Экспериментальное определение реологических свойств продуктов питания детей раннего возраста
Автор: Тверье В.М., Шмурак М.И., Няшин Ю.И., Симановская Е.Ю., Лебедев А.В.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 2 (40) т.12, 2008 года.
Бесплатный доступ
Вскармливание детей раннего возраста с точки зрения приложения нагрузки на жевательный аппарат определяет формирование всей зубочелюстной системы и ее основных функций: сосания, дыхания, глотания и жевания. Экспериментально доказано, что искусственное вскармливание значительно отличается от естественного и не дает необходимой функциональной нагрузки на челюстно-лицевую область. Моделирование процесса кормления ребенка через соску позволяет максимально приблизить условия искусственного вскармливания к условиям естественного. В работе представлены результаты экспериментального определения реологических свойств питательных смесей, кефира и яблочно- морковного сока для детского питания в сравнении со свойствами женского и коровьего молока при различных температурах. Установлено, что все продукты питания относятся к ньютоновским жидкостям, за исключением кефира и сока, проявляющим в небольшой степени пластично-вязкие свойства (жидкость Бингама) при малых скоростях сдвига и обнаруживающим псевдопластичное поведение при больших скоростях сдвига. Эти результаты будут использованы для моделирова- ния искусственного вскармливания с целью приблизить биомеханические условия последнего к условиям функционирования зубочелюстной системы при естествен- ном вскармливании.
Естественное вскармливание, искусственное вскармливание, соска, модель, эксперимент, реологические свойства, ротационный вискозиметр, ньютоновские жидкости, среда бингама, псевдопластичные жидкости
Короткий адрес: https://sciup.org/146215916
IDR: 146215916
Текст научной статьи Экспериментальное определение реологических свойств продуктов питания детей раннего возраста
В настоящее время большинство детей раннего возраста вскармливается искусственно [1]. Исследования показали, что искусственное вскармливание не обеспечивает необходимой функциональной нагрузки на костно-мышечный аппарат челюстно-лицевой области ребенка [3, 4, 9, 13–14]. Использование соски может привести к различным нарушениям при жевании, дыхании, глотании [13]. Искусственное вскармливание является одной из причин возникновения зубочелюстных аномалий [3].
Тип вскармливания детей раннего возраста является одним из наиболее значимых факторов развития зубочелюстной системы ребенка и его организма в целом. Экспериментально в клинических условиях доказано, что процесс искусственного вскармливания сильно отличается от процесса естественного [17, 7, 13].
-
© Тверье В.М., Шмурак М.И., Няшин Ю.И., Симановская Е.Ю. , Лебедев А.В., 2008
Искусственное вскармливание не обеспечивает необходимой функциональной нагрузки на костно-мышечный аппарат челюстно-лицевой области, что отражается на росте нижней челюсти, снижении тонуса жевательных мышц, мышц приротовой области и языка. В процессе искусственного вскармливания может сформироваться неправильный стереотип функции глотания, развиться парафункция языка. Быстрый прием пищи из бутылочки не обеспечивает удовлетворения сосательного рефлекса и приводит к формированию вредных привычек (сосание пальцев и языка), которые, в свою очередь, нарушают равномерный рост челюстей и вызывают развитие зубочелюстных аномалий [3].
В работе [12] рассмотрена постановка задачи моделирования искусственного вскармливания, для чего следует решить задачу гидродинамики для нестационарного течения вязкой несжимаемой жидкости через короткий капилляр (отверстие в соске), так как толщина стенки соски и диаметр отверстия – величины одного порядка. Течение такого вида неламинарное и имеет области около сужения, где образуется вихрь [15, 16].
Избежать отрицательного влияния искусственного вскармливания на формирование зубочелюстной системы, или хотя бы его уменьшить, позволит правильный подбор отверстия соски или корректировка соски на основе результатов, полученных при моделировании искусственного вскармливания.
В модели искусственного вскармливания рассматривается осесимметричное течение вязкой жидкости в цилиндрической области с локальным сужением с заданным давлением на границах. При варьировании параметров сужения: толщины стенки соски h и диаметра отверстия в соске d , получаются различные расходные характеристики, которые сравниваются с известными экспериментальными данными (расход молока, необходимый ребенку, и изменение этого параметра во времени) [17, 2]. В модели пренебрегается упругостью соски, так как влияние этого параметра на течение незначительно.
В результате расчетов необходимо определить объемный расход молока Q ( t ) при заданном во времени перепаде давления. При этом диаметр и длина отверстия варьируются так, чтобы приблизить напорно-расходную характеристику течения к известной для естественного вскармливания Q* ( t ), то есть
T
J [ Q ( t ) - Q * ( t ) ] 2 dt ^ min •
0 h , d
Искомые параметры будут во многом определяться механическими характеристиками текущих жидкостей – продуктов питания, данные для которых в литературе носят отрывочный характер. Поэтому работа посвящена экспериментальному определению реологических характеристик детского питания.
Материалы и методы
Ассортимент продуктов детского питания ориентирован на возрастные группы, первая из которых – продукты для здоровых детей от рождения до возраста шести месяцев. Молочные детские продукты для искусственного вскармливания выпускают адаптированными к детскому организму в виде сухих и жидких смесей, по составу и свойствам максимально приближенных к женскому молоку. Состав коровьего молока значительно отличается от женского [8]. В коровьем молоке количество белков почти в три раза больше, чем в женском. В женском молоке содержится 40% казеина и 60% сывороточных белков, а в коровьем – 80 и 20% соответственно. Качественный состав белков влияет на процесс коагуляции. Белки женского молока образуют в желудке ребенка хлопьевидный, нежный и легко усваиваемый сгусток. Белки коровьего молока дают плотный и грубый сгусток, что обусловлено высоким содержанием казеина.
Коровье молоко хорошо исследовано [8, 5, 6]. Известно, что оно относится к классу ньютоновских жидкостей. Реологические данные для сухих и жидких смесей в литературе отсутствуют.
Для докармливания детей возраста около шести месяцев используют также кефир, полученный без спиртового брожения. Кроме того используются различные гомогенизированные соки с мякотью [11].
Для определения реологических свойств были использованы продукты питания, указанные в таблице. Все продукты питания испытывались при трех температурах, за исключением грудного молока. Это позволяло учесть достаточно произвольный подогрев продукта при искусственном вскармливании в домашних условиях.
Продукт детского питания |
Характеристики |
Примечание |
а) Молоко коровье |
Промышленное изготовление, 2,5% жирности |
Эксперимент через сутки после производства |
|
|
Эксперимент
|
в) Смесь «Нутрилак» |
Производитель ОАО «Нутритек», Эстония |
Сухая смесь для возраста от 0 до 12 месяцев |
г) Смесь «Тёма» |
Производство России |
Готовая жидкая смесь для возраста от 0 до 12 месяцев |
д) Смесь “ Nutrilon 3” |
Производство “ Nutricia ”, Нидерланды |
Сухая смесь для возраста 12 месяцев и старше |
е) Кефир молочной кухни |
Эксперимент через 6 часов после производства |
|
ж) Сок с мякотью «фрутто-няня» яблоко-морковь |
Производитель ОАО «Лебедянский», Россия |
Для возраста 6 месяцев |
Для испытания продуктов (а)–(д) (см. табл.), обладающих небольшой вязкостью, использовался ротационный вискозиметр конструкции Института механики сплошных сред УрО РАН. Для исследования продуктов (е)–(ж), обладающих повышенной вязкостью, применялся ротационный вискозиметр фирмы “ Brookfield ”. Все вискозиметры были термостатированы.

