生 体 物 質 の レ オ ロ ジ ー 一 生 体 物 質 の 流 動 特 性 と 分 散 性 一 帝 塚 山 短 期 大 学 峰 下 雄 1. は じ め に 帝 塚 山 学 園 に 人 間 環 境 科 学 研 究 所 が 設 立 さ れ て 3年 目 を 迎 え た 今 日 、 益 々 盛 会 を き わ め て い る こ と は 誠 に 慶 賀 の 至 り で あ る 。 そ の 問 、 多 く の 方 々 か ら の 興 味 あ る お 話 し を伺うことができた。とりわけ、
1993
年 に は 世 界 的 に 著 名 な 学 者 で あ るBorne
教 授 やTung教 授 な ど の 誘 演 を 身 近 に 拝 聴 で き た こ と は 誠 に 有 意 義 で あ っ た 。 と も す れ ば 、 自 ら の 般 に 閉 じ こ も っ て 自 己 の 世 界 だ け で 生 き て し ま い が ち な 学 問 、 研 究 の 世 界 に あ っ て 、 こ の よ う な 、 外 部 と の 接 触 は 何 に も 増 し て 大 切 な こ と で あ る 。 研 究 所 設 立 以 来 、 こ こ ま で 維 持 、 運 営 を さ れ て こ ら れ た 増 田 芳 雄 研 究 所 長 を は じ め ス タ ッ フ の 方 々 の 熱 意 に 対 し 心 か ら 敬 意 を 表 す る 次 第 で あ る 。 生 体 内 を 流 動 す る 数 多 く の 物 質 の 中 で 、 医 学 、 生 理 学 上 、 特 に 重 要 な 役 割 を 演 じ て い る も の に 血 液 と 乳 汁 が あ る 。 両 者 は 全 く 異 な っ た 外 相 を 呈 し て い る が 、 そ の 内 容 は き わ め て 類 似 性 に 富 ん だ 多 く の 特 徴 を 有 し て い る 。 た と え ば 、 血 液 と 乳 汁 の 色 を 比 較 す る と 、 こ れ が 同 一 起 源 の も の と は 想 像 も つ か な い ほ ど 異 な っ て い る が 、 実 は 、 体 内 を 流 動 し て い る 血 液 が 妊 娠 に よ り プ ロ ラ ク チ ン 、 エ ス ト ラ ジ オ ー ル 、 プ ロ ジ ェ ス テ ロ ン な ど の ホ ル モ ン の 作 用 を う け て 、 乳 房 で リ ン パ 液 と な り 、 こ れ が 複 雑 な 細 胞 レ ベ ル を 経 由 し 、 乳 腺 を 通 っ て 乳 汁 へ と 変 化 す る 。 こ の よ う に し て 赤 い 血 液 が 乳 白 色 の 乳 汁 へ と 変 化 す る 過 程 を 考 え る と 、 血 液 と 乳 汁 と は き わ め て 密 接 な 関 係 に あ り 、 乳 汁 に 関 す る 知 識 を 得 る た め に は 血 液 に 関 す る 基 礎 的 な 知 識 が 不 可 欠 と な る 。 栄 養 学 的 な 見 地 か ら み る と 、 乳 汁 は 晴 乳 動 物 の 親 か ら 子 に 、 出 産 後 直 ち に 口 か ら 直 接 与 え ら れ る 唯 一 の 栄 養 物 で あ り 、 乳 児 が 生 育 す る た め に 必 要 か つ 充 分 な 栄 養 価 を 含 む 完 全 食 品 で あ る 。 本 来 、 血 液 が そ の 役 割 を 演 じ る も の で あ る が 、 血 液 は き わ め て 不 安 定 で あ り 、 生 体 外 で は 凝 固 反 応 も 著 し く 、 短 時 間 に 変 性 す る と い う 生 理 的 特 性 を も っ て い る 。 乳 汁 は い わ ば こ の 血 液 を 代 行 し て い る も の で 、 微 小 循 環 の 問 題 と し て 興 味 深 い 。 い ず れ に し て も 、 あ の 赤 い 血 液 が 乳 白 色 の 乳 汁 に 変 化 す る 不 可 思 議 さ は 自 然 の 妙 と い う ほ か は な い 。 乳 汁 は 母 親 の 乳 房 か ら 直 接 搾 乳 し て 飲 む が 、 こ の 場 合 の 食 感 は き わ め て 鋭 敏 な も の で あ る 。 た と え ば 、 最 初 に 母 乳 を 与 え た 乳 児 に は 途 中 か ら 牛 乳 に 置 き 代 え る こ と は 困 難 で あ り 、 逆 の 場 合 も 難 し い と い わ れ る が 、 こ れ は 乳 児 が 最 初 に 与 え ら れ た 乳 汁 の 舌 ざ わ り を は じ め と す る 食 感 を 鋭 敏 に と ら え て い る こ と を 意 味 す る 。 こ の よ う な 食 感 は 物 理 的 な 味 と い わ れ る も の で 栄 養 組 成 、 成 分 な ど の 化 学 的 な 味 と も 関 連 性 が あ る が 、 乳 化 食 品 特 有 の 形 態 、 力 学 的 性 質 、 特 に 流 動 特 性 に 基 因 す る と こ ろ が 大 で あ り 、 こ れ ら の 特 性 を 明 ら か に す る こ と は 容 易 で な い が 、 食 品 科 学 の 分 野 で の 主 要 な 命 題 で あ る こ と は 確 か で あ り 、 以 下 、 こ の 分 野 で の 概 略 を 述 べ 、 問 題 点 を 考 え て み る 。 な お 、 生 体 物 質 の レ オ ロ ジ ー に 関 し て は 岡 小 天 教 授 に よ る す ぐ れ た 研 究 ( り が あ り 、 ま た 、 分 散 系 の レ オ ロ ジ ー に つ い て は 渡 辺 ら の (2 )のすぐれた研究がある。乳汁全般に関しては、Larson
ら の 著 書 が あ る の で 、 こ れ ら を 参 照 さ れ た い 。2
. 流 動 特 性 2 - 1 . 流 動 特 性 の 意 義 乳 汁 や 血 液 を 始 め と す る 生 体 物 質 は 一 般 に は 多 成 分 系 で 複 合 体 の 形 で 存 在 す る 。 特 に 、 乳 汁 はW/O/W型 エ マ ル シ ョ ン の 形 を と り 、 血 液 に は 固 / 液 サ ス ペ ン シ ョ ン と よ ば れ る 多 分 散 系 で あ る 。 生 体 物 質 は 生 体 内 で 静 止 し て い る こ と は な く 、 絶 え ず 流 動 し て い る と い う 基 本 的 特 性 を 有 す る 。 す な わ ち 、 流 動 し て い る こ と に 意 義 が あ る 。 そ の た め に 、 こ れ ら 生 体 物 質 の 流 動 特 性 の 測 定 は 、 血 球 の よ う な 大 き な 分 散 質 が 、 そ れ よ り 微 細 な 毛 細 血 管 中 を 流 動 す る 際 、 ど の よ う に 流 動 す る か と い っ た 微 小 循 環 系 で の 問 題 を は じ め 、 高 血 圧 や 動 脈 硬 化 な ど 数 多 く の 難 問 を 解 決 す る た め の 手 段 と し て 重 要 で あ る 。 ま た 、 食 品 科 学 の 立 場 か ら は 、 食 品 の 歯 ご た え 、 舌 ざ わ り 、 喉 を 通 る と き の 感 触 と い っ た 物 理 的 な 味 に 密 接 な 関 係 が あ る た め 、 こ の よ う な 食 品 の 示 す 感 覚 的 な 値 を 客 観 的 な 数 値 や 数 式 で 表 す こ と が 主 要 な 課 題 で あ る 。 し た が っ て 、 流 動 特 性 の 意 義 と し て は 大 別 に し て 次 の よ う な 点 が 挙 げ ら れ る 。 1. 微 小 循 環 系 の 流 動 機 構 を 解 明 す る 。2
.
正 常 流 動 と 異 常 流 動 と の 関 連 性 を 明 確 に す る 。3
.
流 動 特 性 を も と に 分 散 状 態 を 明 確 に す る 。4
.
感 覚 的 な 粘 性 の 値 を 客 観 的 な 数 値 や 数 式 で 表 わ す 。5
.
毛 細 血 管 中 で の 流 動 モ デ ル を 考 え る 。6
.
