應(yīng)用故事 | 可食用水凝膠流變行為研究

可食用水凝膠進(jìn)入胃后會膨脹，從而使人產(chǎn)生飽腹感，減少零食餐飲攝入。可食用水凝膠由改性纖維素和檸檬酸組成基本結(jié)構(gòu)單位，這種基質(zhì)能夠迅速吸收胃中的水分，并與攝入的食物均勻混合，從而產(chǎn)生數(shù)千個小的單個水凝膠塊。這些水凝膠塊具備食物的彈性或硬度，但沒有熱量值，能夠占據(jù)胃和小腸內(nèi)容物的空間，并引起飽腹感。凝膠塊一旦進(jìn)入大腸就會被酶部分分解，失去三維結(jié)構(gòu)，從而喪失大部分吸收能力。伴隨分解而釋放的水將被大腸重新吸收，剩余的纖維素材料則被排出到糞便中。

一般來說，水凝膠內(nèi)部的相互作用是影響凝膠穩(wěn)定性、藥物釋放等行為的關(guān)鍵因素之一，而水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化又與材料黏度、模量等流變學(xué)性能密切相關(guān)。因此，對水凝膠進(jìn)行流變學(xué)研究對新型水凝膠的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都提供了重要的支持。該產(chǎn)品關(guān)注樣品儲能模量和損耗模量。在測試原研品與仿制品模量后，可明顯發(fā)現(xiàn)仿制品儲能模量明顯低于原研品。低儲能模量樣品在胃中不易穩(wěn)定存在，胃部蠕動時凝膠顆粒結(jié)構(gòu)易被破壞。根據(jù)該結(jié)果建議客戶適當(dāng)提高凝膠內(nèi)部交聯(lián)度，增加樣品模量。吸飽水的凝膠顆粒形狀不規(guī)則且大小不一，測試時將多顆樣品裝載在上下轉(zhuǎn)子之間，因此推薦客戶使用表面為刻槽轉(zhuǎn)子，可有效避免樣品測試時發(fā)生滑移。

圖1. 溶脹后可食用水凝膠

圖1為使用模擬胃液溶脹后水凝膠顆粒，溶脹后過過濾掉多余溶液，直徑大約1-5mm且形狀不規(guī)則，分別使用如圖2所示表面光滑轉(zhuǎn)子及刻槽面轉(zhuǎn)子測試水凝膠。

圖2. 光滑面轉(zhuǎn)子和刻槽面轉(zhuǎn)子

圖3

使用兩種轉(zhuǎn)子測試結(jié)果如圖3所示，常規(guī)的表面光滑轉(zhuǎn)子測得模量明顯低于刻槽面轉(zhuǎn)子測試結(jié)果。因?yàn)槟z顆粒表面含水，上轉(zhuǎn)子與凝膠間有水存在，測試時會發(fā)生滑移，也就是說轉(zhuǎn)子往復(fù)振蕩而樣品未發(fā)生相應(yīng)形變，導(dǎo)致光滑轉(zhuǎn)子測試結(jié)果與刻槽轉(zhuǎn)子相比偏小。使用刻槽轉(zhuǎn)子，水凝膠顆粒卡在刻槽中，增大樣品與轉(zhuǎn)子間摩擦力，防止滑移現(xiàn)象，測試結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確。

圖4. 頻率掃描測試結(jié)果

水凝膠塊具備類似食物的彈性和硬度。競品在角頻率10 rad/s下的儲存模量（G’）為700 Pa左右，而自研的水凝膠1#的模量為290 Pa，2#的模量為230 Pa顯著低于竟品。自研樣品模量低說明水凝膠三維結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可能會導(dǎo)致水凝膠還未進(jìn)入腸道，在胃中結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，無法達(dá)到鎖住水分的目的。可以通過增加自研水凝膠內(nèi)部交聯(lián)度的方式提高儲存模量（G’），從而保證自研水凝膠在腸道中保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

作者

范博文

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室