食品ハイドロコロイドの構造と物性 -...
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食品ハイドロコロイドの構造と物性
共立女子大学家政学部 熊谷 仁
ハイドロコロイド
直径10~1000 nmの粒子が水を連続相に分散している状態
(コロイド状態を制御するために使用される多糖類やタンパク質)
ハイドロコロイドの機能増粘,ゲル化,保水,分散,安定,皮膜形成,起泡,乳化
テクスチャーモディファイヤー
マヨネーズ,ドレッシング,デザートゼリー,アイスクリームなど
近年超高齢社会 咀嚼や嚥下機能に障害を持つ人の増加
咀嚼・嚥下障害用介護食:ゲル化剤,増粘剤
ハイドロコロイドの用途
分離担体,固定化担体
増粘剤・ゲル化剤中の高分子の絡み合い構造(ハイドロコロイド)
キサンタンガムの化学構造(繰り返し単位)
:単糖単位 キサンタンガムの高分子絡まりあい構造
粘性・弾性
ゾルとゲルの高分子分散構造
ゾル・ゲル転移⇔濃度・温度変化 etc.
Sol Gel
高分子鎖
高分子は独立に存在絡まりあい etc.
粘性的(液体) 弾性的(固体)
分散媒水
架橋点
3次元ネットワーク構造
物性とは?
工学的モデル中の物性
テクスチャー評価のための物性
基礎科学における物性
食品の二次機能,官能評価・おいしさ
プロセスの最適化
咀嚼・嚥下特性 大変形下での測定試料の大きさ,形状に依存
試料の内部構造
品質管理
x
y
速度 V [m/s] 力 F [N]
板 (面積 S [m2])
y0 [m]流体
: ずり速度Vy0
: ずり応力 (剪断応力)FS
静止
粘度 : 流体の流動性の尺度
→ が大きいほど流れにくい
粘度 FS
= Vy0[Pa・s]
= ・
定常状態 (速度 profile が安定)層流
・
粘度 (粘性率, viscosity) 物性値
FS
Vy0
=
= ・
ニュートン流体
・
(a) 円間内流動 (層流) に関するHagen-Poiseuille の法則
R体積流量 Q [m3 s-1]
流体粘度 [Pa s]
(b) 流体中の球状粒子の沈降 (または浮上) 速度式
R [m]s
[kg m-3]
密度
粒子
速度 V ∞ [m/s]
[kg m-3]流体密度
流体粘度
流体
物性値を含む工学モデル・理論の例(Newton 流体に関して)
Q =P R4
8 L圧力差
粘度値
V = 2R2 ( s – ) g9
[Pa s] 応用例)エマルションの安定性(クリーミング)
必要な均質化サイズ
(層流)
P [Pa]
L [m]
[m]流速 Q は圧力差 Pに比例流速 Qは粘度 に反比例
(粘度が大きいほど流れにくい)
速度 V∞は粘度 に反比例
(粘度が大きいほど動きにくい)
粒子径が1/100なら速度は1/10000
比粘度 sp = ( - s)/ s = rel- 1相対粘度 rel = / s
アインシュタインの粘度式
極限粘度〔 〕= [ sp/C]C→0
溶液の比粘度,還元粘度,極限粘度
還元粘度 red = sp/C
剛体球のサスペンションの粘度
sp = 2.5 : 粒子の体積分率
c: 粒子の濃度 [g/cm3-溶液], : 粒子密度 [g/cm3-粒子] として, = c/∴ red = sp/c = 2.5/ i. e. 還元粘度 red が濃度によらず一定
溶液粘度s: 溶媒粘度
C: 濃度
濃度 C濃度 C
分子間の相互作用大red
= sp/c
〔 〕
0
溶液(ゾル)の非ニュートン流動
流れ方向(層流)
粘度
ずり速度 小・
ずり流動化(Shear thinning)
ずり速度 ・
ずり速度 大・
巨視的な物性
分散構造
動的粘弾性測定
変数変換
G ' : 貯蔵弾性率 [Pa]' : 動的粘性率 [Pa・s]
G ' '
tan =
損失弾性率 G ": (≡ ' ) [Pa]複素弾性率 G * = G ' + i G " [Pa]複素粘性率 *≡ G */(i ) = ' - i " [Pa・s]
" ≡ G '/
応力
ひずみ
位相 遅れ
: 角周波数 [rad/s]
弾性体 = 0粘性体 = /2
粘弾性体 (G ', ')
log 10 log 10