こ れ ら の 流 動 式 お よ び 流 動 モ デ ル を 一 般 的 な 分 散 系 に 適 用 す る 。 以 上 の よ う な 観 点 か ら 、 こ こ で は 乳 汁 や 血 液 を 中 心 と す る 生 体 物 質 の 流 動 特 性 に ついて考えてみた。 2 - 2 . 流 動 特 性 の 一 般 的 性 質 一 般 に 毛 細 血 管 中 を 流 れ る 流 体 の 流 動 特性は、外圧(ずり応力)あるいは、 外 圧 に よ っ て 生 ず る 速 度 ( ず り 速 度 ) の関数としてとらえられる。いま、 Fig.lに 示 す よ う な 毛 細 管 の 内 半 径 をR、 長さL
の 管 中 を 液 体 が 流 速V
で 流 動 し た と す る と 、 そ の 流 動 は 層 流 の も と で は 管 壁 で は 流 速 が ぜ 口 、 中 心 部 で は 最 大 と な る よ う な 速 度 匂 配 (V/R) を生じる。 ー--F x ーーーーv
Fig.l
Schematic diagram of flow model in a capillary. し た が っ て 、 一 般 に 中 心 か らXの 距 離 に あ る 層 で の 速 度 匂 配 (dVI dx) をずり速度と い う 。 ま た 、 単 位 面 積 当 た り の 外 力 (F/ A) を ず り 応 力 と い い 、 粘 度 (n) を (FI A) / (dV / dx) と 表 わ す 。 こ の 場 合 の 粘 性 の 変 化 はFig.2 (A) (B)で 示 さ れ る よ う に 粘 性 ( 守 ) が ず り 応 力 (F) あ る い は ず り 速 度 (G) の 変 化 に 対 し て 常 に 一 定 値 を と る 場 合 (a) こ の 流 動 を ニ ュ ー ト ン 流 動 (Newtonian Flow) といい、 方がFあるいはGによ り 変 化 す る 場 合 (b) (c)、 こ れ ら を 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 (non- Newtonian Flow)
す が 、 乳 汁 8)")血液6) 8)の よ う な 生 体 物 質 を は じ め 、 各 種 コ ロ イ ド 液 体 由 )1 0)や高 分 子 溶 液 け )1")な ど の よ う な 多 成 分 系 で 複 合 体 で 存 在 す る 場 合 、 一 般 に 複 雑 な 流 動 特 性 を 示 す た め 、 そ の 粘 性 は 広 範 囲 の
F(G)
に 対 す る マ は あ ま り 意 味 が な い 。 こ の 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 の 機 構 は 複 雑 で あ る が 、Ostwald
に よ れ ば 物 質 の 内 部 構 造 が 外 圧 に よ っ て 破 壊 さ れ る こ と に よ り 生 ず る た め に 、 こ れ は 構 造 粘 性 と よ ば れ る 。 こ の 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 の 、 よ り 一 般 的 な 分 類 法 と し て はM
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S)に よ る 報 告 が あ る 。 こ の よ う な 流 動 特 性 の 測 を も と に 生 体 物 質 の 内 部 構 造 を 明 ら か に す る こ と が 生 体 レ オ ロ ジ ー の 分 野 で の 主 要 な 研 究 の 一 つ な の で あ る 。 ( 骨 } (c) さg
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(b) (a) shearSt.res・(F) { O ) g a h g a (b) 臼砲arSlr白週{丹 Fig.2 (A) Relationship between viscosityv
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shear stress (shear rate) in Newtonian flow and non四 Newtonian flow behavior. 2 - 3 . 流 動 特 性 の 測 定 生 体 物 質 の 多 く は そ れ が 極 め て 希 薄 な 溶 液 で な い か ぎ り 、 一 般 的 に は 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 を 示 す 。 乳 汁 18) 17)や 血 液 18) 18)も 例 外 で な く 、 そ れ ぞ れ に 特 異 的 な 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 を 示 す こ と が 知 ら れ て い る 。 こ の よ う な 流 動 特 性 を 測 定 す る た め に は 、 ず り 応 力 も し く は ず り 速 度 の 広 い 範 囲 Fig.3 Schematic diagram of capillary viscometer. A，
B: Bulb of the same bore-size，
C: Capillary tube(Radius:Rc)，
E: By pass tube， M: Manometer tube (Radius:Rm)，
S: Cock buib，
M x 九I
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"， Fig.2 (B) Relationship between shear stressv
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shear rate での粘度の測定が可能であり、しかも、 ず り 応 力 がO.ldyne/cm
2以 下 の 低 い 領 域 で 測 定 可 能 な 装 置 が 必 要 と な る 。 そ の た め に は 種 々 の 装 置 が 考 案 さ れ て い る が 、 大 別 す る と 細 い 毛 細 血 管 中 に 試 料 を 流 動 さ せ 加 え た 外 圧 に 対 応 す る 粘 度 を 測 定 す る 毛 細 管 粘 度 計 と 、 外 筒 と 内 筒 と の 聞 の 試 料 に か か る 回 転 の ず り 応 力 に 対 応 す る 粘 度 を 測 定 す る 回 転 粘 度 計 に 分 け ら れ る 。 著 者 ら は 生 体 物 質 の 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 を 比 較 的 簡 単 な 操 作 で 精 度 良 く 測 定 で き る 装 置 と し てF
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に 示 さ れ る よ う なM
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型 20) 21)の 毛 細 管 粘 度 計 の 改 良 型 を 用 い た 。 こ の 装 置 の 詳 細 に つ い て は 既 に報文 22) 23)があるので省略するが、 こ の 装 置 の 特 長 と し て は 、 い ず れ もManometer Water orHi Fig.4 Sample Plastic capillary L
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(-11m D=lmmS
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Long coiled plastic capillary is connected in~parallel with by-pass between two graduated tubes. Air pressure is applied with rubber in-fiation bulb. Flow rate is measured by tinning transit of meniscus between two selected divisions in graduat -ed tube. Fig.5C
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A : Sample cell D: Knob turn B : Water bath、 E : Lever C : Roter 一 回 の 測 定 で0
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2と い う き わ め て 低 い 領 域 広 い 範 囲 の ず り 応 力 に 対 す る 流 動 特 性 が 連 続 的 に 得 ら れ る と い う 利 点 が あ る 。 血 液 の 流 動 特 性 の 測 定 に はF
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に 示 さ れ る よ う なB
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ら18)の装置も有用で、0
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2の 低 領 域 の ず り 応 力 の も と で の 流 動 特性を測定できるほか、PVC
製 の 長 い コ イ ル 状 の 毛 細 管 を 用 い て い る た め 、 脈 動 流 の 測 定 も 可 能 で あ る 。 ま た、C
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ら16)は 液 体 レ ベ ル の 僅 か な 変 化 さ え も 測 定 で き る 毛 細 管 粘 度 計 を 考 案 し た 。M
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ら17)は特殊な コ ン デ ン サ ー を 毛 細 管 粘 度 計 に 組 み こ む こ と に よ り き わ め て 微 小 な ず り 応 力 の 下 で の 流 動 特 性 の 測 定 を 可 能 に し た 。 従 来 か ら 使 用 さ れ て い る 回 転 粘 度 計 の う ち 、D
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ら20)による二重円錐型回転粘度計、C
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型 粘 度 計 を 改 良 し たM
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ら21)の回転粘度計、B
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の 円 錐 平 型 粘 度 計 な ど は い ず れ も 有 用 で あ る 。 血 液 の よ う な 生 体 物 質 の 微 量 の 試 料 を 測 定 す る た めにはF
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で 示 さ れ る よ う なC
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型 の 円 錐 平 板 型 回 転 粘 度 計23) が 有 用 で あ る 。 こ の 装 置 は 広 範 囲 の 測 定 が 可 能 で あ る と こ ろ か ら 著 者 ら も 血 液 の 流 動 性 は こ れを用いて測定した。ミ :~ω
生z x (.!Iz: ‘ 、 k.10
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(C).
