透明質酸多糖增稠適用于吞咽困難的腸內營養(yǎng)制劑及其流變學性質

位元元，張洪斌,*，馬愛勤，高 山

（1.上海交通大學化學化工學院高分子科學與工程系，流變學研究所，上海 200240；2.上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院南院，上海 201499）

吞咽困難是指在將固態(tài)或液態(tài)食物、唾液、藥物等物質從口腔至胃的吞咽和運送過程中存在困難，患者產生咽部、胸骨后或食管部位的梗阻停滯感覺[1-3]。吞咽困難可發(fā)生于各年齡段人群，常發(fā)于老年人，特別是罹患神經退行性疾病和中風病人，有60%～80%的神經退行性疾病患者和超過30%的中風病人受吞咽困難的困擾。還有研究表明，50 歲以上有22%、65 歲以上有10%～30%、70 歲以上有40%的人罹患吞咽功能紊亂[4]。吞咽困難患者易因食欲減退引起營養(yǎng)不良、脫水、電解質功能紊亂等問題，且易導致患者在吞咽食物時將食物吸入氣管，嚴重者會發(fā)生吸入性肺炎而導致死亡[5]。隨著人口老齡化進程的加劇和老齡化人口數(shù)量的快速增長，吞咽困難正成為一個日益嚴峻的社會問題，嚴重影響人類健康和生活質量[6]。

吞咽的過程可以分為3 個階段：口腔階段、咽喉階段和食管階段。食物經過這3 部分的器官協(xié)調配合完成安全的運輸，此過程通常持續(xù)幾秒[7]。吞咽過程中最大的隱患是流體食物的黏度過低，流經咽喉底部的時間短，肌肉神經系統(tǒng)來不及做出充分的反應（如會厭軟骨不能及時蓋住氣管），導致食物通過氣管進入肺部進而造成吸入性肺炎[8-9]。從安全吞咽的角度來講，對質地稀薄的流體食物增稠可以提高其黏度，減緩其流經咽喉的速度，降低食物吸入肺部的危險[10]。因此，在吞咽困難患者的飲食護理中，使用增稠劑得到黏度可調節(jié)的流體食物是很重要的手段。吞咽困難治療領域常用的流體食物增稠劑分為兩類：淀粉基增稠劑和多糖膠體基增稠劑[11]。淀粉基增稠劑由于淀粉顆粒在液體中的溶脹和部分溶解的性質，容易造成糊狀的口感，影響病人的接受程度，并且其增稠液體的黏度隨時間和溫度的變化很大，很難得到均一穩(wěn)定的增稠流體[12-13]。多糖膠體基增稠劑不易被人體口腔中的唾液淀粉酶分解，能在水溶液中形成纏結結構而在相對較長的時間內保持穩(wěn)定的黏度[14-16]，因此其在吞咽困難護理領域得到廣泛應用。從營養(yǎng)的角度來講，腸內營養(yǎng)制劑可以提供碳水化合物、脂肪和蛋白質，滿足一般患者對營養(yǎng)的需求，并且可以用于營養(yǎng)不良患者術前、術后支持治療[17]。同時，口服作為腸內營養(yǎng)途徑，對患者生理和心理康復均有益處。因此，對低黏度的普通能量供給用途的營養(yǎng)制劑進行合理增稠，可以為吞咽困難患者提供良好的能量營養(yǎng)來源。

黃原膠由于其具有強烈假塑性的流變學特性常被作為增稠劑，在吞咽困難的飲食護理中顯示出積極的作用[10]。此外，瓜爾豆膠、刺槐豆膠等也被用作吞咽困難飲食增稠劑[18]，然而這些親水膠體增稠劑難以提供其他有益功能。透明質酸（hyaluronan，HA）是由葡糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖為雙糖單位組成的直鏈多糖，廣泛存在于人體的各種組織中，具有天然的生物相容性及特殊的生理功能，如潤滑關節(jié)和緩沖應力、調節(jié)蛋白質、水和電解質擴散及運轉、促進創(chuàng)傷愈合、保持水分、調節(jié)滲透壓、維持組織形態(tài)、屏障擴散等[19-20]。特別是HA分子在水溶液中纏結形成的網(wǎng)絡結構可以有效提高水溶液的黏度，起到良好的增稠效果。HA也是關節(jié)液的主要成分，補充HA可以改善關節(jié)炎患者的關節(jié)潤滑機能[21]?？诜蠬A的保健品還可以延緩其他組織器官因HA減少而導致的衰老和功能減退[22]。豌豆蛋白是一種優(yōu)質的蛋白質資源，具有低異黃酮含量、低植酸含量、無過敏成分、可以提供清潔標簽等特點[23-24]。豌豆蛋白含有人體所必需的18 種氨基酸，屬于全價蛋白質，且富含賴氨酸、精氨酸和支鏈氨基酸[25]。腸內營養(yǎng)制劑中的碳水化合物一般為麥芽糊精，脂肪可為動物或植物油脂。本研究中營養(yǎng)制劑為一定配比的豌豆蛋白、大豆油和麥芽糊精的水懸浮液。

