易吞咽老年食品制造领域的3D打印新技术研究进展

来源： 生鲜食品探究

食品增材制造（3D/4D/5D打印）研究是江南大学食品学院张慜教授团队的主要研究方向之一，研究对象涵盖果蔬类、粮油类、鱼类、藻类、奶类等生鲜食材类以及食用胶体、淀粉、蛋白、多糖等配料。近年来以第一完成单位（张慜教授为通讯作者）在SCI刊物上发表基于生鲜食品配料的增材制造论文近100篇。3D食品打印利用食品凝胶体系定制可为特定人群设计和生产优化的个性化饮食，以满足其特定需求，进而促进健康。以下介绍团队近年来在易吞咽老年食品打印领域的新技术研究进展。

一、易吞咽老年食品3D打印技术的研究进展
由于协调受损，肌肉虚弱，中风和其他相关疾病而导致的健康状况减弱使得进食和吞咽食物对于部分老年人来说是一种挑战。低粘度的食物推注导致其流速增加，使不灵活的咽部闭合时间不足，从而导致肺抽吸；而高粘度的食物推注可能需要额外的努力才能吞咽并在咽部留下残留物，从而导致窒息的高风险。打印物料的流变特性不仅表征对物料可打印性和结构稳定性的影响，也表明对咀嚼和吞咽快感的整体影响，用于确保吞咽困难老年人的舒适和安全的食物消化。质构特性（例如硬度、内聚性和胶质）和国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）（符合4-7级标准）推荐的测试来用于评估打印样品对吞咽困难患者的适用性，从而用于打印老年食品质地的定制和分类。基于此，下面介绍本团队对吞咽老年食品设计的研究进展。

图1. 国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）：吞咽食品等级测试方法

1.1 添加亲水胶体改进打印老年食品易吞咽特性研究
添加胶体（淀粉、蛋白质、食品添加剂）增强了物料的剪切稀化特性，不仅有利于物料在打印过程中顺利挤出，而且在咀嚼时由于表现出较低的粘性而安全/易于吞咽，为患者提供愉悦的质地感觉。此外，高弹性推注（G'＞G''）有助于吞咽过程中很容易用舌头推入咽部，从而防止推注反流；较高的屈服应力可以延缓咀嚼食品的快速变形和流速,允许食物以适当的方式进入食道。张慜教授团队利用3D单喷头打印技术，在以苹果和玫瑰为新型原料制备吞咽困难食品的研究中，以互配组合的方式将胶体（黄原胶和罗勒籽胶）掺入苹果和食用玫瑰的混合物中，可以很好地为患有吞咽困难和其他吞咽障碍的老年人设计饮食。此外，团队利用3D打印双喷头技术模拟了中国传统食品（红豆馅月饼、青团、包子）的开发，并通过添加水胶体改善了食品的易吞咽特性。

图2. 苹果和食用玫瑰混合物作为吞咽困难食品的3D打印研究

图3. 添加水胶体设计3D打印红豆馅青团吞咽困难食品的可行性

图4. 添加油和水胶体设计3D打印的易于吞咽的红豆馅月饼

1.2 调整打印参数提升易吞咽老年食品综合品质的研究进展
质构特性与填充密度(填充百分比)密切相关，其次是周边和喷嘴尺寸。前两者通过改变孔隙率来改变纹理，而喷嘴尺寸不仅改变了空隙率，还改变了沉积层数，从而间接影响了纹理特性。张慜教授团队以土豆泥，糙米，山药，南瓜等为打印物料，证实通过调整打印参数来实现改变内部设计获得质地可控、形状保真度较高的3D打印食品，并提供线性回归模型和多项式模型进行定量描述作为参考。同时，为了实现材料的受控沉积和多质地和多风味产品的创建，张慜教授团队以土豆泥和草莓汁为材料，使用多打印头打印机制造出具有更高几何复杂性和吸引人外观的高吸引力的多材料结构。

图5. 打印参数（填充率、填充图案、周长）与纹理特性（硬度或胶质）之间的关系

图6. 多材料结构的打印参数（填充率）与纹理特性（硬度）之间的关系（外部：草莓汁凝胶;内部：土豆泥）

二、基于物理场辅助处理提升易吞咽老年食品打印特性及综合品质的研究进展

2.1 超声波辅助处理
超声波预处理可以降低淀粉凝胶系统的粘度，以确保油墨能够顺利挤出。同时，超声波预处理还可以改善淀粉凝胶体系的粘度和溶胀，从而使打印的样品可以长时间保持稳定。团队利用超声波技术作为辅助鱼糜打印材料解冻的工具，不仅节省了 13.5%–40.4%的解冻时间，而且还减少了肌原纤维蛋白二级和三级结构的损伤从而提高了鱼糜的3D打印性能及质地特性（100kHz频率下最好的硬度，弹性和咀嚼性），为易吞咽老年鱼肉食品打印提供了基础。

图7. 超声波预处理提高鱼糜的3D打印性能及质地特性

2.2 微波的辅助处理
微波可使淀粉体系水分散，淀粉糊化和面团硬度增加。硬度的增加反映了体系机械支撑性能的改善，而弹性的增加有利于产品形状的保持和咀嚼性的提高。张慜教授团队以草莓和大豆分离蛋白为原料，利用盐和微波处理大大提高了该油墨系统的印刷精度和自支撑性能，最大限度实现低瓦数微波对不良影响的降低，同时促进食品风味成分的最大释放。团队同样利用氯化钙协同微波预处理荞麦果胶凝胶系统，实现30秒显著降低荞麦淀粉-果胶凝胶系统的粘度，使凝胶更容易通过喷嘴挤出，不仅提高了打印精度，较低的粘度还可以为吞咽困难患者提供愉悦的质地感觉。团队还利用微波加热实现具有低咀嚼性和高内聚力3D打印豆沙包设计，为开发易于吞咽的老年食品或其他特殊需求的食物提供了新的想法。

图8. 氯化钙协同微波预处理对荞麦果胶凝胶性能的影响

图9. 微波蒸制后处理对3D打印豆沙馅包子质构分析

团队介绍
“生鲜食品探究”团队（原江南大学“生鲜食品加工与保鲜”研究团队）始建于1997年10月，隶属于江南大学食品学院。团队依托江南大学“双一流”建设“食品科学与工程”重点学科、江苏省“生鲜食品智能加工与品质监控”国际联合实验室、“生鲜食品加工与保鲜”系列国际研讨会学术委员会、中国商业联合会“生鲜食品加工与保鲜”重点实验室，在生鲜食品领域不断探索发展，目前已培养毕业研究生/博士后超200名。团队主要研究方向为：(1) 生鲜食品干燥/冷冻/杀菌/保鲜/油炸等新技术机理及工程应用;(2) 生鲜食品品质智能检测新技术机理及应用;(3) 基于生鲜食材的食品增材制造(3D/4D打印) 新技术机理及应用。

张慜教授团队与来访国外教授近期合影