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~3 x (.!I% 、 、 w..1 0 10・a 32土0.02'C 2企く三
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10‘ F (今現伺Ic.') 10・
10‘ F (dyn伺laa>) 32土0.02'C 1.10% 2.1% 1 3.0.5%、
、ー
2 3..ー 10・ 1 0 ' F (CIY附./atJη Fig.6V
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milk~. (A) Fresh cow'S milk， (B) Market milk， (C) Skim milk 10・
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2 - 4 . 流 動 特 性 の 変 化 乳 汁 の よ う な 複 雑 な 分 散 系 が 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 を 示 す こ と は 著 者 ら2a) 2 4)の 実 験 結 果 を ま つ ま で も な く 、 古 く は 1955年 に 既 に
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らlS)に よ っ て 報 告 さ れ て い る 。 し か し な が ら 、 そ の 原 因 に つ い て の 理 論 的 取 り 扱 い は 殆 ど な さ れ て い な い 。 当 時 は 未 だ 分 子 論 的 な 解 釈 は も と よ り 分 散 系 に 関 す る 理 論 も 確 立 し て お ら ず 、 わ ず か に コ ロ イ ド 溶 液 に 関 す る 幾 つ か の 理 論 が 構 築 さ れ つ つ あ っ た 時 代 背 景 を 考 え る と き 、 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 に 関 す る 理 論 的 取 り 扱 い が な さ れ 得 な か っ た の は 当 然 の こ と と い え る 。 著 者 ら 制 の 各 種 乳 汁 で 得 ら れ た 結 果 を 示 す とF
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の よ う に な る 。 こ れ は 生 の 牛 乳 、 市 販 乳 、 脱 脂 乳 の そ れ ぞ れ の ず り 応 力 一 粘 度 曲 線 を 示 し た も の で あ る 。 図 よ り 明 ら か な よ う に 、 い ず れ の 乳 汁 の 場 合 も ず り 応 力 の 高 い 領 域 で の 粘 度 は 低 く 、 ず り 応 力 が 低 く な る と 粘 度 が 高 く な る と い う 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 特 性 が み ら れ る 。 こ の 非 ニ ュ ー ト ン の 原 因 と し て は 、 ず り 応 力 の 低 い 領 域 で は 乳 汁 粒 子 の 構 造 が 形 成 さ れ 、 ず り 応 力 が 大 き く な る に し た が っ て こ の 構 造 が 破 壊 さ れ て く る も の と 考 え ら れ る 。 ず り 応 力 の 高 い 領 域 で は い ず れ の 乳 汁 の 結 度 の 値 も 類 似 し て い る が 、 ず り 応 力 の 低 い 領 域 で は そ れ ぞ れ の 乳 汁 の 種 類 に よ り 、 結 度 の 値 に 特 に 顕 著 な 差 異 が み ら れ る 。 す な わ ち 、 生 の 牛 乳 の 粘 度 の 値 は も っ と も 高 く 、 脱 脂 乳 で は も っ と も 低 い 値 を 示 し て い る こ と が わ か る 。 こ の こ と は 乳 汁 栓 子 の 形 成 す る 構 造 は 乳 汁 中 の 蛋 白 質 に よ る も の で は な く 、 主 と し て 乳 汁 中 に 分 散 し て い る 乳 脂 肪 粒 子 に よ る こ と を 示 し て い る 。 こ の さ い 、 形 成 さ れ る 乳 脂 肪 粒 子 の 構 造 は 、 ず り 応 力 に よ り 、 生 の 牛 乳 で は も っ と も 破 壊 さ れ に く い 構 造 で あ る の に 対 し 、 脱 脂 乳 で は き わ め て 容 易 に 破 壊 さ れ る 構 造 を と っ て い る と 考 え ら れ る 。 こ の 構 造 の 差 異 を 明 ら か に す る た め に 著 者 ら aω
・33)は 各 種 乳 汁 を 希 釈 し た 場 合 に 流 動 特 性 に ど の よ う な 変 化 が み ら れ る か を 調 べ て み た 。 こ れ に よ る と 生 の 牛 乳 を 希 釈 す る こ と に よ り 変 化 す る の は 粘 度 の 値 で あ り 、 流 動 特 性 に 対 す る 影 響 は 小 さ い こ と が 示 唆 さ れ た 。 こ の 傾 向 は 市 乳 、 脱 脂 乳 の い ず れ の 場 合 に も み ら れ 、 そ れ ぞ れ の 乳 汁 特 有 の 流 動 特 性 を 示 し た 。 明 ら か に 生 の 牛 乳 と 市 乳 と で は も と の 流 動 特 性 の 問 に 差 異 が み ら れ る こ と よ り 、 両 者 の 毛 細 管 中 で の 分 散 状 態 の 聞 に は 差 異 が あ る も の と 考 え ら れ る 。 い い か え れ ば 、 生 の 牛 乳 は た と え 希 釈 し で も 、 流 動 性 の う え で は 、 や は り 生 の 牛 乳 と し て の 特 性 を 示 す も の で あ り 、 市 乳 の 性 質 に 移 行 す る も の で は な く 、 市 乳 に は こ の も の 特 有 の 流 動 性 が あ る こ と を 示 唆 す る も の で ある。いま、F
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に 高 濃 度 の 牛 乳 の ず り 応 力 一 粘 度 曲 線 を 示 す 。 高 い ず り 応 力 で は い ず れ の 粘 度 も 類 似 し た 値 を と る の に 対 し 、 ず り 応 力 の 低 い 領 域 で は 生 の 牛 乳 の 粘 度 は も っ と も 高 く 、 脱 脂 乳 で は も っ と も 低 い 値 を 示 す 。 こ の よ う に 、 流 動 特 性 に 及 ぼ す 乳 脂 肪 枝 子 の 影 響 は 、 ず り 応 力 の 低 い 領 域 で 特 に 大 き く 顕 わ れ る 。 市 販 の 脱 脂 乳 は 1 0 %溶 液 と し て 使 用 す る よ う に 標 示 さ れ て い る が 、 こ れ は 通 常 の 粘 度 測 定 に a--a-6・
a ( @ 息 。 色 ) " 。 同 一 X O ¥ 民 5 0 10-' 100 10' F (d7Dea/cm') 100 Fig.7 Viscosity versus shear stress plots of high concentrations ot various milks. 32土O.02'C 1.Raw Milk 2.Market Milk 3.Skim Milk (10%)用 い ら れ る ず り 応 力 の 値 が 約
10
dyne Icm
2で あ る こ と と 関 連 性 が あ る 。 す な わ ち 、 こ の 領 域 で は 生 の 牛 乳 、 市 乳 、 脱 脂 乳 と も に 類 似 し た 粘 度 の 値 を と っ て い る 。 そ こ で 、 次 の 問 題 は 、 こ の ず り 応 力 の 値 が 我 々 が 乳 汁 を 飲 用 す る 際 の 口 腔 内 で の ず り 応 力 の 値 と ど の よ う に 対 応 す る か と い う こ と に な る 。 2 - 5 . 流 動 特 性 と テ ク ス チ ャ ー 食 品 の 味 に は 化 学 的 な 味 と 物 理 的 な 味 と が あ る 。 甘 味 、 塩 味 、 辛 味 、 酸 味 、 苦 味 、 の5
味 を は じ め 旨 味 や 渋 み な ど は 化 学 的 な 味 で あ り 、 舌 ざ わ り 、 歯 ご た え 、 喉 ご し 、 な ど は 物 理 的 な 味 と し て よ く 知 ら れ て い る 。 松 本 ら 84)は 食 品 の 種 類 に よ っ て 化 学 的 な 味 が 強 く 感 じ ら れ る 場 合 と 物 理 的 な 味 が 強 く 感 じ ら れ る 場 合 と が あ る こ と を 明 ら か に し て い る 。 こ れ に よ る と 、 オ レ ン ジ ジ ュ ー ス な ど は 特 に 化 学 的 な 味 が 優 先 的 に 感 じ ら れ る の に 対 し 、 自 飯 や 卵 豆 腐 な ど で は 主 と し て 物 理 的 な 味 が 優 先 的 に 感 じ ら れ る こ と を 示 し て い る 。 こ の こ と は 、 オ レ ン ジ ジ ュ ー ス の よ う に 比 較 的 単 純 な 内 部 構 造 を 有 す る 場 合 に は 、 化 学 的 な 味 が 優 先 的 に 感 じ ら れ 、 自 飯 や 卵 豆 腐 の よ う に 複 雑 な 内 部 構 造 を も っ 場 合 に は 、 物 理 的 な 味 が よ り 強 く 感 じ ら れ る こ と を 意 味 す る 。 し た が っ て 、 食 品 の 内 部 構 造 を 明 ら か に す る こ と に よ り 、 食 品 の 味 、 特 に 物 理 的 な 味 に つ い て の 本 質 を 明 ら か に す る こ と が で き る 。 こ の よ う な 物 理 的 な 味 を 総 称 し て テ ク ス チ ャ ー と い う 。S
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に よ る と 、 化 学 的 な 味 に つ い て は 男 性 の よ う が 女 性 よ り 強 く 感 じ と れ る の に 対 し 、 食 品 の テ ク ス チ ャ ー に つ い て の 感 覚 は 女 性 の ほ う が す ぐ れ て い る と 報 告 し て い る 。 こ こ で 述 べ て い る 著 者 ら に よ る 流 動 性 の 測 定 は 、 こ の よ う な テ ク ス チ ャ ー 測 定 に と っ て 有 用 な 方 法 で あ る 。 特 に 液 体 食 品 に と っ て は き わ め て 有 効 な 手 段 で あ り 、 さ ら に 、 後 述 す る よ う に 食 品 の 内 部 構 造 を も 同 時 に 測 定 で き る と い う 著 者 ら に よ る 方 法 は 、 そ の 実 験 結 果 の 理 論 的 解 析 を 含 め て 、 独 自 の 内 容 を 有 す る 画 期 的 な 方 法 と い え る 。 Woodら2' ) に よ れ ば 、 種 々 の 液 体 食 品 の 口 腔 内 で の 粘 度 の 値 は 流 動 曲 線 か ら 数 式 化 で きることを示している。F
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に そ の 一 例 を 示 し て い る 。 こ れ は ニ ュ ー ト ン 流 動 を 示 す グ ル コ ー ス ・ シ ラ ッ プ と 非 ニ ュ ー ト ン 流 動 を 示 す 4種 類 の ソ ー ス の 流 動 曲 線 で あ る 。 こ の 各資料をパネルに与え、 Gと も っ と も 類 似 し た 舌 ざ わ り の 試 料 を 選 択 さ せ た と こ ろ 、 2 と8