log 1
0G'
log
10G
"
log 10 log 10
log 1
0'
log 1
0G'
log
10G
"
真のゲル(弾性的ゲル)
弱いゲル(構造化した液体)
真の高分子溶液(濃厚高分子溶液)
希薄な高分子溶液
log 1
0G'
log
10G
"
-1G ' G '
log 1
0G'
log
10G
"
G"
G"
G '
G"G"
1'
log 1
0'
'
G '
2
食品ハイドロコロイドのレオロジー挙動
一般に
観測時間が長い(角周波数 小)
液体的 (流動)
観測時間が短い(角周波数 大) 固体的 G '
G "
基礎研究・内部の高分子の絡み合い・分散構造・分子のダイナミックス・構造物性相関
応用上・ハイドロコロイド内の構造・マクロに発現する物性挙動
の有効活用
ハイドロコロイドの物性
基礎1. パーコレーション理論によるゾル-ゲル転移点近傍
における食品の力学物性の解析2. 誘電緩和法によるハイドロコロイド中の
高分子の分散構造の解析
講演内容
応用3.嚥下困難者用介護食の物性に関する研究
1. パーコレーション理論によるゾル-ゲル転移点近傍における食品の力学物性の解析
格子モデルとゾル-ゲル転移の類似性
パーコレーション(Percolation)モデル
Pbond
Psite
: 有限クラスター: 無限クラスター
図ではP =Psite and Pbond= 1P < Pc P = Pc
(パーコレーション転移点)
P > Pc
高分子網目構造水和した高分子
高分子鎖間の結合
C < Cg(ゾル)
C = Cg(ゾル-ゲル転移点)
C > Cg(ゲル)
P C
Site percolation
Gel
Sol
0 10
1
Psite
P bon
d
Psite Polymer concentrationAging time ?Temperature
Pbond
Percolation model and Sol-Gel Transition
bond percolation
スケーリング則(Scaling law)|P - Pc|- s
G |P - Pc|t
|P - Pc|-s |C - Cg|-s
G |C - Cg|t
s : 粘度 の臨界指数: ゾルの粘度
Cg: ゾル-ゲル転移 (ゲル化) 点濃度
C: 高分子濃度
t : 弾性率 G の臨界指数G : ゲルのずり弾性率
スケーリング則の濃度による表現
パーコレーションモデルによる臨界指数 s, t の計算値
s = 0.7~0.8 (常電導体と超電導体の混合系のコンダクタンスから)
t = 1.7~2.0(常電導体と不導体のコンダクタンスから)
ランダムレジスターネットワーク
濃度変化によるゾル-ゲル転移とスケーリング則ゾル ゲル
高分子
G '1/ゾル ゲル
濃度 Cゾル‐ゲル転移点 Cg
|Cg - C|-s G |C - Cg|ts = 0.7~0.8 t = 1.7~2.0
濃度 Cg' [×10-2 kg/kg-solution]0 2.0 3.0 4.0
0.1
0.2
0.3
0
1/[(
mPa
・s)
-1]
ずり速度 [s-1] △, 1.92○, 3.83□, 19.2▽, 38.3
ゲル化点濃度 Cg'
Percolationモデルによるゼラチンゾルの粘度 の解析
1/ の濃度依存性
0.1 1(Cg'–C) [×10-2 kg/kg-solution]
10
100
[mPa
・s]
1
Slope (-s): ~ -1
粘度の臨界指数 s の算出
温度: 20 ℃ゲル化点濃度 Cg'
Percolationモデルによるゼラチンゲルの弾性率 G 'の解析
1 10(C – Cg) [×10-2 kg/kg-solution]
10
102
103
Dyn
amic
She
ar M
odul
us G
' [Pa
]
Slope (t): 2.05
5 10 15濃度 C [×10-2 kg/kg-solution]
0
200
400
600
800
Dyn
amic
She
ar M
odul
us G
' [Pa
]
弾性率の臨界指数 t の算出弾性率 G ' の濃度依存性
温度: 20 ℃ 測定周波数: 2 Hz.
