour la première fois, il a été possible d’observer en temps réel la déformation de chaque couche de gel au sein de l’aliment et d’apporter ainsi des connaissances nouvelles pour mieux comprendre les perceptions d’hétérogénéité de textures.Pour aller plus loin, un nouveau dispositif permettant d'effectuer des séquences de mouvements entre langue et palais plus complexes (compression et cisaillement) a été mis au point. Il a été équipé de capteurs de force à trois axes pour évaluer les forces de friction. La faisabilité du prototype a été testée en étudiant comment les valeurs du coefficient de friction étaient affectées par les propriétés de l'aliment (fromage blanc : principalement sa viscosité ainsi que la présence de particules), les propriétés de la langue et les paramètres opérationnels (contrainte normale, vitesse de cisaillement). L'augmentation de la rugosité de la surface et de la rigidité de la langue modèle a entraîné une augmentation prononcée des valeurs du coefficient de friction. Une analyse sensorielle a également été réalisée pour mettre en relation les phénomènes mécaniques observés grâce aux systèmes expérimentaux mis en oeuvre. Les résultats confirment qu'au-delà des caractéristiques physico-chimiques des aliments, il est essentiel de prendre en compte les caractéristiques de la langue (et sa variabilité) afin de mieux comprendre les interactions mécaniques qui affectent les perceptions de textures.
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Dates and versions

tel-03543962 , version 1 (26-01-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03543962 , version 1

Cite

Rohit Srivastava. Biomechanical characterization of the tongue-food interface during the course of oral processing. Food engineering. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASB027⟩. ⟨tel-03543962⟩
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