透明质酸多糖增稠适用于吞咽困难的肠内营养制剂及其流变学性质

位元元，张洪斌,*，马爱勤，高 山

（1.上海交通大学化学化工学院高分子科学与工程系，流变学研究所，上海 200240；2.上海交通大学附属第六人民医院南院，上海 201499）

吞咽困难是指在将固态或液态食物、唾液、药物等物质从口腔至胃的吞咽和运送过程中存在困难，患者产生咽部、胸骨后或食管部位的梗阻停滞感觉[1-3]。吞咽困难可发生于各年龄段人群，常发于老年人，特别是罹患神经退行性疾病和中风病人，有60%～80%的神经退行性疾病患者和超过30%的中风病人受吞咽困难的困扰。还有研究表明，50 岁以上有22%、65 岁以上有10%～30%、70 岁以上有40%的人罹患吞咽功能紊乱[4]。吞咽困难患者易因食欲减退引起营养不良、脱水、电解质功能紊乱等问题，且易导致患者在吞咽食物时将食物吸入气管，严重者会发生吸入性肺炎而导致死亡[5]。随着人口老龄化进程的加剧和老龄化人口数量的快速增长，吞咽困难正成为一个日益严峻的社会问题，严重影响人类健康和生活质量[6]。

吞咽的过程可以分为3 个阶段：口腔阶段、咽喉阶段和食管阶段。食物经过这3 部分的器官协调配合完成安全的运输，此过程通常持续几秒[7]。吞咽过程中最大的隐患是流体食物的黏度过低，流经咽喉底部的时间短，肌肉神经系统来不及做出充分的反应（如会厌软骨不能及时盖住气管），导致食物通过气管进入肺部进而造成吸入性肺炎[8-9]。从安全吞咽的角度来讲，对质地稀薄的流体食物增稠可以提高其黏度，减缓其流经咽喉的速度，降低食物吸入肺部的危险[10]。因此，在吞咽困难患者的饮食护理中，使用增稠剂得到黏度可调节的流体食物是很重要的手段。吞咽困难治疗领域常用的流体食物增稠剂分为两类：淀粉基增稠剂和多糖胶体基增稠剂[11]。淀粉基增稠剂由于淀粉颗粒在液体中的溶胀和部分溶解的性质，容易造成糊状的口感，影响病人的接受程度，并且其增稠液体的黏度随时间和温度的变化很大，很难得到均一稳定的增稠流体[12-13]。多糖胶体基增稠剂不易被人体口腔中的唾液淀粉酶分解，能在水溶液中形成缠结结构而在相对较长的时间内保持稳定的黏度[14-16]，因此其在吞咽困难护理领域得到广泛应用。从营养的角度来讲，肠内营养制剂可以提供碳水化合物、脂肪和蛋白质，满足一般患者对营养的需求，并且可以用于营养不良患者术前、术后支持治疗[17]。同时，口服作为肠内营养途径，对患者生理和心理康复均有益处。因此，对低黏度的普通能量供给用途的营养制剂进行合理增稠，可以为吞咽困难患者提供良好的能量营养来源。

黄原胶由于其具有强烈假塑性的流变学特性常被作为增稠剂，在吞咽困难的饮食护理中显示出积极的作用[10]。此外，瓜尔豆胶、刺槐豆胶等也被用作吞咽困难饮食增稠剂[18]，然而这些亲水胶体增稠剂难以提供其他有益功能。透明质酸（hyaluronan，HA）是由葡糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖为双糖单位组成的直链多糖，广泛存在于人体的各种组织中，具有天然的生物相容性及特殊的生理功能，如润滑关节和缓冲应力、调节蛋白质、水和电解质扩散及运转、促进创伤愈合、保持水分、调节渗透压、维持组织形态、屏障扩散等[19-20]。特别是HA分子在水溶液中缠结形成的网络结构可以有效提高水溶液的黏度，起到良好的增稠效果。HA也是关节液的主要成分，补充HA可以改善关节炎患者的关节润滑机能[21]。口服含有HA的保健品还可以延缓其他组织器官因HA减少而导致的衰老和功能减退[22]。豌豆蛋白是一种优质的蛋白质资源，具有低异黄酮含量、低植酸含量、无过敏成分、可以提供清洁标签等特点[23-24]。豌豆蛋白含有人体所必需的18 种氨基酸，属于全价蛋白质，且富含赖氨酸、精氨酸和支链氨基酸[25]。肠内营养制剂中的碳水化合物一般为麦芽糊精，脂肪可为动物或植物油脂。本研究中营养制剂为一定配比的豌豆蛋白、大豆油和麦芽糊精的水悬浮液。