計算値
(Tg – T) [℃]1 10
1000
100
10Dyn
amic
She
ar M
odul
us G
' [Pa
]
ゼラチンゲルの弾性率 G'の臨界挙動(温度変化)
Slope (t): 1.92
Concentration:0.100 kg/kg-solution
30 40 50 60Temperature T [℃]
Tg = 55 ℃Cor
rela
tion
Leng
th
[m
]60
40
20
0
-カラギーナンの動的光散乱測定(温度依存性)
Conc. of - carrageenan: 1×10-2 kg/kg-solutionK+ ion: 2.58×10-3 kg/kg-solution
(C – Cg) [×10-2 kg/kg-solution]0.2 0.5 1.0
10
20
50
5
Dyn
amic
She
ar M
odul
us G
' [Pa
]
Slope (t): 1.74
Dyn
amic
She
ar M
odul
us G
' [Pa
]
(Tg – T) [℃]2 5 10 20
10
100
1
Slope (t): 1.80
-カラギーナンゲルの弾性率 G'の臨界挙動
(C – Cg) [×10-2 g/cm3]1
100
10
without saltG
' [Pa
]
Slope: 1.9
0.1 1 10
1000
100
1
10
0.1 M Na2SO4
G' [
Pa]
Slope: 1.9
Slope: 1.8
1000
100
10
1.0 M NaCl
1 10
G' [
Pa]
塩添加ゼラチンゲルの弾性率 G'の臨界挙動
(C – Cg) [×10-2 g/cm3]
(C – Cg) [×10-2 g/cm3]
スケーリング仮説:系に特徴的な長さのスケールを変えたときに,系を記述する式の関数系が変わらない.
スケーリング則に関する補足
べき乗関数 y = kxp (k: 定数) あるいは y ∝ xp
スケーリング則 粗視化した見方
一種の自己相似性x→ x のとき y = k( x)p = k'xp (k' = k p)
[参考] フラクタル (fractal) 自己相似性の物体
R
: particle
M ∝ RDf
(a) コッホ曲線 (Koch curve)フラクタル次元 Df = 1.2618…
(b) 凝集体のフラクタル次元 Dfの算出
Df≈1.8 Df≈2.1
(c) Computer simulation で得られた凝集体のフラクタル
(a) コッホ曲線 (Koch curve)フラクタル次元 Df = 1.2618…
加熱凝集ゲルの弾性率の挙動は内部の mオーダーの凝集体のフラクタル構造の反映.
2. 誘電緩和法によるハイドロコロイド中の
高分子の分散構造の解析
電気物性 ⇔ 高分子の分散構造
① BSA(球状タンパク質)Debyeの理論
②ゼラチン
分子の絡み合い構造③電解質高分子(アルギン酸)
希薄溶液・準希薄溶液の概念絡み合いの閾値濃度 C*スケーリング則
R : 電気抵抗
G : コンダクタンス
G = 1/R
電気双極子
電導電荷
+--+
C
Sample
-+-+
-+-+
コンデンサー容量 C電流
I電流
I
電圧 V 電圧 V
試料
誘電率 = C Sd
d : 電極板間距離S : 電極板面積e0 : 真空の誘電率比誘電率(誘電率) : ' = e0
電気伝導度: ' = G Sd
.
+-
+-
+-
+-
+-
+-
誘電緩和現象
fm
電場 E電場 E
誘電率 ' 電気伝導度 '
高周波数域
低周波数域
周波数
誘電損失 '''' = '
2 fe0e0: 真空の誘電率
+- 電気双極子
緩和時間 =2 fm
1
緩和強度
BSA (球状タンパク質) およびゼラチンの誘電緩和
103 104 105 106 107Frequency [Hz]
70
80
90'
'
70
80
90
BSA40°C
25°CBSA
40°Cgelatin
80
90
100
80
90
100'
' gelatin25°C
103 104 105 106 107Frequency [Hz]
● 0.010 [kg/kg]● 0.005 [kg/kg]■ 0.002 [kg/kg]
Concentration
● 0.10[kg/kg]● 0.05[kg/kg]■ 0.02[kg/kg]
Concentration
BSA(球状タンパク質)溶液の誘電緩和Debyeの理論
R R :粒子の半径kB:ボルツマン定数T :絶対温度:系の粘度
