CC BY
33
УДК 531/534: [57+61]
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ ДЕТЕЙ РАННЕГО ВОЗРАСТА
В.М. Тверье1, М.И. Шмурак1, Ю.И. Няшин1, Е.Ю. Симановская2, А.В. Лебедев
1 Кафедра теоретической механики Пермского государственного технического университета, Россия, 614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: [email protected]
2 Кафедра детской стоматологии и ортодонтии Пермской государственной медицинской академии им. академика Е.А. Вагнера, Россия, 614990, Пермь, ул. Куйбышева, 39
3Институт механики сплошных сред УрО РАН, Россия, 614013, Пермь, ул. акад. Королёва, 1
3
Аннотация. 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 яблочноморковного 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 моделирования искусственного вскармливания с целью приблизить биомеханические условия последнего к условиям функционирования зубочелюстной системы при естественном вскармливании.
Ключевые слова: естественное вскармливание, искусственное вскармливание, соска, модель, эксперимент, реологические свойства, ротационный вискозиметр, ньютоновские жидкости, среда Бингама, псевдопластичные жидкости.
Введение
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 к и диаметра отверстия в соске ё, 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 0(() 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 & ^), то есть
| [0^) - б* 0)] 2 Л ^ 1ШП .
0
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
б) Молоко грудное: 1) 3 дня после родов (молозиво); 2) 6 дней после родов; 3) 6,5 месяцев после родов. 1) Возраст матери 22 года 2) возраст матери 22 года 3) возраст матери 25 лет Эксперимент 1) через 1час 2) через 1час 3) через 5 часов после забора
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 “ЫШгИоп 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" Па-с при 20°С, а при 30°С - 1,33-10" 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 £, , с-1, напряжение сдвига т, Па.
По данным эксперимента, вязкость коровьего молока составляет
-3 -3
от 1,67-10" Па-с при 25°С и 1,26-10" 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
-3
значению 1,49-10" 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.
Результаты эксперимента показывают, что оба продукта относятся к неньютоновским жидкостям. Кефир обладает начальным напряжением сдвигат = 0,6Па 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.
Список литературы
1. Аверьянова, Н.И. Как воспитать здорового ребёнка / Н.И. Аверьянова, А.А. Гаслова. - Пермь, 2001.
2. Алексеев, Н.П. Роль вакуумных и тактильных стимулов в процессе выведения молока из молочной железы женщины / Н.П. Алексеев, В.К. Ярославский, С.Н. Гайдуков, В.И. Ильин, Ю.А. Спесивцев, Т.К. Тихонова, Н.Б.Кулагина // Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. - 1994. - № 9. -С. 67-74.
3. Ахмедов, А.А. Частота зубочелюстных аномалий у детей, находившихся на искусственном вскармливании / А.А. Ахмедов, Е.Г. Гусейнов, С.Б. Аскеров // Стоматология. - 1986. - № 1. -С. 79-81.
4. Булгакова, М.И. Биомеханика вскармливания детей раннего возраста / М.И. Булгакова, Е.Ю. Симановская, Ю.И. Няшин, В.М. Тверье // Российский журнал биомеханики. - 2003. - Т. 7, № 4. - С. 9-21.
5. Горбатов, А.В. Реология мясных и молочных продуктов / А.В. Горбатов. - М.: Пищевая промышленность, 1979.
6. Горбатов, А.В. Структурно-механические характеристики пищевых продуктов: справочник /
A.В. Горбатов, А.М. Маслов, Ю.А. Мачихин [и др.]; под ред. А.В. Горбатова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.
7. Дятлов, С.А. О силе сосания новорожденного и об аппарате для определения этой силы / С. А. Дятлов // Педиатрия. - 1953. - № 2. - С. 33-36.
8. Крусь, Г.Н. Технология молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь, А.Г. Храмцов, З.В. Волокитина, С.В. Карпычев; под ред. А.М. Шалыгиной. - М.: КолосС, 2004.
9. Кузьменко, Л.П. Сосательный рефлекс у новорождённых / Л.П. Кузьменко // Педиатрия. - 1957. -№ 11. - С. 22-27.
10. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: учеб. для вузов / Л.Г. Лойцянский. - М.: Дрофа, 2003.
11. Самсонова, А.Н. Производство фруктово-ягодных соков с мякотью / А.Н. Самсонова. - М.: Пищевая промышленность, 1969.
12. Тверье, В.М. Биомеханическое моделирование искусственного вскармливания детей младшего возраста / В.М. Тверье, М.И. Шмурак, Е.Ю. Симановская, Ю.И. Няшин // Российский журнал биомеханики. - 2007. - Т. 11, № 3. - С. 54-61.
13. Финадеева, Е.В. Сравнительное исследование грудного и искусственного вскармливания детей методом ультразвукового сканирования / Е.В. Финадеева, И.В. Дворяковский, О.А. Сударова, М.С. Кулагин // Стоматология. - 1990. - № 2. - С. 70-73.
14. Шмурак, М.И. Биомеханическое моделирование функции молочной железы / М.И. Шмурак,
B.М. Тверье, Е.Ю. Симановская, Ю.И. Няшин // Российский журнал биомеханики. - 2004. - Т. 8, № 3. - С. 9-18.
15. Lee, J.S. Flow in locally constricted tubes at low Reynolds numbers / J.S. Lee, Y.C. Fung // Journal of Applied Mechanics. - 1970. - March. - P. 9-16.
16. Liou, R.J. Three-dimensional simulation of steady flow past a partial stenosis / R.J. Liou, M.E. Clark, J.M. Robertson, L.C. Cheng // J. Biomechanics. - 1981. - Vol. 14, No. 5. - P. 325-337.
17. Lucas, A. Pattern of milk flow in breast-fed infants / A. Lucas, P.J. Lucas, J.D. Baum // The Lancet Ltd. -1979. - P. 57-58.
EXPERIMENTAL DETERMINATION OF THE RHEOLOGICAL PROPERTIES OF NUTRITION FOR INFANTS
V.M. Tverier, M.I. Shmurak, Y.I. Nyashin, |E.Y. Simanovskayal, A.V. Lebedev
(Perm, Russia)
Feeding in infants determines forming of the dentofacial system as a whole and its main functions (sucking, breathing, swallowing, and mastication) in the response to loading of the masticatory apparatus. It is established experimentally that the artificial feeding is greatly different from the breast feeding and it does not allow necessary functional load on the maxillofacial region. Modelling of feeding process in infant through a nipple lets maximally to approach conditions of the artificial feeding to conditions of the breast feeding. In this paper, the experimental determination of the rheological properties of nutritious mixtures, kefir and apple-carrot juice for the baby’s feeding are presented at various temperatures in comparison with the properties of the breast and cow milk. It was found that all the foodstuff belong to the Newtonian fluids (except for kefir and the juice) exhibiting the plastic-viscous properties in a small degree (the Bingham’s fluid) at the small rates of shear. Moreover, the nutritious mixtures were found to demonstrate a pseudo-plastic behaviour at the larger rates of shear. These results will be used to model the artificial feeding in order to approach the biomechanical conditions of the bottle-feeding to natural conditions.
Key words: breast-feeding, bottle-feeding, nipple, model, experiment, rheological properties, rotational viscometer, Newtonian fluids, Bingham’s fluid, pseudo-plastic fluids.
Получено 13 мая 2008