本研究从流变学角度出发，通过建立液态肠内营养制剂模型，探究了HA多糖对营养制剂的增稠效果及其剪切变稀性质，讨论了HA增稠营养制剂黏度的剪切时间依赖性以及黏弹性，以期对HA增稠的营养制剂在吞咽困难患者临床护理方面提供理论数据和指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

透明质酸钠（发酵法制得，医药级，分子质量为100 kDa） 山东福瑞达医药集团有限公司；豌豆蛋白法国罗盖特公司；大豆油 益海嘉里投资有限公司；麦芽糊精 上海绿源生物科技有限公司；超纯水为实验室自制。

1.2 仪器与设备

HAAKE MARS III旋转流变仪 美国赛默飞世尔科技公司；MZ3004磁力搅拌器 上海志威电器有限公司；FA1004精密电子天平 上海天平仪器公司；Simplicity超纯水系统 彤迪科学仪器（上海）有限公司；SZ-93A自动双重纯水蒸馏器 上海亚荣生化仪器厂；FJ200-SH型数显高速分散均质机 上海标本模型厂。

1.3 方法

1.3.1 样品准备

多糖水溶液的配制：取一定质量的透明质酸钠粉末溶于水中，室温下搅拌至完全溶解，配制成质量分数为0.1%～0.5%的HA溶液。液态肠内营养制剂的组成中蛋白质选用豌豆蛋白、脂肪为大豆油、碳水化合物为麦芽糊精，其配制方法为：依次称取麦芽糊精（质量分数12%）、蛋白质（质量分数4%）溶于HA溶液中，搅拌至均匀分散，再加入质量分数4%大豆油，用高速分散均质机以10 000 r/min均质5～10 min，得到分散稳定的液态营养制剂。

1.3.2 流变学性质的测定

采用Haake控应力旋转流变仪对HA溶液及其增稠营养制剂的流变学性质进行表征。实验夹具为直径60 mm的平行板，间距0.5 mm。测试温度为25 ℃。为了使样品保持相同的初始状态，装样后使之平衡5 min后开始测试。每次测试均使用新的样品，并用轻质硅油封样以防止水分挥发。

稳态剪切黏度曲线测试中，采用控制剪切速率的测试模式（CR模式），剪切速率由0.1 s－1升至1 000 s－1，记录样品的表观黏度随剪切速率的变化。样品时间依赖性实验中，分别在剪切速率50 s－1和200 s－1时剪切5 min，静置1 min，再剪切1 min，测试表观黏度随时间的变化情况；动态应变扫描测试中，初始频率为6.28 rad/s，应变扫描范围为0.001～3，记录储能模量（G’），损耗模量（G”）以及损耗角正切（tan δ）随应变的变化。

1.4 数据处理

采用Origin Pro 9.0软件作图和分析拟合数据。

2 结果与分析

2.1 增稠流体的流动行为和黏弹性分析

图1 HA溶液及其增稠的营养制剂表观黏度随剪切速率的变化Fig.1 Apparent steady shear viscosity as a function of shear rate for HA solutions and suspensions containing HA