= 4 R 3
k BT
E = E0 ei t
25℃Slope: 2.78×10-4
R = 4.7nm
40℃Slope: 3.23×10-4
R = 4.5nm
0 1 2 3
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
[s]
[mPa・s]
ゼラチン溶液の緩和時間 と溶液粘度
Coil
Helix
40°C
25°C
0 1 2[mPa·s]
0.8
0.6
0.4
0.2
10
20
30
[s]
[s]
Fig. アルギン酸ナトリウムの相対粘度 relの濃度依存性
0.01 0.1 1 10Concentration [mM]
1
2
10rel
rel = / s 溶液粘度
s: 溶媒粘度
: Cole-Cole 式にfitting
101 102 103 104
Frequency (kHz)
-∞
0
2468
10
121 mM
: Monomer Concentration0.4
0.2
0.07 0.05
0.03
0.02
アルギン酸ナトリウムの誘電緩和
+
+
++
+
+
+
+
+
++
++
+ +
polyelectrolyte
counterion
d
d/2-d/2
e /kT
1x
Diameter of the bound region
d = 2DConcentration of the bound counterion
Nb = 0 3kT2D NAV q2
D, Diffusivity of the counterion; k, Boltzmann constant; NAV , Avogadro's number; q, Charge of the counterion; T, Absolute temperature
線状高分子電解質溶液の希薄・準希薄溶液
高分子電解質
希薄 (Dilute) 溶液 準希薄 (Semi-dilute) 溶液
: 相関長
自由体積 V と相関長
(希薄溶液) (準希薄溶液)V 3 V 2
C -1/3 C -1/2
高分子の重なり合いのしきい値 (濃度): C*
希薄溶液と準希薄溶液の境界
および に関するスケーリング則
(希薄溶液) (準希薄溶液)
V 3 V 2
C -1/3 C -1/2〜d
(準希薄溶液)(希薄溶液)
∝ C 1/3 ∝ C 0
∝ C -2/3 ∝ C -1
粘度に関するスケーリング則
(希薄溶液) sp = ( - s)/ s ∝ C 1
(準希薄溶液) rel = / s∝ C1/2
溶液粘度
rel: 相対粘度s: 溶媒粘度sp: 比粘度
C*0.01 0.1 1 10 100
Slope: -2/3
Slope: -1
(b)
10-12
10-11
10-10
D/[
]2/3
0.01 0.1 1 10 100 C*
Slope: 1
Slope: 1/2
1.1
2
10 (c)
C ]
rel
(a)
Slope: 1/3
Slope: 0
C*0.01 0.1 1 10 100
2
10
468
電解質高分子①誘電緩和 and/or 粘度測定から重なり合いのしきい値濃度C*が求まる
②粘度が,スケーリング則に従った挙動
巨視的な物性(電気物性,粘度)
高分子の分散・絡み合い構造
嚥下困難者用介護食の物性
生体計測(超音波パルスドプラー法)と機器測定との併用
↓
介護食
(誤嚥しにくい)
• 高齢社会• 咀嚼・嚥下困難な高齢者増加
肺へ
食道気管
喉頭蓋
咽頭部
誤嚥
窒息・誤嚥性肺炎などの原因
胃へ
嚥下障害の程度
重度
軽度
嚥下食ピラミッド(金谷節子)
L0
栢下淳編,“嚥下食ピラミッドによる---嚥下食レシピ250”,医歯薬出版株式会社 (2008)より.
開始食
L1(嚥下食Ⅰ)
L2(嚥下食Ⅱ)
L3(嚥下食Ⅲ)
L4 介護食
(移行食)
L5 普通食
“まとまりやすく”,“べたつかない”食物が飲み込みやすい
食物の“飲み込みやすさ”とは?
飲み込みにくい食物
“パサパサ”している食物例)粉,砕いた煎餅,ビスケット水(?),低粘性の液体(?)
ばらばらになりやすい食物
べたつく食物例)もち
誤嚥 しやすい
のどに詰まりやすい
歪率歪率 (%)(%)
応力
応力((
N /
N /m
2))
TPA(Texture Profile Analysis)
A2A1
B
H
プランジャー
断面積 S(㎡)
試料
台
圧縮速度(mm/s)
かたさ (N/m2)
付着性(J/m3)
凝集性
A2/ A1
“まとまりやすさ”??ビスケットや煎餅??