の 試 料 が 選 択 さ れ る と い う 結 果 を 得 た 。 こ の こ と に よ り 、 口 腔 内 で の 流 動 に 基 づ く 粘 度 の 値 は 流 動 曲 線 の 類 似 性 に よ っ て 決 ま る も の で は な く 、 あ る 特 定 の ず り 応 力 の 範 囲 に よ っ て 決 ま る こ と を 示 し て い る 。 一 般 に 各 種 牛 乳 を 欽 み く ら べ て み る と 、 舌 ざ わ り に よ っ て お お よ そ の 区 別 は つ く 。 す な わ ち 、 舌 ざ わ り と し て の 感 覚 は あ る 特 定 の ず り 応 力 の 大 き さ に よ っ て 決 ま る が こ の 値 はFig.6
でも明ら か な よ う に 、 ず り 応 力 の 10dyne/cm
2以 上 で は こ の 牛 乳 聞 に は 差 異 は 認 め ら れ な い こ と か 1∞
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ら 、 舌 ざ わ り に 関 す る ず り 応 力 の 範 囲 は 流 動 曲 線 か ら 1dyne/cm
2 以下であるといえる。ShermanらI g)は 舌 ざ わ り と し て 判 別 で き る ず り 速 度 の 範 囲 をFig.7か ら 求 め 、 約 50 sec・1の ず り 速 度 で 喉 へ 流 し 込 ん で い る の で あ ろ う と い っ て い る 。 こ の よ う な 流 動 特 性 の 変 化 は 分 散 状 態 の 相 異 に 基 づ く も の で あ り 、 舌 ざ わ り の 感 覚 も ま た 分 散 状 態 に よ り 影響をうける。 3 . 分 散 状 態 3 - 1 . 分 散 状 態 の 測 定 毛 細 血 管 中 を 流 動 す る 液 体 の 分 散 状 態 を 観 察 す る 方 法 と し て 、 著 者 ら 30) 31) は 次 の よ う な 装 置 を 組 み 立 て た 。 Fig.9に そ の 概 略 を 示 す 。 毛 細 管 粘 度 計 の 毛 細 管 部 に 顕 微 鏡 の 対 物 レ ン ズ を 設 置 し 、 種 々 の ず り 応 力 下 で の 分 散 状 態 を 顕 微 鏡 カ メ Fig.9 .... I..，l. 1 n n Ve r t i c a I s e c t i 0 n 0 f p h 0 t 0 m・roscooi ラ で 撮 影 す る 装 置 で あ る 。 光 源 L は 100 5yst em comb i n i ng w i t h1v i s come t e r.v sec 以 下 の 閃 光 時 間 を 有 す る Xe光 源 を A:Capillary tubel B:Water
b
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l C:Xe-lamo用 い た 。 こ れ は 特 に 設 計 さ れ た
SMF
の D :conden s erlen s，
EJPhotom i c r as cop i c c ami ra1 コ ン デ ン サ ー を も っ キ セ ノ ン 光 電 管 と 電 子 回 路 中 で30 0 0 Voltで 作 動 す る 誘電電流をもっ。 3 - 2 . 乳 汁 と 血 液 の 分 散 状 態 乳 汁 は 梼 質 を は じ め と す る 多 成 分 系 中 に 乳 脂 肪 粒 子 が 分 散 し たO/Wエ マ ル シ ョ ン あ る と い わ れ る 。 著 者 ら 32) 33) は そ の 粒 子 の 凝 集 構 造 の 形 成 、 破 壊 の 過 程 を 蛍 光 顕 微 鏡 で 観 察 し 、 そ の 流 動 下 で の 分 散 状 態 は 複 雑 なW/O/W
型 の エ マ ル シ ョ ン で あ る こ と を 報 告 し た 。 松 本 ら 8" ) は こ の 型 の エ マ ル シ ョ ン は 人 工 的 に 流 動 パ ラ フ ィ ン ー 水 系 で も 調 整 で き る こ と を 示 し た 。 ま た 、 血 液 は 血 紫 と よ ば れ る 無 形 成 分 中 に 赤 血 球 を は じ め と す る 有 機 成 分 が 分 散 し た サ ス ペ ン シ ョ ン で あ る 。 血 液 粘 度 に 影 響 を 及 ぼ す 因 子 と し て は 血 媛 粘 度 8 6)""
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8)赤 血 球 の 集 合 状 態4川 ・ 6 1 ) 赤 血 球 の 形 状 お よ び 大 きさ 6 1)・6 6)な ど が 挙 げ ら れ る 。 し た が っ て 、 こ れ ら の 諸 国 子 が 血 液 の 分 散 状 態 に 影 響 を 与 え 、 流 動 挙 動 を 複 雑 化 し て い る 。 山 本 ら 68)，67)は 血 管 造 影 剤 の 制 官 ￡ 回 5OOmOIm 4∞mOmt a嶋田正)10m Fig.10 Electromicrograph of the deformation change of blood observed with SEM. Fig.11 情 U 噂 a w -ε u - h ど 8 u S ﹀さむ﹄ E a ︿。
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10 100 S国 rRate回rη Dependence of osmosis on the blood viscosity.ウ ロ グ ラ フ ィ ン を 血 液 に 添 加 す る こ と に よ る 影 響 を み て い る が
Fig.l0
に 示 す よ う に 浸 透 圧 が 高 く な る と と も に 赤 血 球 の 変 形 が み ら れ 、F
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の よ う に 粘 度 変 化 が 著 し い 。 こ の よ う な 形 状 の 変 換 は 分 散 位 子 の 形 の 流 動 学 的 な 効 果 の 研 究 に と っ て 興 味 あ る 問 題 を 提 示 し て い る 。 ま た 、 病 理 的 な 状 態 の 性 質 に 基 因 し て 、 赤 血 細 胞 の 形 が 異 な る 場 合 が あ る 。 た と え ば 悪 性 貧 血 症 で の 赤 血 細 胞 は 平 板 状 に な る 傾 向 を 示 す 。 こ の 場 合 に は そ の 軸 比 を 増 す 。 い っ ぽ う 、 先 天 的 な 黄 去 で は こ の .細胞は軸比を小さくする場合がある。 “鎌倉貧血w が そ れ で 、 細 胞 は 鎌 型 で あ る 。 ま た 、 血 液 の 流 動 性 を 問 題 に す る 場 合 、 血 球 が 低 圧 下 で 流 動 す る 際 、 そ の 圧 縮 性 の た め 、 血 球 は 広 が る 傾 向 に あ り 、 そ の 結 果 、 流 動 抵 抗 を 増 加 す る た め に 毛 細 管 中 で の 粘 度 は 増 加 す る と 考 え ら れ る 。 乳 汁 の 流 動 下 で の 分 散 状 態 に 関 す る 著 者 ら 6 8)の 結 果 は 管 壁 近 く で の 分 散 桂 子 の 凝 集 構 造 の 形 成 が 重 要 な 因 子 と な る こ と が わ か る 。 (Fig.1 2) こ の 凝 集 構 造 の 形 成 は 電 子 顕 微 鏡 の 結 果 と よ く 一 致 す る 。 す な わ ち 、 構 成 す る 乳 脂 肪 の 表 面 構 造 に 基 因 し 、 人 乳 、 牛 乳 の 場 合 に は 糸 ま り 状 の 構 造 を と り 壁 と の 服 着 が 容 易 に な る も の と 考 え ら れ る が 、 市 乳 や 均 質 乳 で は 表 面 が 滑 ら か な 構 造 を 形 成 し 、 壁 と の 吸 着 は 困 難 と な る と 考 え ら れ る 。 3 - 3 . 分 散 位 子 の 毛 細 管 効 果 Fig.12 著 者 ら Ig)の 乳 汁 の 流 動 特 性 を 毛 細 管 径 の異なる粘度計で測定すると、F
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に 示 す よ う に 毛 細 管 径 (Rc) が 小 さ く な る と 粘 度 の 値 は 低 く あ ら わ れ て い る 。 こ れ は 血 液 流 動 の 際 に は よ く 知 ら れ て い る 現 象 で 、 主 と し て 医 学 、 生 理 学 の 問 題 と Dispersion state of milk fat droplets in a capillary under low shear. a : Humann freh milk b : Cow's fresh rnilk c : Homogenenized rnilk d : Oleic acid emulsion し て 取 り 扱 わ れ て き た 。 こ の 現 象 がFahraeus
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0)によって観察されて以来、 血 液 の こ の よ う な 現 象 はFahraeus-L
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効 果 と よ ば れ て い る 。 ま たS
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ら d 1 ) の 独 自 の 研 究 の 結 果 、 類 似 の 現 象 は 粘 土 の サ ス ペ ン シ ョ ン の よ う な 非 生 物 の 分 散 系 で も 見 い だ さ れ 、 レ オ ロ ジ ー の 主 要 な 問 題 の ー っ と し て 取 り 扱 わ れ シ グ マ 現 象 と よ ば れ て い る 。 現 在 、 こ の 現 象 に 対 す る 物 理 学 的 な 考 察 が 試 み ら れ て い る 段 階 で あ る 。 乳汁 の 場 合 に み ら れ る 結 度 の 管 径 に よ る 変 化 の 大 き さ は 同 じ ず り 応 力 下 で 比 較 す る と 、 管 径 の 小 さ い も の の 粘 度 は 10...30%も 低 く あ ら わ れ て い る が 、 こ の 特 性 は 用 い た 乳 化 剤 の 種 類 や 濃 度 、 分 散 媒 の 種 類 、 そ の 他 の 分 散 状 態 に よ り 大 き く 影 響 さ れ る た め 、 こ の 要 因 を 明 ら か に す る た め に は 流 動 特 性 と 分 散 状 態 の 関 係 を 明 ら か に す る こ と が 必 要である。
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f (<6 2)は 恐 ら く 多 く の 物 質 で こ の 現 象 は み い だ さ れ る で あ ろ う こ と を 示 唆 し 、 そ の 説 明 に は 種 々 の 解 釈 が 成 り 立 つ で あ ろ う と 述 べ た 。 実 際 に 、 乳 汁 や 血 液 以 外 で も 、 た と え ばG
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に よ る ア ル ミ ニ ウ ム ス テ ア レ ー ト / モ ノ ク ロ ロ ペ ン ぜ ン 系 な ど の 報 告 が あ る 。 筆 者 ら(
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も ポ リ ピ ニ ル ピ ロ リ ド ン 水 溶 液 で も こ の よ う な 現 象 の あ ら わ れ る こ と を 報 告 し て い る 。 4 10-' 'o.._ 10-' 10・
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10' 1()Z 10-1 10・lO'
l()l F (，御前lcm") F (dynelαnl)Fig.13 Viscosity versus shear stress plots of milks (200C).
