塔拉胶增稠扁豆汤在IDDSI分级膳食中的流变学与摩擦学特性及其吞咽障碍管理应用

《Legume Science》：Rheological and Tribological Properties of Tara Gum-Thickened Lentil Soups at Selected IDDSI Levels for Dysphagia Management

　　

本研究评估了一种基于塔拉胶（tara gum, TG）的商业增稠剂在配制符合国际吞咽障碍饮食标准化倡议（International Dysphagia Diet Standardization Initiative, IDDSI）1–4级质地改良扁豆汤中的应用，并在5°C、25°C和37°C下表征其流变学与摩擦学特性。增稠后的汤品表现出显著的非牛顿、剪切变稀（shear-thinning）及触变性（thixotropic）流动行为，表明随增稠剂浓度增加，其结构强度增强。稳态流动行为可由Herschel–Bulkley模型和Carreau模型共同良好描述，其中屈服应力（yield stress）、零剪切粘度（zero-shear viscosity）及触变性的逐步增加反映了结构完整性的增强。振荡流变学分析识别出不同的凝胶点（G′ = G″），其交叉频率随IDDSI等级升高而降低，表明聚合物链缠结程度较高并形成更强的网络结构。对于IDDSI膳食等级1–3，Han图表现出优异的线性关系，而Cox–Merz规则在低频和低剪切速率（0.1–1 Hz/s?1）下显示出合理的一致性。该相关性提示体系在振荡与稳态剪切变形下具有可比的结构响应。通过Stribeck曲线进行的摩擦学测量表明，汤品主要运行在混合润滑和流体动力润滑区域，IDDSI 1–3级间的摩擦系数（coefficient of friction, COF）变化不显著，表明其具有良好的口腔润滑特性。总体而言，在37°C下配制的IDDSI 1–3级样品表现出最高的结构稳定性和聚合物相容性。研究结果表明，在体温条件下食用此类汤品可能提供更优的流变学性能，并可能促进吞咽障碍患者更安全、更高效的吞咽。

论文解读：塔拉胶增稠扁豆汤在IDDSI分级膳食中的流变学与摩擦学特性及其吞咽障碍管理应用

一、研究背景与意义

吞咽障碍（dysphagia）是一种影响各年龄段人群的吞咽功能紊乱疾病，在老年人群中尤为高发，常与年龄相关的生理衰退、神经系统疾病（如卒中、痴呆）、老年综合征、耳鼻喉疾病、肌少症以及口咽部肌肉衰弱等因素密切相关。吞咽障碍患者面临脱水、营养不良、体重下降、吸入性肺炎、窒息等严重后果，生活质量显著降低。尽管该病发病率高且临床负担重，但在社区老年人中仍普遍存在诊断不足和管理不善的问题。全球约8%的人口（近5.8亿人）受吞咽障碍影响，65岁以上人群中约13%患病。

在吞咽障碍的临床管理中，质地改良食品（texture-modified foods, TMFs）通过提供适宜的软度、湿度和内聚性，促进食团形成与转运，同时降低误吸风险，发挥着关键作用。国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）提供了全球统一的食品和液体质地分类框架。扁豆（Lens culinaris Medik.）因其优异的营养特性——富含植物蛋白（21%–32%）及铁、B族维生素等必需微量营养素——以及广泛的工业应用需求而受到食品行业高度关注。扁豆汤在亚洲和中东地区具有深厚的文化基础，常作为主食或独立菜肴。流行病学研究将扁豆的规律摄入与高血压、心血管疾病、2型糖尿病及某些癌症风险降低相关联。因此，扁豆汤是开发吞咽障碍膳食的理想候选基质。

流变学特性，尤其是粘度，在吞咽障碍的膳食管理中起决定性作用。低粘度流体在吞咽过程中因通过咽部过快，气道关闭和保护时间不足而极易发生误吸；增加流体粘度则通过减缓食团转运为生理性吞咽反射争取时间，从而提升吞咽安全性。为实现目标稠度，黄原胶（xanthan gum, XG）、瓜尔胶（guar gum, GG）、刺槐豆胶（locust bean gum, LBG）、塔拉胶（tara gum, TG）、魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan, KG）和改性淀粉（modified starch, MS）等亲水胶体被广泛用作增稠剂。塔拉胶在结构上与LBG和GG相关，但其独特的甘露糖与半乳糖比例（3:1）赋予其在水相体系中更优异的流变学性能。然而，目前对塔拉胶基增稠剂在扁豆汤这类富含蛋白和淀粉的复杂食品基质中的流变学与摩擦学行为研究尚不充分。基于扁豆的营养密集特性及老年吞咽障碍患者对扁豆汤的普遍偏好，本研究旨在通过系统表征塔拉胶基商业增稠剂（Purathick）增稠的扁豆汤在IDDSI 1–4级下的流变学与摩擦学特性，评估其作为吞咽障碍专用膳食的适用性，以拓展专科膳食的菜单选择。