“べたつき”試料とプランジャー間の付着
⇒面積 B大
厚生労働省による高齢者用食品の物性規格(1994年)
歯ぐきでつぶせる
50 % 以下固形物を含む全体
を測定して5×104 N/m2 以下
ゲル中に固形物
舌でつぶせる
1×104 N/m2 以下ゲル
50 % 以下固形物を含む全体
を測定して5×103 N/m2 以下
ゾル中に固形物
かまなくてもよい
1.5×103
mPa・s以上
5×102 N/m2 以下ゾル
備考[堅さ、食べやすさの目安]
ゾルの粘度(mPa・s)
固形物の比率[重量%]堅さ (N/m2) 形状種別
規格食品群
困難者用食品
そしゃく・えん下
B型粘度計を用いてロータ回転数12rpm における粘度 1.5 Pa・s 以上
厚生労働省えん下困難者用食品許可基準(2009/4/1~):2010年消費者庁に移管
許可基準Ⅰ 許可基準Ⅱ 許可基準Ⅲ
硬さ (N/㎡) 2.5×103~1×104
1×103~1.5×104
3×102~2×104
付着性 (J/㎥) 4×102以下 1×103以下 1.5×103以
下
凝集性 0.2~0.6 0.2~0.9 -
嚥下障害の程度
重度 軽度
TPA(テクスチャー)測定の3つのパラメータ
超音波パルスドプラー法による咽頭部における食塊の流速測定
生体計測(Videofluorographyその他)
機器測定とヒトの感覚とのギャップを埋める
機器測定から得られる物理量や化学分析値のみでの評価困難
・感覚を表現する用語には複数の物理的・化学的な因子が絡む→“官能評価”の意味
・咀嚼・嚥下過程では,食物の物性が大きく変化し,その感覚は舌,口蓋,咽頭部,鼻など様々な器官によって総合的に“評価”される.
“飲み込みやすさ”とは?
咽頭部における流速測定測定機器:医療用超音波診断装置
測定周波数: 6MHz
測定部位:咽頭部水平に対して上向きに60°
喉頭蓋を通過する直前の流速
被験者:健常女性
60°
喉頭蓋
測定項目:流速スペクトル粒子密度最大流速 Vmax,平均流速 vm
流速スペクトルの解析(超音波パルスドプラー法)
時間
粒子
数
流速
(試料:水 6 g)
最大流速
時間 (s)0.5
流速
(m
s-1)
0.4
0.8
0
粒子密度
高
低
Vmax (m s-1)
誤嚥しやすさ 最大流速 Vmax
誤嚥しやすい水と誤嚥しにくいヨーグルト
の流速スペクトルの差異
水0.8
0.4
0
流速(
ms-1)
水
ヨーグルト
0.4
0
0.8
最大
流速
V max(
m s-1
)
粒子密度高
低
ヨーグルト
時間 (s)
超音波による流速分布測定
0.9
0.5 [s]0
水
ヨーグルト
グアガム (%)0.2 0.4 10.7
0.5 [s]0
0.9 水
0.1 0.2 0.5 1.51
ヨーグルト
キサンタンガム(%)
0.9
0.5 [s]
0
ヨーグルト
α化デンプン (%)
2 3 74
水0.9
0.5 [s]
0
水
ヨーグルト
CMC (%)1.3 1.8 2.62.3
低 高
粒子密度
流速
(m s-1
)流
速(m
s-1)
流速
(m s-1
)流
速(m
s-1)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
0 1 2 3増粘剤濃度 [%]
Yogurt
(a) CMC (b) Xanthan gum
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Yogurt
V max
v m
0 0.5 1 1.50
0.2
0.4
0.6
0.8(c) Guar gum
0 0.5 1 Yogurt
咽頭部流速
[m/s
]
咽頭部
流速
[m/s
]
咽頭部流速
[m/s
]
V max V max
増粘剤濃度 [%] 増粘剤濃度 [%]
増粘剤溶液の咽頭部流速の濃度依存性
V max: 最大流速
v m v m
v m: 平均流速
R [m]
x [m] x tanφ
[rad/s]
(cone)
= xx tan
= tan
非ニュートン流体でも物理的に明確な粘度
流動特性vs.
M: トルク [N・m]= 3 M2 R3
・サンプル少量(数ml)・スリップする試料は不可
・大きい粒子を含む試料は不可
場所 (x) によらず一定
粘度
角周波数
ずり速度
試料
コーン
コーンプレート型粘度計
[rad/s]
試料
角周波数 [rad/s]
Rb [m]
h [m]
Rc [m]
ロータ
回転円筒型粘度計(B型粘度計)
・ずり速度 の近似値は得られる (実験式使用)
非ニュートン流体でも近似的な流動特性
・安価で取り扱いが容易
粘度= M
4 h ( 1Rb
2– 1
Rc2) M: トルク [N・m]
ニュートン流体に関する式
・サンプル大量 (~500ml)・多少不均一な試料でも粘度の概略値が得られる
vs.