a : Human fresh milk (fat:1.0%) b : Cow's fresh milk (fat : 1.0%) c : Homogenized milk (fat:1.0%) d : Oleic acid emulsion
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0.04) 3 - 4.分 散 粒 子 の 形 状 お よ び 大 き さSherman 6
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に よ れ ば エ マ ル シ ョ ン の 流 動 特 性 に 影 響 を 及 ぼ す 因 子 と て 1.分散相、 2 .分散媒、 3.乳化剤、 4. そ の 他 の 添 加 物 を 挙 げ て い る 。 乳 汁 の 実 験 結 果 か ら も 明 ら か な よ う に 、 も っ と も 影 響 が 大 で あ る の は 分 散 相 の 効 果 、 特 に 分 散 粒 子 の 大 き さ の 効 果 で あ る 。 こ の 場 合 、 流 動 特 性 の 変 化 と し て 顕 わ れ る も の は 分 散 位 子 1個の大き さ で は な く 、 む し ろ 、 粒 子 の 凝 集 、 会 合 の 難 易 度 の 問 題 で あ る 。著 者 ら 8 8)は 堀 場 製 作 所 製 の 粒 粘 度 分 布 測 定 装 置 お よ び
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技 研 の 粒 子 分 析 測 定 装 置 を 用 い て 乳 汁 の 粘 度 分 布 を 求 め た 。 Fig.1 4 (a) (b) に 示 す よ う に 均 質 化 し た 牛 乳 の 粒 子 径 は 生 の 人 乳 の そ れ に 比 べ る と 、 著 し く 小 さ い こ と 、 お よ び 、 測 定 可 能 な 濃 度 範 囲 で は 分 散 粒 子 の 大 き さ は そ れ ほ ど 濃 度 に よ り 変 化 し な い こ と が 明 ら か で あ る 。 Fahmiら は 種 類 の 異 な る 幾 つ か の 乳 汁 に つ い て 乳 脂 肪 の 粒 子 径 を 比 較 し た 。 そ の 結 果 をTable
1に 示 す 。 こ の よ う な 分 散 粒 子 の 形 状 及 び 大 き さ 、 あ る い は 粘 度 分 布 が 食 品 の 舌 ざ わ り と 密 接 な 関 係 が あ る こ と は 既 に 述 べ た 。1
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1∞ 次 l .H田nanMilk Uat 3X 10司.~ó) l.H叩 w ¥Mult(fat5XW'%) 3. Ht.nW¥ tI.i1k ((at 7x 1σJ~~) E 宿 高 担 問 凶 10-1 10・I 1伊 10' 以ameter(μ) 10' Fig.14(b) Particle size distribution of tat globules in human milk. T ABLE 1 Size distribution of milk fat globules. Diameter (μm) Cow u u u a r o B n r e e ' n Q u e L a o G 1.5 10.7 28.4 28.7 7.9 3.0 32.6 34.7 39.7 16.6 4.5 22.1 19.7 17.3 16.4 6.0 17.9 11.7 12.1 20.3 7.5 12.2 4.4 2.0 20.9 9.0 3.1 1.0 0.2 10.5 10.5 l.4 0.2 4.7 12.0 0.1 0.1 2.0 13.5 0.4 15.0 0.3 16.5 18.0 0.1 Average 4.55 3.49 3.30 5.92 (Fahmi. A. H. 1956)3 - 5 . 乳 脂 肪 枝 子 の 脂 肪 酸 組 織 乳 汁 の 風 味 が 乳 脂 肪 中 の 構 成 脂 肪 酸 に よ る こ と は
Tamsma
ら7 0)に よ っ て 報 告 さ れ て い る 。 食 品 に と っ て 香 り は 心 理 学 的 な 要 因 と し て 重 要 な 要 素 で あ る が 、 こ れ が 舌 ざ わ り と 乳 脂 肪 粒 子 の 化 学 的 組 成 と の 関 連 性 と い う こ と に な る と 明 白 で は な い 。 た だ 、 構 成 脂 肪 酸 の 種 類 に よ っ て 生 成 さ れ る 脂 肪 粒 子 の 大 き さ が 限 定 さ れ る と い う こ と を 合 わ せ 考 え る と 、 間 接 的 に は 舌 ざ わ り に 影 響 を 及 ぼ す 要 因 の ひ と つ と し て 挙 げ ら れ る 。 Fig.l5
お よ びTable2
は そ れ ぞ れ 、 生 の 人 乳 、 生 の 牛 乳 、 均 質 乳 、 オ レ イ ン 酸 エ マ ル シ ヨ ン 中 の 脂 肪 酸 の ガ ス ク ロ マ ト グ ラ ム よ り 得 ら れ た 著 者 ら 7 1 )の結果を示したもの で あ る 。 乳 脂 肪 中 に は 多 量 の パ ル ミ テ ー ト と オ レ ー ト が 含 ま れ て い る が 人 乳 と 牛 乳 で は ス テ ア レ ー ト と リ ノ レ ー ト の 含 量 が 異 な っ て い る 。T
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2に 示 さ れ る よ う に 人 乳 中 で は ス テ ア レ ー ト が 少 な く り ノ レ ー ト が 多 く 、 ア ラ キ ド ン 酸 が 含 ま れ て い る の が 特 徴である。Kurtz
に よ る と 乳 脂 肪 中 の 脂 溶 性 の 物 質 は 次 のT
a
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の 通 り で あ る 。 こ れ に よ る と ト リ グ リ セ ラ イ ド が も っ と も 多 く 、 微 量 の 脳 溶 性 ピ タ ミ ン が 存 在 す る こ と が わ か る 。 こ の 結 果 を も と に 牛 乳 の 乳 脂 肪 粒 子 の 構 造 を 考 え る と 次 のFig.1 6のように なる。 Column0DEGS ( 10% .3mmx2mm) Column temp. HO'Cー220'C4'C/mln I川町tiont佃lP.2関'C ，.. Detector. FID I 白 山t“
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lOmm/min (21)HumenMilk -.---- 5 I 事亙 Retention Time (mln.) Retention'fime (min.) Fig.15 Gas chromatograms of fatty acid methyl ester of milks
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a : H u m a n f r e s h m i I k， b : C 0 w's f r e s Jtm i I k， c:Homogenized milk， d:Oleic acid emulsion，TABLE 2 Composition of total fatty acids of milk(%) Ju . l F . 、 w a v d & E 邑 ‘ • . E a p ‘
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d d milk I Human milk Cow's milk 10: 0 L12 2.38 1.96 1.08 12: 0 6.37 2.67 3.18 12.4 14: 0 8.43 9.84 9.43 8.43 16: 0 25.2 26.7 28.6 12.0 16: 1 5.73 2.27 7.97 18: 0 5.43 15.2 15.6 2.42 18 : 1 32.8 34.9 33.1 49.2 18: 2 13.1 4.76 2.78 1.71 18: 3 20: 0 1.12 1.78 0.85 7.29 20: 1 0.56 T ABLE 3 Composition and ratio in total fats in cow's milk. Fats Ratio in total fats Tryglyceride Oiglyceride Monoglyceride Plasminogen Fatty acid (free) 95-96 1.26-1.59 0.016-0.038 0.04 0.10-0.44 0.80-1.00 0.22ー0.41 0.007 0.007ー0.0009 0.0006-0.009 0.00000085-0.0000021 0.0024 0.0001 Total lipids Sterine S~aren Carotionid Vit. A Vit.O Vit. E Vit. K (Kurtz， F. E.， 1974) Fat=
コ
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Trlg1ycerlde 0:主Blndlngwater=