如图1a所示，HA溶液流动曲线在较低的剪切速率下呈现出明显的牛顿平台，而在较高的剪切速率下呈现出剪切变稀的性质。这种假塑性行为的产生是由于HA分子在剪切流场中逐渐解缠结并随着剪切方向取向所致[26]。如图1b所示，未经增稠的营养制剂表观黏度很低，仅约为0.01 Pa·s（剪切速率为2 s－1时仅约为0.011 Pa·s），且基本不随剪切速率发生变化（剪切速率为1 000 s－1时表观黏度约为0.009 Pa·s）。这种低黏度牛顿流体特征的营养制剂不适合吞咽困难患者直接食用。流动快、喉咙经留时间短的流体会使咽部无充足时间协调吞咽相关的肌肉完成流体的安全传送，很可能导致食物经气管吸入肺部而造成严重后果[10,15]。少量添加HA即能起到很好的增稠效果，特别是HA质量分数为0.5%时，HA溶液的表观黏度可达1.2 Pa·s，而营养制剂的初始表观黏度相对未增稠的营养制剂提高了近3 个数量级，达8 Pa·s。此外，在相同的低剪切速率区，相比HA溶液，增稠营养制剂的表观黏度随剪切速率的增大而明显下降，牛顿平台消失，剪切变稀特征变得更为明显。具有剪切变稀性质的流体能够降低被吸入肺部的危险[12,27-28]。

幂率定律τ＝Kγn（式中：τ为剪切应力/Pa、K为稠度系数/（Pa·sn）、n为幂律指数）常用来描述流体的剪切变稀行为。牛顿流体n＝1，而剪切变稀流体n＜1，且n值越小剪切变稀性质越显著。为进一步定量描述和比较HA溶液及其增稠的营养制剂的剪切变稀性质，考虑到流体食物在常规吞咽过程中经历的剪切速率相当于50 s－1左右[29]，选取剪切速率范围为10～100 s－1的应力-剪切速率曲线进行幂率拟合，拟合曲线见图2。

图2 HA溶液及其增稠的营养制剂应力随剪切速率的变化Fig.2 Steady shear stress as a function of shear rate for HA solutions and suspensions containing HA

表1 HA溶液及其增稠营养制剂流动曲线的幂律方程拟合参数Table1 Power-law parameters for the fl ow curves of HA solutions and HA thickened suspensions

图3 HA溶液及增稠的营养制剂幂律指数随HA质量分数的变化Fig.3 Flow behavior index n as a function of HA concentration

由表1和图3可以看到，对于HA溶液，幂律指数随着HA质量分数的升高基本呈线性降低，但幅度不大（n介于0.66～0.54之间）；而HA增稠的营养制剂虽然在较低的HA质量分数下具有较大的幂律指数（质量分数0.1%时n为0.85），但随着HA质量分数的升高，其幂律指数明显降低（质量分数0.5%时n为0.39）。特别是当HA质量分数大于0.3%时，增稠营养制剂的幂律指数均低于相同质量分数的HA溶液。有研究表明，具有较小幂律指数的增稠食物流体能给予食用者更愉悦的口感[30]。

图1 不同质量分数HA增稠的营养制剂G’（A）、G”（B）和tan δ（C）随应变的变化Fig.1 G’ （A）, G” （B） and loss tan δ （C） as a function of stain for HA thickened suspensions at different concentrations

从图4中可以看出，HA增稠的营养制剂G’＜G”，tan δ＞1，表现出类液体的性质，且随HA质量分数的增大tan δ趋向于1，营养制剂黏弹性上升。而应变较大时，tan δ显著增大，类液性增强。HA增稠的营养制剂始终保持类液体的性质，在具有较高黏度的同时，仍然具备良好的流动性。由此可见，HA增稠营养制剂的流变学性质更能满足吞咽困难患者进食的多方面需求[31]。综上，一方面，HA增稠后的营养制剂具有较高的黏度，可给予咽部较长的吞咽反应时间，从而减少吸入肺部的危险；另一方面，较低的幂律指数（即高剪切变稀性质）和高应变时较大的tan δ能产生更容易被接受的口感，有利于吞咽困难患者的心理接受。由此可见，经HA增稠后的营养制剂更能符合吞咽困难患者对流体的吞咽需求。

需要说明的是，由于吞咽困难患者的身体状况不同，安全吞咽时对流体食物的黏度需求不同。世界上很多国家建立了以黏度为分类标准的吞咽困难饮食指导方针[4]。吞咽困难饮食具体的黏度应该根据患者的实际需求进行调节。本研究给出了HA在0.1%～0.5%的质量分数范围内营养制剂的黏度特征，其黏度的实际临床需求可以通过控制HA的质量分数来实现。