Brookfield-type 粘度計
増粘剤溶液の粘度
0.01
0.1
1
10
1 10 100 1000
7% 7%-B3% 3%-B2% 2%-B
0.001
0.01
0.1
1
1 10 100 1000
2.6% 2.6%-B1.3% 1.3%-B0.04% 0.04%-B
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1 10 100 1000
1.5% 1.5%-B0.5% 0.5%-B0.1% 0.1%-B
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1 10 100 1000
1% 1%-B0.4% 0.4%-B0.2% 0.2%-B
ずり速度γ (s-1) ずり速度γ (s-1) ずり速度γ (s-1)
ずり速度γ (s-1)
キサンタンガム グアガム α化デンプン
粘度μ
(Pa・
s)粘度μ
(Pa・
s)
ニュートン流体に近い
CMC
非ニュートン流体(ずり流動化)
コーンプレート型B型
・
・ ・ ・
増粘剤溶液の動的粘弾性測定の結果
0.001
0.01
0.1
1
10
100
0.1 1 10 1000.001
0.01
0.1
1
10
100
0.1 1 10 100
キサンタンガム
0.001
0.01
0.1
1
10
100
0.1 1 10 100
CMC
角周波数ω (rad/s) 角周波数ω (rad/s) 角周波数ω (rad/s)
G’(
Pa) ,
G”
(Pa)
G’(
Pa) ,
G”
(Pa)
G’(
Pa) ,
G”
(Pa)
グアガム
弱いゲル
真の高分子溶液
真の高分子溶液
希薄な高分子溶液
希薄な高分子溶液
希薄な高分子溶液
1% G’1% G”
0.1% G’0.1% G”
1.5% G’1.5% G”
0.2% G’
0.2% G”
2.6% G’
2.6% G”
1.3% G’
1.3% G”
]
1 10 100 [s-1] or [rad/s]・
10
20
30
0
*
'
液状の介護食として必要な , ', *の値の推定
・
1.00
0.80
0.90
1 10 100 [s-1] or [rad/s]・
0.95
0.85*
'
相関係数
R
1 10 100
108
6420
[s-1] or [rad/s]・
'*
,',
*[P
a・s]
,',
*[P
a・s]
最大流速 Vmax = 0.2 m/s(ヨーグルト程度)
最大流速 Vmax = 0.3 m/s(やや妥協した値)
咽頭部サイズ
ずり速度:数十 s-1程度
1994年厚労省基準値 1.5 Pa・s
粘度 ,動的粘性率 ' ,複素粘性率 * ( or =10~数十 s-1)液状介護食の物性指標
・
0
0.10.20.3
0.50.6
0.4R = 0.914 R = 0.911 R = 0.919
V max of yogurt
0.01 0.1 1 100
0.10.20.3
0.50.6
0.4
0
0.10.20.3
0.50.6
0.4
0.01 0.1 1 10 0.01 0.1 1 10
V max of yogurtV max of yogurt
増粘剤溶液の粘度 ,動的粘性率 ' ,複素粘性率 *と最大流速 Vmax との相関 ( or = 25 [s-1] or [rad/s])・
V max
[m s-1
]
V max
[m s-1
]
V max
[m s-1
]
粘度 [Pa・s] 動的粘性率 ' [Pa・s] 複素粘性率 * [Pa・s]
ジャム状ポタージュ状 ヨーグルト状
市販のトロミ剤
増粘多糖類
トロミ剤溶液,ヨーグルト・カード破壊ヨーグルトの流速スペクトル
ヨーグルト状 (2.0%)
ポタージュ状 (1.0%)
水
ジャム状 (2.5%)
粒子密度トロミ剤溶液
ヨーグルトカード破壊ヨーグルト
高
低
時間 [s]0.5 s
0.5
0.9
0咽頭部流速
[m s-1
]
水 左: 最大流速 Vmax右: 平均流速 vmポタージュ状
ヨーグルト状ジャム状
ヨーグルトカード破壊
ヨーグルト
0.8
0.6
0.4
0.2
0
トロミ剤溶液,ヨーグルト,カード破壊ヨーグルトの咽頭部流速
咽頭部流速
[m s-1
]
トロミ剤(トロメイク)溶液とカード破壊ヨーグルトの流動特性
10
1
0.1101 100・ずり速度 [s-1]
■:ジャム状▲:ヨーグルト状
●:ポタージュ状
●:カード破壊
ヨーグルト
粘度
[Pa・
s]
η', η* 粘度μ
介護食の物性指標
(動的粘弾性測定) (流動特性測定)
液状食品(増粘剤溶液)のまとめ
1994年の厚生労働省の旧基準における粘度
いずれも不適切で現実に合わない
ずり速度(ロータ回転数):2-3 s-1(12 rpm)粘度の閾値:1.5 Pa・s
or : 10~数十 s-1 or rad/s・
ジェランおよびゼラチンの咽頭部流速
(a) ジェラン
(b) ゼラチン
Water0
咽頭部流速
[m s-1
]
濃度 [%] Yogurt
0.6
0.3vm
Vmax
舌でつぶす 歯で噛む
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Yogurt0 1.0 2.0 3.0 4.0
0.6
0.3
0
Vmax
vm
歯で噛む舌でつぶす
濃度 [%]Water