コ
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Phosphollpld 巴 3・Cholesterlne c-- Vl tOf!lln A Fig.16 Structure of cow' s miIkfat globule. この乳脂肪膜の研究が、今後の重要な課題であると思われる。4. Sigma効 果 に つ い て 4 - 1. Sigma効 果 に 関 す る 考 え 方 1 8 4 6年 に フ ラ ン ス の 医 学 者Poiseulleが 血 液 の 粘 度 式 と し て 、 半 径R、 長 さ Lの毛 細 管 中 を 外 圧P、 体 積Vの 血 液 がt時 間 流 動 す る 際 、 そ の 粘 度 マ は 白- n
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で 表 わ さ れ る こ と を 提 示 し た 。 そ の 後 、 多 く の 研 究 者 逮 に よ っ て 、 I8 L V
血 液 を 始 め 、 種 々 の 物 質 が 流 動 す る 際 、 こ の 方 程 式 に 従 わ な い 効 果 の あ る こ と が 見 い だ さ れ 、 こ の 効 果 を シ グ マ 効 果 と い っ た 。 こ の 効 果 に つ い て ニ 通 り の 考 え 方 が あ る 。 ひ と つ はFahreasの を 始 め と す る 血 液 に つ い て の 多 く の 研 究 で み ら れ る よ う に 、 毛 細 管 壁 の 性 質 に 起 因 す る と い う 考 え 方 で あ り 、 も う ひ と つ は 著 者 ら が 提 示 し て い る よ う な 、 毛 細 管 中 を 流 動 す る 分 散 粒 子 の 性 質 に 起 因 し て い る と 考 え る 説 で あ る 。 乳 汁 や 血 液 の 毛 細 管 中 流 動 の 際 、 観 察 さ れ る 異 常 流 動 と も い え るSigma効 果 を 明 ら か に す る こ と は 、 分 散 状 態 を 明 ら か に す る た め の 重 要 な 手 掛 か り と な る 。 著 者 ら (7 1 )による乳汁 の 場 合 は 、 各 種 乳 汁 の 種 類 に よ っ て そ の 効 果 は 異 な る が 、 こ れ は 流 動 下 で の 凝 集 構 造 の 形 成 の 難 易 に 基 づ く も の と 説 明 し た 。 血 液 の 場 合 は 流 動 下 で 管 壁 近 く に 血 球 の 存 在 し な い 血 紫 層 が 形 成 さ れ 、 赤 血 球 は 中 心 部 に 集 ま る と い う 軸 集 中 性 に 基 づ く 流 動 特 性 を 示 す と 考 え ら れ る 。 実 際 にThoma(7 2)、Fahraeusら(6 0)は こ の よ う な 軸 集 中 性 は 血 球 が 中 心 方 向 に 向 か う 力 の 大 き さ に よ っ て 起 こ る と 考 え た 。 こ の 大 き さ に 関 し 大 別 し て 二 通 り の 解 釈 が あ る 。 一 つ は エ ネ ル ギ 一 散 逸 の 極 小 理 論 を 基 と す る 統 計 力 学 的 な 考 え 方 で あ り 、 も う 一 つ は 流 体 力 学 的 な 考 え 方 で あ る 。 Je f f e ry(7 3 )はサスペンション 粒 子 が 中 心 軸 近 く に 集 ま る と き 、 エ ネ ル ギ 一 散 逸 を 最 小 に す る よ う に 楕 円 径 の 粒 子 が 流 れ る こ と を 指 摘 し た 。 Vend(T.4)は半径 Tの 剛 球 サ ス ペ ン シ ヨ ン は 恰 も1
.
30 1 T の 厚 さ を も っ 毛 細 管 壁 で の 連 続 な 一 つ の 層 で あ る か の よ う な 挙 動 を 示 す こ と を 述 べ た 。DenningとWatson(7 &)は毛細管の内径が O. 3mm 以 下 に な る と 、 血 液 の こ の 現 象 は
著 し く な る が 、 こ の よ う な 軸 集 中 性 と い う 考 え 方 を 支 持 し て い る 研 究 者 逮 は 多 い 。 た とえばBayliss(7 1)は こ の 軸 集 中 性 に は 多 く の 種 類 が あ る こ と を 示 唆 し 、 管 壁 近 く で の 血 球 現 象 は 管 壁 に も 粒 子 の 排 除 効 果 が あ る と 結 論 し て い る 。 さ ら に 彼 は 管 壁 近 く で の 広 い 血 紫 層 の 存 在 は 4 0 %以 上 の 赤 血 球 濃 度 を も っ 血 液 の 場 合 に は 証 明 で き な い と 指 摘 し て い る 。 ま た 、 サ ス ペ ン シ ョ ン 粒 子 に つ い て のScott Blair(7 7)の説明によれば、 軸 集 中 性 と い う の は 非 等 分 性 の 分 散 粒 子 が 毛 細 管 壁 に 接 し て 自 由 回 転 性 か ら 妨 げ ら れ 、 恐 ら く ず り 応 力 に 対 す る 抵 抗 性 を 減 少 す る よ う な 方 向 に 配 向 す る 結 果 で あ ろ う と 考 え た 。 著 者 ら (7 8)も 高 分 子 溶 液 の 流 動 複 屈 折 の 測 定 結 果 か ら 各 種 溶 液 の 流 動 特 性 に 及 ぼ す 管 壁 の 影 響 は 溶 存 高 分 子 が 流 動 下 で 配 向 し や す い か 否 か に よ り 決 ま る も の で 、 配 向 し や す い も の は 壁 の 影 響 を う け 易 く な る た めSigma効 果 を 生 じ 易 く な る も の と 結 論 し て い る 。 ま た 、 流 れ の 場 で 回 転 し て い る 物 体 は 流 線 方 向 に 対 し 直 角 な 力 を う け 、 そ の 方 向 は 回 転 に よ る 物 体 表 面 の 速 度 と 流 線 方 向 の 一 致 す る 側 に 向 か い 、 力 の 大 き さ は 回 転 角 速 度 と 流 速 に 比 例 す る と い う 、 い わ ゆ るMagnas効 果 で 説 明 し よ う と す る 研 究 者 逮 げ 川 も い る 。 こ の 軸 集 中 性 の 機 構 を 明 ら か に す る た め に 、 Muller(80)は 血 紫 の 代 わ り に グ リ セ リ ン を 、 ま た 、 赤 血 球 の 代 わ り に ゴ ム の 小 円 板 を 用 い て 実 験 を 行 な い 、 流 動 の 際 、 ゴ ム の 小 円 板 が 軸 付 近 に 集 ま る こ と を 観 察 し た 。 Starkey(1 Inも層流の際、 壁 近 く に コ ロ イ ド 溶 液 を 注 入 す る と 、 管 壁 近 く か ら 軸 の 中 心 部 に 向 か つ て 漸 次 移 動 す る こ と を 観 察 し て い る 。 こ の よ う に 通 常 、 軸 集 中 性 と い う の は エ マ ル シ ョ ン や サ ス ベ
ン シ ョ ン 粒 子 が 軸 の 中 心 部 に 集 ま る 現 象 を い う が 、 か な ら ず し も こ の よ う に な ら な い 実 験 結 果 も 数 多 く 観 察 さ れ て い る 。 Silberbergら げ 1) は サ ス ペ ン シ ョ ン 粒 子 が 毛 細 管 中 を 流 動 す る 際 、 粘 度 や 管 径 に よ り 変 化 す る 原 因 の ー っ と し て 管 中 で の 演 度 分 布 を 指 摘 し て い る が 、 こ れ に よ る と 、 球 状 サ ス ペ ン シ ョ ン 粒 子 が 層 流 の も と で 示 す 分 布 状 態 は 中 心 か ら あ る 距 離 の 環 状 の 領 域 に 集 ま る こ と が 報 告 さ れ て い る 。 こ れ は レ イ ノ ル ズ 数が 10-8-..6x 10-8ま での 範囲 の実 験で あっ たが 、 Mason(12)も 同 様 の 実 験 を レ イ ノ ル ズ 数 の 低 い 領 域 (1 0 -" 以 下 ) で 行 な っ た 結 果 、 管 壁 か ら 粒 子 の 移 動 は こ の 粒 子 に ず り 応 力 を か け た と き 、 そ の ず り の 下 で 粒 子 が 変 形 を 示 す と き だ け 生 ず る こ と を確かめた。 Hershey(8 8)も ま た 、 サ ス ペ ン シ ョ ン の 流 動 式 に は レ イ ノ ル ズ 数 が 関 与 す る こ と を 明 ら か に し た 。 さ ら に 山 本 川 ")はSigma効 果 の 起 こ る よ う な 浪 度 分 布 を あ ら か じ め 仮 定 し 、 そ こ か ら 逆 に こ の 機 構 を 説 明 す る こ と を 試 み て い る 。 こ の こ と か ら 、 Sigma効 果 の 原 因 と し て は 流 体 力 学 的 な 壁 と の 相 互 作 用 が 他 の 効 果 よ り も 大 き い 効 果 をもっと述べている。 4 - 2. Sigma効 果 に 対 す る 毛 細 管 壁 の 影 響 乳 汁 の 流 動 下 で の 分 散 状 態 か ら も 明 ら か な よ う に 、 人 乳 で は 管 壁 近 く で 凝 集 構 造 を 形 成 す る の が 観 察 さ れ る が 、 こ れ は 毛 細 管 壁 と 分 散 粒 子 と の 相 互 作 用 に よ る も の と 考 え ら れ る 。 