2.2 剪切对黏度的影响

用于吞咽困难治疗的流体还需具有稳定的黏度以满足患者对安全吞咽的需求。尽管淀粉类增稠剂在吞咽困难饮食护理中被广泛应用，然而淀粉增稠的流体具有显著的触变性，其黏度在配制后随时间的延长或者在外力作用下容易发生明显的变化，难以保证其增稠流体在患者食用时的黏度与初始配制时一致，从而造成吞咽安全隐患[1,5,33]。因此，在保证增稠效果的同时，增稠流体黏度在持续剪切的情况下，对时间依赖性的研究也具有重要意义。本研究中采用间歇恒剪切速率的方法[13]来表征流体在剪切发生、停顿和恢复时黏度随时间的变化，可反映流体的触变性[34]。如图5所示，样品分别在50 s－1和200 s－1的剪切速率下剪切5 min后静置1 min，然后再剪切1 min，其中50 s－1为文献报道流体食物在喉咙吞咽时的速率[35-36]，并且该剪切速率可以类比流体食物在容器中被轻微搅动时受到的剪切作用[13]；而200 s－1则对应于流体食物经历比较大强度搅拌时的剪切速率。通过上述测试，可以探究营养制剂在相对恒定的剪切速率下黏度随时间的变化，以及剪切强度对不同增稠程度的营养制剂黏度的影响。

图5 不同质量分数HA增稠的营养制剂在恒定剪切速率（50、200 s－1）下表观黏度随时间的变化Fig.5 Apparent viscosity as a function of time under constant shear rates （50, 200 s-1） for HA thickened suspensions

由图5可知，未经HA增稠的营养制剂在剪切速率为50 s－1和200 s－1时的表观黏度η50和η200很低，在所测的时间范围内无明显变化且相近。对于HA增稠后的营养制剂，尽管它们的表观黏度有大幅上升，但第2次剪切时的表观黏度与第1次剪切后无明显差别，且表观黏度随时间的延长变化不明显。这说明营养制剂内不存在微结构，其黏度不受剪切历史的影响，无明显的触变性。淀粉类增稠剂增稠的流体其黏度具有明显的剪切时间依赖性，在较短的剪切时间内黏度变化大[13]，因而应用时难以获得稳定的黏度以满足吞咽困难患者安全吞咽的需求，而HA增稠的营养制剂具有黏度稳定的特征。

此外，从剪切（搅拌）强度和剪切时间对营养制剂黏度变化综合影响的角度，结合图1b和图5可以看出，未经HA增稠的营养制剂在剪切速率为50 s－1和200 s－1下表观黏度η50和η200变化不明显，说明剪切（搅拌）的剧烈程度和剪切时间的长短基本不会对其黏度造成影响，而对HA增稠的营养制剂，尽管恒定剪切速率下剪切时间的长短也对表观黏度无影响，但随着HA质量分数的升高，高剪切强度相较低剪切强度造成的表观黏度下降更明显。如表2所示，HA质量分数为0.1%～0.5%时所对应的50 s－1和200 s－1剪切速率下表观黏度下降幅度为30%～60%。因此，通过调节增稠剂HA的质量分数可调控黏度下降程度，以满足不同吞咽困难患者对黏度和口感的多方面需求。

表2 不同质量分数HA增稠的营养制剂在恒定剪切速率下的表观黏度及变化Table2 Apparent viscosity of HA thickened suspensions at constant shear rate

3 结 论

HA增稠后的营养制剂从低黏度的牛顿流体转变成黏度可调节的非牛顿流体，具有明显的剪切变稀性质，且其黏度随时间变化不明显，不受剪切历史的影响，流体基本无触变性，而剪切（搅拌）对其黏度降低的效果随着HA质量分数的增大而增强。此外，增稠后的营养制剂保持类液体的性质，其黏弹性随着HA质量分数的增大而增大。综上，HA增稠营养制剂的流变学研究可为吞咽困难患者的临床饮食护理提供有效依据。HA增稠的营养制剂能给吞咽困难患者提供比较全面的营养支持，同时，其流变学性质又能满足患者安全吞咽的需求。HA为人体固有的生物大分子，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难患者的饮食护理中具有积极的应用前景。