二、主要技术方法

研究人员采用多种流变学与摩擦学表征手段系统评估增稠扁豆汤的性能。样品制备方面，以印度产红碎扁豆为原料，经慢煮、均质、过筛（100目，149 μm）制备基础扁豆汤，总固形物含量为14%，并按IDDSI注射器流动测试标准配制DL1–DL4四个等级。流变学测量使用TA Instruments Discovery HR3流变仪，采用同心圆筒系统，在5°C、25°C和37°C三个温度下进行稳态剪切（0.1–100 s^?1双向扫描）和小振幅振荡剪切（SAOS）测试，包括振幅扫描确定线性粘弹区（LVR）和频率扫描（0.1–10 Hz）。摩擦学测量采用球-盘式MFT-5000摩擦磨损试验机，在25°C下以5 N法向载荷和阶梯式滑动速度（700–1 rpm）获取Stribeck曲线。数据分析采用两因素方差分析（ANOVA）和Tukey事后多重比较（p < 0.05），并使用JMP Pro 17.1软件进行统计处理。

三、研究结果

3.1 IDDSI流动测试

10 mL注射器流动测试显示，对照汤品在10秒内完全流尽，而增稠样品的保留体积随增稠剂浓度增加而逐步增大。DL1保留约2 mL（IDDSI 1级，微稠），DL2保留7.5 mL（IDDSI 2级，轻度稠），DL3保留9.3 mL（IDDSI 3级，中度稠）。DL2和DL3的数值接近各自量程上限，提示扁豆淀粉中析出的直链淀粉与塔拉胶半乳甘露聚糖之间存在协同相互作用——半乳甘露聚糖虽不与淀粉形成共价键，但通过扩大连续相中的总流体动力学体积，产生分子拥挤效应，人为浓缩淀粉相，急剧提升系统流动阻力和表观粘度。DL4样品完全不流动，需采用叉子滴落测试和勺子倾斜测试验证，结果符合IDDSI 4级（极度稠）标准。

3.2 稳态流动行为

所有增稠扁豆汤均表现出典型的剪切变稀（假塑性）行为。与对照汤品随温度升高剪切应力和表观粘度增加的趋势相反，增稠汤品的流变参数随温度升高而降低，反映了塔拉胶基增稠剂的温度依赖性响应。触变性（滞后回线面积）随IDDSI等级升高而增大，随温度升高而降低。DL1–DL3的滞后值范围为74.64–289.6 Pa·s。值得注意的是，DL4在5°C下表现出极高的触变性（708 Pa·s），在37°C下出现负滞后值（?191.6 Pa·s），即反触变（触稠性）行为，这可能与高浓度塔拉胶与糊化扁豆淀粉释放的直链淀粉之间的温度依赖性相互作用有关，提示剪切诱导结构形成或延迟结构恢复。

3.3 稳态流动行为的数学模型

Herschel–Bulkley模型（R2 = 0.98–0.99）和Carreau模型（R2 > 0.99）均能良好描述实验数据。屈服应力（τ?）和稠度系数（K）随IDDSI等级升高而显著增加，流动行为指数（n）随之降低，表明更高增稠剂浓度下剪切变稀行为增强。温度从5°C升至37°C时屈服应力降低，反映热诱导的结构弱化。DL4样品的屈服应力超出仪器测量范围，提示形成了高度结构化凝胶网络，可能不利于吞咽。Carreau模型参数中，零剪切粘度（η?）随浓度增加而显著升高（DL1在37°C为9.96 Pa·s，DL4在5°C达717.56 Pa·s），特征时间（λ）在DL1–DL3随等级升高而降低但在DL4显著增加，反映高浓度下更强的分子缠结和延迟的结构破坏。

