J. Future Foods | Stevens定律和感官的衍生性

ZHEJIANG GONGSHANG UNIVERSITY
浙江工商大学食品与生物工程学院

LABORATORY of FOOD ORAL PROCESSING,

ZHEJIANG GONGSHANG UNIVERSITY

食品口腔加工实验室（中国 · 杭州）

（图源网络，侵删）

近日，Journal of Future Foods创刊号发表了浙江工商大学食品口腔加工与感官科学研究所陈建设教授为第一和通讯作者的研究论文，“The Stevens law and the derivation of sensory perception。这篇文章是继去年的论文“It is important to differentiate sensory property from the material property” (Trends in Food Science and Technology, 96, 268-270) 本研究所在食品感官心理物理学研究领域的又一项重要研究成果。

在这项研究中，作者重新审视了Stevens理论的两个重要缺陷，提出了Stevens定律的修正和衍生感官的新概念。

（图源网络，侵删）

Stevens定律是著名心理学家Stevens在1962年提出的感官心理物理学定律，在感官心理物理学领域具有里程碑意义。该定律以这一简单的数学公式，巧妙地将两个完全不同的性质（即人的感官认知强度、S和材料的感官刺激强度（即材料性质）、I）结合起来:

S = kI^n

式中k为常数，n为指数，代表感官强度与材料性质之间的关系。当n = 1时，人的感官强度与材料的性质刺激强度成线性相关；当n > 1时，说明人的感官相对敏感，其强度的增加快于材料性质强度的增加（如人对电刺激）；当n < 1时，人的感官相对迟钝，其强度的增加要明显小于材料性质强度的增加（如人对味道的感知）。Stevens本人及许多感官科学家对这一定律做了大量的实验验证，并得出了一系列感官性质的指数值。例如，研究发现人对电刺激的反应非常敏感，感知强度要大大高于该物理刺激强度的仪器增加值（n = 3.5），而人对于许多味觉感知，n指数都小于1，说明人的味觉敏感性要明显低于味觉刺激强度的增加。

毫无疑问的是，Stevens定律将人的主观感知与材料刺激性质建立定量的关系，在感官心理物理学领域具有里程碑式的意义，因此受到了广泛的肯定。但是Stevens定律有两个基本缺陷或不足：一是Stevens的数学表达不自洽，等式的左边是人的感官描述，不具有量纲，而右边则是物理刺激量，必须具备量纲。这就造成公式左右两边不自洽的尴尬。在实际应用中会对物理刺激的量纲采用造成困惑。不同的物理量纲（如用摩尔浓度或百分比浓度）会带来不一样的结果。二是该理论只能适用于单一刺激的感官表达，而不能解释包含多项刺激（如酸甜度、奶油感等）的感官表达。

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为了解决Stevens定律不自洽的问题，本研究提出了用物理刺激的相对强度代替绝对强度的方法，来修正Stevens定律，即

S = k (I/I0)^n,

式中，I0是该物理刺激的感官阈值（即最低感知到的刺激值）。修正后的Stevens公式成为无量纲的公式，从而达到自洽（见图1）。因此，在感官分析实践中无论采用什么量纲表达感官刺激强度，都不影响其使用的有效性。

图1. 修正后的无量纲Stevens定律，(a) 人的感官强度与相对物理刺激强度的对数关系；(b) 人的感官强度与物理刺激的绝对强度之间的对数关系，其中截距为k’ (k’ = -nlnI0)

同时，本文对修正的Stevens定律的可行性进行了初步测试，通过对常见的甜度感官及其阈值测定，确认了修正的Stevens定律可以有效的解释感官的心理物理学现象，修正的定律可以简化物理刺激量的计算，而实际上不影响其最终的指数值。

Stevens定律另一个明显局限是其只能应用于少量的单一刺激的感官性质（如甜度感、酸度感、重量感等），而不能应用于包含多项材料性质刺激的感官性质（如酸甜感、光滑感、奶油感等）。为此，本研究提出了衍生感官的新概念，把人的感官认知分为初级感官（或基本感官）（Primary sensory）和衍生感官（Derived sensory）两大类。基本是指那些可以通过人的五种感官途径直接感知到的感官性质。如触觉神经感知的力、由口腔味蕾感知的酸、甜、苦、咸、鲜等感官性质。而大部分的感官性质都属于多种刺激组合或者多层级衍生的感官性质（见图2的感官衍生层级图）。

图2. 感官衍生层级图

很明显的，Stevens定律只能适用于初级感官性质的描述，衍生感官性质因其包含了不同物理刺激因素的组合和不同层级的衍生，则超出了Stevens定律的适用范围。目前，我们对感官衍生的内在机制尚知之甚少，感官衍生的心理物理学规律还有待进一步的研究。

本研究受科技部十三五重点研究项目资助，由浙江工商大学食品口腔加工与感官科学研究所陈建设教授团队与中国标准化研究院赵镭研究员团队合作完成。

The Stevens law and the derivation of sensory perception

Jianshe Chena,*, Shiyi Tiana, Xinmiao Wanga, Yuezhong Maoa, Lei Zhaob

a Institute of Food Oral Processing and Sensory Sciences, School of Food Science and Biotechnology, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China

b Food and Agriculture Standardization Institute, China National Institute of Standardization, Beijing, China

*Corresponding author E-mail address:

jschen@zjgsu.edu.cn

Abstract

The Stevens law, S = kIn, is commonly accepted as a landmark achievement in the field of sensory psychophysics and has been widely applied in food sensory research. The theory effectively links the two parameters of very different nature, the intensity of sensory perception (S) and the intensity of physical stimulus (I). However, the Stevens law suffers from two major drawbacks. The equation was self-inconsistent in terms of the units, which makes equation questionable in principle. The Stevens law was also found inapplicable when multiple physical stimuli are involved in the perception of a sensory attribute. To solve the first drawback, we propose to replace the absolute stimulation intensity in the Stevens law with a relative intensity, S = k(I/I0)n. The modified Stevens law becomes self-consistent when both sides of the equation are dimensionless and the theory is applicable regardless of the unit of the physical stimulus. To solve the second drawback, a concept of sensory derivation is introduced and so sensory properties can be categorized as primary sensory and derived sensory. The former can be described effectively by the Stevens law, while description of the latter is beyond the applicability of the Stevens law because of the involvement of multiple sensory stimuli or multi level sensory derivation. Furthermore, a sensory hierarch is constructed with sensory perception of different nature at different levels, including the primary sensory at the basic level and derived sensory perception at progressing levels. The modified Stevens law provides a self-consistent model for psychophysical analysis of sensory perception. The proposed sensory hierarchy helps to streamline sensory terms and attributes and may be used as a useful guide in establishing instrumental analysis of sensory perception.

Reference:

CHEN J S, TIAN S Y, WANG X M, et al. The Stevens law and the derivation of sensory perception[J]. Journal of Future Foods, 2021, 1(1): 82-87. DOI:10.1016/j.jfutfo.2021.09.004.

文章转载自：浙商大食品口腔加工实验室

封面图片来源：图虫创意

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