本研究從流變學角度出發(fā)，通過建立液態(tài)腸內營養(yǎng)制劑模型，探究了HA多糖對營養(yǎng)制劑的增稠效果及其剪切變稀性質，討論了HA增稠營養(yǎng)制劑黏度的剪切時間依賴性以及黏彈性，以期對HA增稠的營養(yǎng)制劑在吞咽困難患者臨床護理方面提供理論數(shù)據(jù)和指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

透明質酸鈉（發(fā)酵法制得，醫(yī)藥級，分子質量為100 kDa） 山東福瑞達醫(yī)藥集團有限公司；豌豆蛋白法國羅蓋特公司；大豆油 益海嘉里投資有限公司；麥芽糊精 上海綠源生物科技有限公司；超純水為實驗室自制。

1.2 儀器與設備

HAAKE MARS III旋轉流變儀 美國賽默飛世爾科技公司；MZ3004磁力攪拌器 上海志威電器有限公司；FA1004精密電子天平 上海天平儀器公司；Simplicity超純水系統(tǒng) 彤迪科學儀器（上海）有限公司；SZ-93A自動雙重純水蒸餾器 上海亞榮生化儀器廠；FJ200-SH型數(shù)顯高速分散均質機 上海標本模型廠。

1.3 方法

1.3.1 樣品準備

多糖水溶液的配制：取一定質量的透明質酸鈉粉末溶于水中，室溫下攪拌至完全溶解，配制成質量分數(shù)為0.1%～0.5%的HA溶液。液態(tài)腸內營養(yǎng)制劑的組成中蛋白質選用豌豆蛋白、脂肪為大豆油、碳水化合物為麥芽糊精，其配制方法為：依次稱取麥芽糊精（質量分數(shù)12%）、蛋白質（質量分數(shù)4%）溶于HA溶液中，攪拌至均勻分散，再加入質量分數(shù)4%大豆油，用高速分散均質機以10 000 r/min均質5～10 min，得到分散穩(wěn)定的液態(tài)營養(yǎng)制劑。

1.3.2 流變學性質的測定

采用Haake控應力旋轉流變儀對HA溶液及其增稠營養(yǎng)制劑的流變學性質進行表征。實驗夾具為直徑60 mm的平行板，間距0.5 mm。測試溫度為25 ℃。為了使樣品保持相同的初始狀態(tài)，裝樣后使之平衡5 min后開始測試。每次測試均使用新的樣品，并用輕質硅油封樣以防止水分揮發(fā)。

穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測試中，采用控制剪切速率的測試模式（CR模式），剪切速率由0.1 s－1升至1 000 s－1，記錄樣品的表觀黏度隨剪切速率的變化。樣品時間依賴性實驗中，分別在剪切速率50 s－1和200 s－1時剪切5 min，靜置1 min，再剪切1 min，測試表觀黏度隨時間的變化情況；動態(tài)應變掃描測試中，初始頻率為6.28 rad/s，應變掃描范圍為0.001～3，記錄儲能模量（G’），損耗模量（G”）以及損耗角正切（tan δ）隨應變的變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Origin Pro 9.0軟件作圖和分析擬合數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 增稠流體的流動行為和黏彈性分析

圖1 HA溶液及其增稠的營養(yǎng)制劑表觀黏度隨剪切速率的變化Fig.1 Apparent steady shear viscosity as a function of shear rate for HA solutions and suspensions containing HA

如圖1a所示，HA溶液流動曲線在較低的剪切速率下呈現(xiàn)出明顯的牛頓平臺，而在較高的剪切速率下呈現(xiàn)出剪切變稀的性質。這種假塑性行為的產生是由于HA分子在剪切流場中逐漸解纏結并隨著剪切方向取向所致[26]。如圖1b所示，未經增稠的營養(yǎng)制劑表觀黏度很低，僅約為0.01 Pa·s（剪切速率為2 s－1時僅約為0.011 Pa·s），且基本不隨剪切速率發(fā)生變化（剪切速率為1 000 s－1時表觀黏度約為0.009 Pa·s）。這種低黏度牛頓流體特征的營養(yǎng)制劑不適合吞咽困難患者直接食用。流動快、喉嚨經留時間短的流體會使咽部無充足時間協(xié)調吞咽相關的肌肉完成流體的安全傳送，很可能導致食物經氣管吸入肺部而造成嚴重后果[10,15]。少量添加HA即能起到很好的增稠效果，特別是HA質量分數(shù)為0.5%時，HA溶液的表觀黏度可達1.2 Pa·s，而營養(yǎng)制劑的初始表觀黏度相對未增稠的營養(yǎng)制劑提高了近3 個數(shù)量級，達8 Pa·s。此外，在相同的低剪切速率區(qū)，相比HA溶液，增稠營養(yǎng)制劑的表觀黏度隨剪切速率的增大而明顯下降，牛頓平臺消失，剪切變稀特征變得更為明顯。具有剪切變稀性質的流體能夠降低被吸入肺部的危險[12,27-28]。