Рис. 1. Реологическая кривая для коровьего молока при различных температурах
Основные результаты эксперимента
По данным литературы [5, 6, 8], коровье и женское молоко относятся к коллоидно-дисперсным белково-жировым системам. Вязкостные характеристики таких сред предопределяются свойствами дисперсионной среды – воды. Структурная составляющая вязкости исчезает при температурах выше 34°С в связи плавлением кристаллов жира и интенсивным тепловым движением самих элементов структуры. Динамическая вязкость цельного коровьего молока составляет 1,79∙10-3 Па∙с при 20°С, а при 30°С – 1,33∙10-3 Па∙с [6]. Вязкость женского молока в 1,77–1,98 раза выше вязкости воды [8]. Для проверки методики эксперимента и уточнения данных для грудного молока были получены реологические кривые для коровьего и женского молока (рис. 1 и 2), представленные в координатах: скорость сдвига ξ , с-1, напряжение сдвига τ , Па.
По данным эксперимента, вязкость коровьего молока составляет от 1,67∙10-3 Па∙с при 25°С и 1,26∙10-3 Па∙с при 37°С. Некоторое несоответствие данным работы [5] связано с тем, что в эксперименте использовалось нормализованное пастеризованное молоко пониженной жирности.
Реологические кривые женского молока подобны кривым коровьего молока при несколько другой вязкости: 1,74∙10-3 Па∙с для образцов (б), 1) и 2) (см. табл. 1), причем молозиво и молоко по вязкости незначительно отличаются лишь при малых скоростях сдвига; для поздних сроков кормления вязкости практически совпадают и равны значению 1,49∙10-3 Па∙с. Коровье и женское молоко при течении можно считать с высокой точностью ньютоновскими жидкостями.
Аналогичное поведение обнаруживают сухие и жидкие смеси для детского питания при несколько других значениях вязкости. На рис. 3 представлены результаты испытаний смеси «Нутрилак». Кривые для смесей (г) и (д) идентичны приведенным результатам для образца (в) при вариациях динамической вязкости около 10%.
Таким образом, сухие и жидкие смеси также относятся к классу ньютоновских жидкостей, поведение которых определяется постоянной вязкостью.
Рассмотрим реологические кривые для кефира и сока с мякотью.