咽頭部流速
[m s-1
]
Fig. Concentration Dependence of the Parameters obtained from TPA Test.◆◇, a Thickening agent;▲△, CA (a Commercial Gelling Agent containing κ-Carrageenan); ■□, MC (CA with Milk and Sucrose); ●○, Yogurt; ▼▽, WaterTest speed: ◆▲■●▼, 1 mm/s; ◇△□○▽, 10 mm/s
0 1 2 3 4 5 Concentration [%]
Har
dnes
s (N
/m2 )
102
103
104
Yogurt 0 1 2 3 4 5 Concentration [%]
Yogurt
Coh
esiv
enes
s
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 1 2 3 4 5 Concentration [%]
Yogurt
Adh
esiv
enes
s (J/
m3 )
1
10
102
103
Fig. Concentration Dependence of the Parameters obtained from TPA Test.◆◇, a Thickening agent; ▲△, CA (a Commercial Gelling Agent containing κ-Carrageenan); ■□, MC (CA with Milk and Sucrose); ●○, Yogurt; ▼▽, WaterTest speed: ◆▲■●▼, 1 mm/s; ◇△□○▽, 10 mm/s
YogurtConcentration [%]
0 1 2 3 4 5 0
0.2
0.8
0.6
0.4
Vel
ocity
thro
ugh
Phar
ynx
[m/s
]
Fig. Relation between the Parameters from TPA Tests and Vmax◇, T; △, CA; □, MC; ○, Yogurt; ▽, Water
Test speed: 10 mm/s
Max
imum
Vel
ocity
Vm
ax[m
/s]
0
0.2
0.8
0.6
0.4
100 1000 10000Hardness [N/m2]
0
0.2
0.8
0.6
0.4
10 100 10001Adhesiveness [J/m3]M
axim
um V
eloc
ity V
max
[m/s
]0
0.2
0.8
0.6
0.4
Max
imum
Vel
ocity
Vm
ax[m
/s]
0.2 0.4 0.6 0.8 10Cohesiveness
ゲル状食品の物性と咽頭部流速について
硬さ”の値が1000 N/m2以上で咽頭部の最大流速 Vmax の値は
ヨーグルト程度まで低下した.
食塊のまとまりやすさの指標とされている“凝集性”は咽頭部流速との相関がみられなかった.
このことから、 TPA測定から得られるパラメータでは“硬さ” が誤嚥の危険性の尺度として適していると考えられた.
食品ハイドロコロイドの構造と物性
高分子物理学的理論・レオロジー
機器による物性測定・解析
生体計測
官能評価臨床試験
実用テクスチャーデザインなど
まとめ
[参考文献][パーコレーション, フラクタル]原著論文(1-1) T. Yano, H. Kumagai, T. Fujii, and T. Inukai, Biosci. Biotech. Biochem., 57, 528-531 (1993).(1-2) H. Kumagai, T. Fujii, T. Inukai, and T. Yano, Biosci. Biotech. Biochem., 57, 532-535 (1993).(1-3) T. Hagiwara, H. Kumagai, and K. Nakamura, Biosci. Biotech. Biochem., 60, 1757-1763 (1996).(1-4) T. Hagiwara, H. Kumagai, T. Matsunaga, and K. Nakamura, Biosci. Biotech. Biochem., 61, 1663-1667 (1997).(1-5) T. Hagiwara, H. Kumagai, and T. Matsunaga, J. Agric. Food Chem., 45, 3807-3812 (1997).(1-6) T. Hagiwara, H. Kumagai, and K. Nakamura, Food Hydrocolloids, 12, 29-36 (1998).(1-7) H. Kumagai, T. Matsunaga, and T. Hagiwara, Biosci. Biotech. Biochem., 63 (1), 223-225 (1999).総説・解説論文(1-8) “食品のゾル−ゲル転移点近傍における力学物性”,熊谷仁,New Food Industry, 38 , 19-26 (1996).(1-9) “牛血清アルブミンゲルのフラクタル解析”,熊谷仁,日本バイオレオロジー学会誌, 13, 1-8 (1999).