血 液 流 動 に 対 し て 重 大 な 影 響 を 及 ぼ す 原 因 の ー っ と し てCopley川 町 は 管 壁 の 性 質 の 相 違 を 挙 げ た 。 彼 は 大 ネ ズ ミ の 頬 部 の 血 管 に グ ラ フ ァ イ ト 粒 子 や ポ ン タ ミ ン ブ ル ー を 注 射 し た 場 合 、 こ れ ら の 粒 子 が 血 紫 層 の 管 壁 近 傍 に は は い ら な い こ と を 観 察 し て い る 。 こ の 実 験 は 血 管 壁 に 沿 っ て 固 定 層 と 流 動 層 と が 存 在 し 、 こ の 部 分 に は 血 球 や 粒 子 が 接 近 で き な い こ と を 示 し て い る 。 ま た 、 彼 は ガ ラ ス 毛 細 管 に シ リ コ ン 、 パ ラ フ ィ ン 、 フ ィ プ リ ン な ど を 被 覆 し て 血 液 流 動 に 及 ぼ す 影 響 を 観 察 し 、 一 定 流 速 を 与 え る た め に 必 要 な 圧 力 が 管 壁 表 面 物 質 の 影 響 を う け る こ と を 認 め て い る 。 そ れ 以 前 に Bingham (8 e)も 血 液 の 粘 度 は 種 々 の 血 液 タ ン パ ク の う ち フ イ プ リ ノ ー ゲ ン の 存 在 に よ っ て も っ と も 低 下 す る こ と を 見 い だ し て い る 。 Copley川 町 は ま た 、 抗 凝 固 性 の へ パ リ ン は 血 液 お よ び 血 紫 の 流 動 性 を 増 加 す る 傾 向 の あ る こ と を 見 い だ し た 。 血 管 の よ う な 可 携 性 の あ る 毛 細 管 と ガ ラ ス 管 の よ う な 開
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い 毛 細 管 と で は そ の 性 質 が 異 な る の は 当 然 で あ る が 、 そ の 差 異 を 明 ら か に す る た め に は 管 中 を 流 動 す る サ ス ペ ン シ ョ ン 粒 子 や 溶 存 分 子 が 管 壁 に 与 え る 影 響 を 考 慮 し な け れ ば な ら な い 。 そ の 影 響 の 一 つ に 毛 細 管 壁 で の 粒 子 の 吸 着 が あ る 。 実 際 に 球 状 サ ス ペ ン シ ョ ン が 毛 細 管 中 を 流 動 す る 際 、 流 動 の 前 後 で 濃 度 変 化 が み ら れ る こ と をSeshadriら (8 1)は報告 し て い る 。 ま た 彼 は 毛 細 管 内 半 径 と サ ス ペ ン シ ョ ン 粒 子 の 半 径 と の 比 を 減 少 す る と 、 そ れ と と も に 毛 細 管 中 の 濃 度 減 少 は な く な る こ と を 観 察 し て い る 。 ま た 、 こ の 効 果 は 毛 細 管 内 半 径 の 幾 何 学 的 な 形 状 と は 無 関 係 で あ る こ と を も 観 察 し て い る 、 Ohrn(8 g) に よ れ ば 高 分 子 溶 液 で は 毛 細 管 壁 で の 吸 着 が 著 し く こ れ が 高 分 子 溶 液 の 粘 度 測 定 の 際 の 重 大 な 誤 差 の 原 因 と な る こ と を 述 べ て い る 。 高 分 子 が 毛 細 管 壁 に 吸 着 す る た め に 毛 細 管 の 有 効 半 径 が 減 少 し 、 実 測 さ れ た 流 動 時 間 が 増 加 す る 現 象 と な っ て 顕 わ れ る と い う も の で あ る 、 著 者 ら (7 8)も ガ ラ ス の フ ィ ル タ ー を 通 し た 前 後 で の 高 分 子 溶 液 の 濃 度 差 か ら 、 ガ ラ ス 壁 で の 高 分 子 の 吸 着 現 象 を 説 明 し た 。 こ の よ う な 高 分 子 の 壁 で の 吸 着 が 高 分 子 溶 液 の 毛 細 管 中 流 動 の 際 、 影 響 を 及 ぼ す 要 因 の 一 つ に な っ て い る と 考 え ら れる 。 毛 細 管 中 流 動 の 際 に み ら れ る 管 壁 で の も う ひ と つ の 問 題 は 毛 細 管 壁 で の 粒 子 の す べ り の 効 果 で あ る 。 著 者 ら の 乳 汁 の 結 果 か ら 人 乳 で は 管 壁 近 く で 著 し い 凝 集 構 造 を 形 成 す る と こ ろ か ら 壁 で の す べ り を 説 明 し た 。 ま た 、
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ら け 0)は サ ス ペ ン シ ヨ ン 粒 子 の 毛 細 管 中 流 動 の 際 、 厚 さ 8の 層 が 不 連 続 な 速 度 分 布 を と っ て 流 れ て い る と 考 え た 。 岡 ら け り は こ の 考 え に 基 づ き Sの 層 の 厚 さ は 約 3μ で あ る こ と を 明 ら か に し た 。 こ こ で 用 い た 管 中 の 粘 度 は そ の 液 体 の 体 積 分 率 に 関 係 す る が 、 Maudeら け 1)は血液の場合、 そ の 体 積 分 率 がO.
4 0以 下 の 範 囲 で 、 ま たOliverら (SI a)は 球 状 サ ス ペ ン シ ョ ン の 場 合、 O. 3 5以下で満足する結果が得られることを示している。whi
伽l
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e"拘によると毛細 管の入口のところで血球は流線からずれて管壁から遠ざかる。この結果、平均の体積率は中 心部の体積分率より小さくなり、これが Sigma効果の原因になると説明している。また Oldroyd仰と Toms附 は ポ リ メ チ ル メ タ ア タ リ レ ー ト (PMMA)のモノクロルベンゼン溶液 の流動特性の管径による変化はすべりの効果として説明されることを明らかにしている。 すなわち、その流動度をゆ、毛細管の内半径 R、ずり応力 F、 す ぺ り 係 数 をC
とすると めニ f (1/F) 十 4~(F)/ R が成立つことを示している。この管壁でのすべりの効果はかならずしも高浪度で著しいわけ ではない (Fig.17)。;
:
c=5.ωCg/l) c=10.0匂/l) o 5ω 1.似泊 1.ωo 2.α)() 2.5∞
Shear Stress F (dy官官/crrr) Fig.17S
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Fig.18C
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著者ら聞の実験結果も高分子水溶液に アミノ酸類を添加するとアミノ酸の種 類により非ニュートン性はもとの溶液 より大きくなるにも拘わらず管壁での 効果は減少する場合があることを観察 している。これは高分子と各種アミノ 酸との問の相互作用のために高分子水 溶液と異なった溶存状態をとったため と考えられる。このように管壁でのす べりの効果はその溶存状態あるいは分 散状態によって変化する。百lOm
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(95) は一定条件の下での高分子溶液ではす べりの効果が大であることを認め、 Oldroyd(的やToms(1仰のデータを ScottB凶rら陶の方法で取扱を試みた (Fig.18)。この場合もすべり係数(80) はPMMA
濃度の低い方が大となってい る。その他種々の繊維状物質のサスペ ンション O刑期やポリエチレン溶融体側 セルロース紛末のグリセリン溶液(1聞な どが壁面上ですべりを起こすことが観 察されている。また、このすべりの効 果をぬれの問題として取り扱っている 研究者達(101)も多い。 筆者ら(104i一(106)も種々の管径をもっ毛細管中での赤血球の流 動挙動から、また、これをデンシトメーターにか けて赤血球の管内での位置と個数分布による光の 吸収の関係から、さらに、矩形毛細管中での流動 をPinHole透過光によりPhoto-Counterで、直接 測 定 し た 結 果 (Fig. 20-A 20-B ))から正常 な赤血球と説集した場合とでは異なること、およ び、壁近傍での赤血球の少ない流動層の存在を明 らかにしたn 乳汁の場合にもこれと類似の現象が みられる。 Fig.21 でみられるように乳脂肪 の種類によりその現象の顕われ方は異なり、均等 乳では壁近傍に粒子の存在が殆んどみられないが 生の牛乳のように管壁近くに粒子が集まる場合の あることをも明らかにした。また、 Fig.21B、てや 示すように管径が小さくなればその影響の顕われ 方は大きくなることがわかる。この結果はデンシ トメーターによる解析結果とよく一致する。(Fig_ 21-A Fig. 21-B ) 1.0r 0 Normal ゐAggregation 。一1一一十 0 Relative positlOn Fig.20-A Relative OD vs. relative position plots of red blood cells.