Рис. 2. Реологические кривые для грудного молока при температуре 37°С:
1 – образец (б): 1); 2 – образец (б): 2); 3 – образец (б): 3) (см. табл.)

Рис. 3. Реологическая кривая для смеси «Нутрилак» при различных температурах
Кефир для детского питания вырабатывается из молока путем сквашивания специальными заквасками, обеспечивающими молочнокислое брожение без образования спирта. В результате накопления молочной кислоты изменяется кислотность молока, казеин теряет растворимость, коагулирует и образует сгусток. При этом белковые молекулы частично распадаются на более простые, в частности аминокислоты. Образуется желеобразная структура [8].
Гомогенезированные соки с мякотью, содержание которой в соке яблок составляет 30–50%, имеют структуру, представляющую собой хаотично распределенные в соке частицы мякоти размером от 54 до 81 мкм [11]. При выдержке в покое частицы выпадают в осадок. При проведении эксперимента сок хорошо взбалтывался.
На рис. 4–5 представлены кривые течения по результатам эксперимента.

Рис. 4. Кривые течения кефира при различных температурах

Рис. 5. Кривые течения сока с мякотью при различных температурах
Результаты эксперимента показывают, что оба продукта относятся к неньютоновским жидкостям. Кефир обладает начальным напряжением сдвига τ=0,6 Па при температуре 25°С, которое снижается до величины 0,3 Па при температуре 37°С. Начальное напряжение сдвига сока с мякотью составляет 0,2–0,25 Па и зависит от температуры незначительно. С увеличением скорости сдвига эти продукты ведут себя по-разному. Сок, по классификации П.А. Ребиндера [5], можно отнести к жидкостям твердообразного типа, проявляющим упругопластические свойства (см. рис. 5). Поведение кефира при течении носит более сложный характер. При температурах 25–30°С кефир проявляет псевдопластические свойства. При температуре 37°С его можно считать средой Бингама, если исключить колебания напряжений сдвига в начальный период течения (см. рис. 4). Такие менее выраженные колебания наблюдались и при более низких температурах. По-видимому, причиной таких колебаний напряжений сдвига у кефиров могут являться тиксотропные свойства этого продукта [10, с. 368]. Все полученные данные требуют более подробных экспериментальных реологических исследований. Для целей математического моделирования реологические кривые могут быть использованы при расчетах течения продуктов питания при искусственном вскармливании.
Выводы
В результате экспериментальных исследований реологических свойств продуктов детского питания установлено, что молочные смеси относятся к ньютоновским жидкостям. Продукты, используемые при докармливании – к жидкостям неньютоновского типа. Полученные кривые течения будут использованы при биомеханическом моделировании искусственного вскармливания.