冪率定律τ＝Kγn（式中：τ為剪切應力/Pa、K為稠度系數(shù)/（Pa·sn）、n為冪律指數(shù)）常用來描述流體的剪切變稀行為。牛頓流體n＝1，而剪切變稀流體n＜1，且n值越小剪切變稀性質越顯著。為進一步定量描述和比較HA溶液及其增稠的營養(yǎng)制劑的剪切變稀性質，考慮到流體食物在常規(guī)吞咽過程中經歷的剪切速率相當于50 s－1左右[29]，選取剪切速率范圍為10～100 s－1的應力-剪切速率曲線進行冪率擬合，擬合曲線見圖2。

圖2 HA溶液及其增稠的營養(yǎng)制劑應力隨剪切速率的變化Fig.2 Steady shear stress as a function of shear rate for HA solutions and suspensions containing HA

表1 HA溶液及其增稠營養(yǎng)制劑流動曲線的冪律方程擬合參數(shù)Table1 Power-law parameters for the fl ow curves of HA solutions and HA thickened suspensions

圖3 HA溶液及增稠的營養(yǎng)制劑冪律指數(shù)隨HA質量分數(shù)的變化Fig.3 Flow behavior index n as a function of HA concentration

由表1和圖3可以看到，對于HA溶液，冪律指數(shù)隨著HA質量分數(shù)的升高基本呈線性降低，但幅度不大（n介于0.66～0.54之間）；而HA增稠的營養(yǎng)制劑雖然在較低的HA質量分數(shù)下具有較大的冪律指數(shù)（質量分數(shù)0.1%時n為0.85），但隨著HA質量分數(shù)的升高，其冪律指數(shù)明顯降低（質量分數(shù)0.5%時n為0.39）。特別是當HA質量分數(shù)大于0.3%時，增稠營養(yǎng)制劑的冪律指數(shù)均低于相同質量分數(shù)的HA溶液。有研究表明，具有較小冪律指數(shù)的增稠食物流體能給予食用者更愉悅的口感[30]。

圖1 不同質量分數(shù)HA增稠的營養(yǎng)制劑G’（A）、G”（B）和tan δ（C）隨應變的變化Fig.1 G’ （A）, G” （B） and loss tan δ （C） as a function of stain for HA thickened suspensions at different concentrations

從圖4中可以看出，HA增稠的營養(yǎng)制劑G’＜G”，tan δ＞1，表現(xiàn)出類液體的性質，且隨HA質量分數(shù)的增大tan δ趨向于1，營養(yǎng)制劑黏彈性上升。而應變較大時，tan δ顯著增大，類液性增強。HA增稠的營養(yǎng)制劑始終保持類液體的性質，在具有較高黏度的同時，仍然具備良好的流動性。由此可見，HA增稠營養(yǎng)制劑的流變學性質更能滿足吞咽困難患者進食的多方面需求[31]。綜上，一方面，HA增稠后的營養(yǎng)制劑具有較高的黏度，可給予咽部較長的吞咽反應時間，從而減少吸入肺部的危險；另一方面，較低的冪律指數(shù)（即高剪切變稀性質）和高應變時較大的tan δ能產生更容易被接受的口感，有利于吞咽困難患者的心理接受。由此可見，經HA增稠后的營養(yǎng)制劑更能符合吞咽困難患者對流體的吞咽需求。

需要說明的是，由于吞咽困難患者的身體狀況不同，安全吞咽時對流體食物的黏度需求不同。世界上很多國家建立了以黏度為分類標準的吞咽困難飲食指導方針[4]。吞咽困難飲食具體的黏度應該根據(jù)患者的實際需求進行調節(jié)。本研究給出了HA在0.1%～0.5%的質量分數(shù)范圍內營養(yǎng)制劑的黏度特征，其黏度的實際臨床需求可以通過控制HA的質量分數(shù)來實現(xiàn)。