[誘電緩和]原著論文(2-1) S. Ikeda, H. Kumagai, and K. Nakamura, Carbohydrate Research, 301 (2), 51-59 (1997).(2-2) S. Ikeda, H. Kumagai, and K. Nakamura, Food Hydrocolloids, 11 (3), 303-310 (1997).(2-3) S. Iwamoto and H. Kumagai, Biosci. Biotech. Biochem., 62 (7), 1381-1387 (1998).(2-4) S. Ikeda and H. Kumagai, J. Agric. Food Chem., 45 (9), 3452-3458 (1997).(2-5) S. Ikeda and H. Kumagai J. Agric. Food Chem., 46 (9), 3687-3693 (1998).(2-6) S. Iwamoto, H. Kumagai, Y. Hayashi and O. Miyawaki, Int. J. Biol. Macromolecules, 26, 345-351 (1999).(2-7) H. Kumagai, T. Sugiyama, and S. Iwamoto, J. Agric. Food Chem, 48 (6), 2260-2265 (2000).総説・解説論文(2-8) "Dielectric Analysis of the Inner Structure of Food Polyelectrolyte Solutions and Gels",
H. Kumagai and S. Ikeda, Recent Research Developments in Agricultural & Biological Chemistry, 2, 133-141 (1998).(2-9) “Analysis of Molecular or Ion Mobility in Glassy and Rubbery Foods by Electric and Proton-NMR Measurements”,
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の運動性に関する解析”,熊谷仁,熊谷日登美,日本食品工学会誌,9, 197-206 (2008).
[嚥下関係]原著論文(3-1) 長谷川温子,乙黒明子,熊谷仁,中沢文子,日本食品科学工学会誌,52 , 441-447 (2005).(3-2) 長谷川温子,中澤文子,熊谷仁,日本食品科学工学会誌,55 , 330-337 (2008).(3-3) 長谷川温子,中澤文子,熊谷仁,日本食品科学工学会誌,55,541-548(2008)(3-4) H. Kumagai, A.Tashiro, A. Hasegawa, K. Kohyama and H. Kumagai,
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日本食品工学会誌, 14 (2),87-96 (2013).総説・解説論文(3-8) “食品の物性そして水 Ⅴレオロジーと食品工学−嚥下障害者用介護食の物性を中心として”,
熊谷仁,熊谷日登美,日本食品工学会誌,10, 137-148 (2009).(3-9) “高齢者が誤嚥しにくい食品の物性”,熊谷仁,谷米 (長谷川) 温子,田代晃子,熊谷日登美,
New Food Industry, 53, 29-40 (2011). (3-10) “超音波による咽頭部流速測定に基づく食物の嚥下特性評価”,熊谷仁,谷米 (長谷川) 温子,熊谷日登美,
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化学と生物,49, 610-619 (2011).(3-12) “超音波パルスドプラー法による咽頭部における食物の流速測定”,
熊谷仁,谷米 (長谷川) 温子,冷凍, 87 (1018), 534-540 (2012).(3-13) 「進化する食品のテクスチャー研究」,株式会社エヌ・ティー・エス,
山野善正監修,第4章 咀嚼と嚥下,6. 嚥下障害用介護食のテクスチャー・物性,熊谷仁,谷米 (長谷川) 温子(2011).
[食品物性全般](1) “食品の物性そして水 Ⅰ食品工学における物性そして水”,熊谷仁,熊谷日登美,萩原知明,
日本食品工学会誌,9, 79-89 (2008).(2) “食品ハイドロコロイドの物性に関する研究”,熊谷仁,日本食品工学会誌,13, 79-90 (2012).