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Normal A Aggregation 。 ー'::"1 0 Relative position Fig.20-B Results of photo counter measure -ments of red blood cells. (a) N ormal blood (in a circular tube) (b) Aggregated blood (in a circular tube) (c) Normal blood ( in a rectanglar tube ) (d) Aggregated blood ( in a rectanglar tube ) F i g. 19 Flow of blood suspension in a capillary a) (a) Cow's fresh milk b) (b，
Human milk c) (c) Homogenized milk Fig.21-A Photomicrograph of milk fat drop -lets flowing in a capillary (b-l) 120，um (b・2) 80μn (b-3) 50，um Fig.21-B Photomicrograph of human milk4
-3. Sigma
効 果 の 解 析 Fig.22(a) Schematic diagram of desital computing densitometer。
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Photo- Photo-microscopic‘
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microscope observatlon4
Densitometer (Concentration distribution) Fig.22 ( b) Schematic view of the experimental method Fig.22(c) Dispersion state of milk fat globules in a capillary.。
。
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F i g. 23 . The responce of OD distribution in a capillary system 解 析 方 法 に は 2通 り あ る が 、 こ こ で は 、 デ ン シ ト メ ー タ ー を 用 い て ネ ガ フ ィ ル ム を 解 析 し 、 こ れ を 基 に 分 散 位 子 の 挙 動 を 明 ら か に し 、 凝 集 状 態 に 関 す る 知 見 を 得 ょ う と す る も の で あ る 。 そ の 方 法 を 次 に 示す。これは、GELMAN
社 製 の DCD-1 6型 で 、 光 源 か ら 発 し た 光 を 集 光 レ ン ズ で 受 け て 、 こ れ を グ レ ー テ ィ ン グ さ せ 、 ス リ ッ ト を 通 過 し た 光 を シ リ コ ン フ ォ ト ・ ト ラ ン ジ ス タ ー で 受 け て 、 こ の 電 気 信 号 を 記 録 計 に 画 か せ る 装 置 で あ b。 ご の 装 置 の 特 徴 は 、 各 分 画 の 濃 度 を パ ー セ ン ト で 自 動 表 示 で き る 点 に あ る 。 実 際 の 測 定 に あ た っ て は 、 同 一 ネ ガ フ ィ ル ム の 管 径 か ら 中 心 部 へ 3回 以 上 グ レ ー テ ィ ン グ し た 。 人 乳 、 牛 乳 、 均 質 乳 、 オ レ イ ン 酸 エ マ ル シ ョ ン の 各 種 乳 汁 を デ ン シ ト メ ー タ ー に か け た 結 果 を 次 の 図 に 示 す 。 (Fig.23) Fig.23(a)は 人 乳 の 場 合 で あ るが、最初は急速に吸光度の増加がみられ、 次 い で 、 管 の 中 心 部 に 至 る ま で に 、 再 度 、 幾 つ か の 吸 光 度 の 増 加 が み ら れ 、 こ れ は 、 次 第 に 減 少 し て 、 中 心 部 で 最 小 と な る 場 合 で あ る 。 こ の 場 合 に は 、 管 壁 に 最 も 近 い 部 分 に 分 散 粒 子 の 存 在 が い ち じ る し く 、 中 心 部 で は 最 も 少 な い こ と を 意 味 し て い る 。 次に Fig.23(b) の 生 の 牛 乳 の 場 合 に は 、 吸 光 度 の 増 加 は (a) の 人 乳 に 比 べ て や や 遅 い が 、 や は り 、 最 初 の 段 階 で 大 き なPeak
が み ら れ 、 さ ら に 幾 つ か のPeak
を示 し 、 こ れ は 、 中 心 部 に 向 か う に 従 っ て 次 第 に 減 少 し て い る 。 し た が っ て 、 こ の 場 合にも、乳脂肪の存在は管壁近くに集中し、 管 の 中 心 部 で は 少 な い こ と が 明 ら か と な った。また、 Fig.23(c) の 均 質 乳 の 場 合 に は 、 最 初 のPeak
はそれほど大きくなく、次 第 に 増 加 し 、 中 心 部 で 最 大 と な る よ う な 傾 向 が み ら れ る こ と か ら 、 乳 脂 肪 の 管 壁 近 く で の 存 在 は 少 な く 中 心 部 に 大 き な 位 子 の 凝 集 構 造 が 形 成 さ れ て い る も の と考えられる。これに対し、 Fig.23 (d) は 、 オ レ イ ン 酸 エ マ ル シ ョ ン で 得 ら れ た 結 果 で あ る が 、 全 体 に
Peak
が 高 く 、 管 径 全 体 に わ た っ て ブ ロ ー ド な 吸 収 曲 線 を 示 し て い る 。 こ の 場 合 に は 毛 細 管 中 で の 脂 肪 位 子 の 凝 集 構 造 の 形 成 は 少 な く 、 分 散 性 の よ い 、 微 細 な 粒 子 が 管 径 全 体 に 広 が っ て 分 散 し て い る こ と を 示 し て い る 。 こ よ う な 分 散 粒 子 の 凝 集 構 造 の 形 成 の 難 易 に は 、 粒 子 の 表 面 状 態 が 大 き く 影 響 を 及 ぼ し て い る も の と 考 え ら れ る た め 、 電 子 顕 微 鏡 に よ る 各 種 乳 脂 肪 枝 子 表 面 の 観 察 結 果 を 示 す 。 こ れ は 乳 脂 肪 粒 子 を そ れ ぞ れ 、 液 体 窒 素 で 凍 結 さ せ 、 そ れ を 切 断 し て 得 ら れ た 切 片 を 走 査 型 電 顕 で 観 察 し た 写 真 で あ る (Fig. 24)。 図 よ り 明 ら か な よ う に 、 人 乳 の 場 合 に は 乳 脂 肪 粒 子 は 規 則 正 し い 配 列 を 示 し 、 粒 子 と 粒 子 の 聞 に は 明 ら か に 壁 の 存 在 が み ら れ る の に 対 し 、 牛 乳 の 場 合 に は 、 こ の 規 則 性 に や や 変 化 が み ら れ 、 壁 の 存 在 も 不 明 瞭 と な っ て い る 。 ま た 、 均 質 乳 の 場 合 に は 、 粒 子 は 不 規 則 に 存 在 し て い る 。 壁 の 存 在 も 殆 ど み と め ら れ な い 。 Fig.24 Electron micrograph of milk fat globules (a)， (a)' Human fresh milk (b)， (b)' Cow's fresh milk (c)， (c)' Homogenized milkも う ひ と つ の 方 法 は 、 次 の よ う な 解 析 法 で あ る 。 す な わ ち 、 撮 影 し た16mmフ ィ ル ム を
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を 用 い て ス ク リ ー ン 上 に 投 影 し 、 赤 血 球 の 運 動 を 観 察 し 、 赤 血 球f
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( 流 束 : 単 位 面 積 を 単 位 時 間 に 流 れ る 赤 血 球 の 数 ) お よ び 流 速 を 分 析 す る 方 法である。 r.o.cSUSl珂(lst<岡 ~~向。 tr E四tllorvFI側 Clrcult局¥
lIGHT Fig.25(b)x
F i g. 25 (a) Schemitic diagram of experimental apparatus Schematic representation for theoretical calculation of number distribution in a capillary Fig.2 5に お い て 、 取 り 扱 う 物 理 量 〈 密 度 あ る い は 流 速 ) を
Q
とするとQ
は 管 断 面 内 で 変 化 す る 。 す な わ ち 、x，
yの 関 数 と な る 。 顕 微 鏡 下 で 観 察 さ れ る 量Q
本はx
の み の 関 数 となり、Q
と次の関係がある。 Q*(x) =¥
〆
で
三
Q(x，y)d_y .I- V Xi_xZ -ただし、 Rは 毛 細 管 の 半 径 で あ る 。x
断 面 をK分 割 し て 平 均 量 を 計 測 す る 場 合 に は 、 rXI+τ -Q*，
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~ Q*(x)dx， o="
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L となる。 管 断 面 に わ た っ て 個 数 密 度 が 一 定 値nO
をとる特別な場合に、 (2
) 式 の 積 分 は 容 易 に実行され、 K分 割 で 計 測 さ れ る 個 数 密 度Niは次式で与えられる。 Ni/N=ツi+J-y ただし、 yt=が可す
+sin守
Nは 管 断 面 全 体 に お け る 個 数 で 、 N =no ・π.R2 である。 Fig.2 5 (a)，
(b)の 理 論 値 は こ の 式 か ら 算 出 さ れ た も の で あ る 12.0ー1a 7 )。管 断 面 に お け る 赤 血 球fluxFは 管 断 面 を 12等 分 し 、 そ の 部 分 を 通 過 す る 赤 血 球 の 数を 2 5 0コ マ (1コ マ : 1 / 6 4秒 間 ) 集 計 す る こ と に よ り 求 め た 。 ま た 、 赤 血 球 の 流 速 分 布 は 1コ マ で 、 赤 血 球 の 進 む 距 離 か ら 算 出 し 、 赤 血 球 f 1uxと 同 様 に 管 断 面 を 1 2等分して求めた。 赤 血 球 の 個 数 密 度 分 布 は 、 赤 血 球fluxと 赤 血 球 流 速 か ら 次 の 式 を 用 い て 算 出 し た 。