3.4 振荡剪切行为

频率扫描显示，增稠汤品的粘弹行为随IDDSI等级升高而逐渐结构化。DL1在5°C下于最低测量频率（0.12 Hz）出现凝胶点，升温后转为粘性主导。DL3的交叉频率（G′ = G″）为0.79、0.40和0.63 Hz（5°C、25°C、37°C），显著低于DL1和DL2，表明更早的弹性行为发展和更强的聚合物链缠结。DL4在整个频率范围内G′始终高于G″，5°C下无交叉点，形成完全发展的凝胶网络。幂律指数分析显示，DL1和DL2的斜率随温度升高而增大（n? = 0.44–0.78），表明更明显的液体行为；DL3的温度依赖性最小（n? = 0.52–0.58）；DL4的n?值最低（0.05–0.16），呈现典型的强凝胶特征。

3.5 塔拉胶与扁豆汤的相容性：Han图分析

Han图（ln G′对ln G″）用于评估增稠剂与汤品基质的相容性。对照汤品的Han图斜率从5°C的0.60增至37°C的1.13，但仍低于理想均相聚合物体系的1.5–2.0范围，反映其多相分散特性。DL1–DL3的Han图表现出优异的线性关系，斜率范围为1.45–2.13，处于良好相容聚合物体系的典型范围，表明塔拉胶在汤品连续相中均匀水化形成稳定相容的网络结构。其中DL2和DL3的温度依赖性最小。DL4的斜率异常升高（5°C时为5.30），表明最高浓度下结构均匀性下降。

3.6 Cox–Merz规则适用性

Cox–Merz规则（η(ω) = η(γ?)）在对照汤品中完全不适用，η始终高于η，反映其异质多相微观结构在两种变形模式下结构响应不同。加入增稠剂后，DL1–DL3在低频和低剪切速率区域（0.1–1 Hz/s^?1）内η*与η呈现合理的一致性，但随频率和剪切速率增加偏差逐渐增大。DL4在整个测量范围内Cox–Merz规则完全失效。偏差归因于塔拉胶网络的剪切敏感性和触变性——稳态剪切促进网络变形和结构破坏，而小幅振荡测量探测的是相对完整的微观结构。

3.7 摩擦学特性

Stribeck曲线显示，DL2和DL3的摩擦系数（COF）在低滑动速度下较高，随后在混合润滑区域显著下降，表明润滑性能随滑动速度提高而改善。DL4在整个速度范围内COF显著高于低等级样品，反映结构刚性增加导致润滑效率降低。与塔拉胶增稠水相比，扁豆汤在所有IDDSI等级下均表现出更低的COF，表明扁豆蛋白（球蛋白和白蛋白）、淀粉组分（直链淀粉）与增稠剂之间的协同相互作用形成了具有自润滑特性的内聚性生物聚合物网络，有效降低了口腔表面间的摩擦。随着IDDSI等级从2升至4，润滑行为从流体动力润滑区域向混合润滑区域转变。

四、结论

研究人员以塔拉胶基商业增稠剂将扁豆汤增稠至IDDSI 1–4级。流变学表征表明，所有增稠汤品均表现出显著的剪切变稀和触变行为。零剪切粘度和屈服应力随IDDSI等级和增稠剂浓度增加而逐步升高，随温度升高而降低。然而，多项流变学参数超出了国家吞咽障碍膳食（NDD）和IDDSI指南推荐的粘度范围，提示这些特定汤品配方可能并非适用于所有四个IDDSI等级的吞咽障碍患者。特别是IDDSI 4级汤品极高的流变学数值表明，此类样品应采用IDDSI勺子倾斜和叉子滴落测试而非流变学测量进行评估。摩擦学表征显示COF随滑动速度增加而降低，符合从边界润滑向混合和流体动力润滑区域的传统转变；但IDDSI 4级汤品偏离此趋势，COF反而升高，证实了过度结构刚性的流变学证据。总体而言，IDDSI 4级汤品配方需进一步优化——通过降低增稠剂浓度或评估替代增稠剂——以实现吞咽障碍膳食标准的符合性。此外，口腔感官评价与摩擦曲线数据之间的相关性对于基质优化至关重要，因此需要更先进的、能够准确模拟感官评价的摩擦学配置，以可靠地确保安全且愉悦的吞咽特性。