2.2 剪切對黏度的影響

用于吞咽困難治療的流體還需具有穩(wěn)定的黏度以滿足患者對安全吞咽的需求。盡管淀粉類增稠劑在吞咽困難飲食護理中被廣泛應用，然而淀粉增稠的流體具有顯著的觸變性，其黏度在配制后隨時間的延長或者在外力作用下容易發(fā)生明顯的變化，難以保證其增稠流體在患者食用時的黏度與初始配制時一致，從而造成吞咽安全隱患[1,5,33]。因此，在保證增稠效果的同時，增稠流體黏度在持續(xù)剪切的情況下，對時間依賴性的研究也具有重要意義。本研究中采用間歇恒剪切速率的方法[13]來表征流體在剪切發(fā)生、停頓和恢復時黏度隨時間的變化，可反映流體的觸變性[34]。如圖5所示，樣品分別在50 s－1和200 s－1的剪切速率下剪切5 min后靜置1 min，然后再剪切1 min，其中50 s－1為文獻報道流體食物在喉嚨吞咽時的速率[35-36]，并且該剪切速率可以類比流體食物在容器中被輕微攪動時受到的剪切作用[13]；而200 s－1則對應于流體食物經歷比較大強度攪拌時的剪切速率。通過上述測試，可以探究營養(yǎng)制劑在相對恒定的剪切速率下黏度隨時間的變化，以及剪切強度對不同增稠程度的營養(yǎng)制劑黏度的影響。

圖5 不同質量分數(shù)HA增稠的營養(yǎng)制劑在恒定剪切速率（50、200 s－1）下表觀黏度隨時間的變化Fig.5 Apparent viscosity as a function of time under constant shear rates （50, 200 s-1） for HA thickened suspensions

由圖5可知，未經HA增稠的營養(yǎng)制劑在剪切速率為50 s－1和200 s－1時的表觀黏度η50和η200很低，在所測的時間范圍內無明顯變化且相近。對于HA增稠后的營養(yǎng)制劑，盡管它們的表觀黏度有大幅上升，但第2次剪切時的表觀黏度與第1次剪切后無明顯差別，且表觀黏度隨時間的延長變化不明顯。這說明營養(yǎng)制劑內不存在微結構，其黏度不受剪切歷史的影響，無明顯的觸變性。淀粉類增稠劑增稠的流體其黏度具有明顯的剪切時間依賴性，在較短的剪切時間內黏度變化大[13]，因而應用時難以獲得穩(wěn)定的黏度以滿足吞咽困難患者安全吞咽的需求，而HA增稠的營養(yǎng)制劑具有黏度穩(wěn)定的特征。

此外，從剪切（攪拌）強度和剪切時間對營養(yǎng)制劑黏度變化綜合影響的角度，結合圖1b和圖5可以看出，未經HA增稠的營養(yǎng)制劑在剪切速率為50 s－1和200 s－1下表觀黏度η50和η200變化不明顯，說明剪切（攪拌）的劇烈程度和剪切時間的長短基本不會對其黏度造成影響，而對HA增稠的營養(yǎng)制劑，盡管恒定剪切速率下剪切時間的長短也對表觀黏度無影響，但隨著HA質量分數(shù)的升高，高剪切強度相較低剪切強度造成的表觀黏度下降更明顯。如表2所示，HA質量分數(shù)為0.1%～0.5%時所對應的50 s－1和200 s－1剪切速率下表觀黏度下降幅度為30%～60%。因此，通過調節(jié)增稠劑HA的質量分數(shù)可調控黏度下降程度，以滿足不同吞咽困難患者對黏度和口感的多方面需求。

表2 不同質量分數(shù)HA增稠的營養(yǎng)制劑在恒定剪切速率下的表觀黏度及變化Table2 Apparent viscosity of HA thickened suspensions at constant shear rate

3 結 論

HA增稠后的營養(yǎng)制劑從低黏度的牛頓流體轉變成黏度可調節(jié)的非牛頓流體，具有明顯的剪切變稀性質，且其黏度隨時間變化不明顯，不受剪切歷史的影響，流體基本無觸變性，而剪切（攪拌）對其黏度降低的效果隨著HA質量分數(shù)的增大而增強。此外，增稠后的營養(yǎng)制劑保持類液體的性質，其黏彈性隨著HA質量分數(shù)的增大而增大。綜上，HA增稠營養(yǎng)制劑的流變學研究可為吞咽困難患者的臨床飲食護理提供有效依據(jù)。HA增稠的營養(yǎng)制劑能給吞咽困難患者提供比較全面的營養(yǎng)支持，同時，其流變學性質又能滿足患者安全吞咽的需求。HA為人體固有的生物大分子，其天然的生物相容性、特殊的生理功能和良好的增稠特性在吞咽困難患者的飲食護理中具有積極的應用前景。