易吞咽老年食品制造領域的3D打印新技術研究進展

來源： 生鮮食品探究

食品增材制造（3D/4D/5D打印）研究是江南大學食品學院張慜教授團隊的主要研究方向之一，研究對象涵蓋果蔬類、糧油類、魚類、藻類、奶類等生鮮食材類以及食用膠體、淀粉、蛋白、多糖等配料。近年來以第一完成單位（張慜教授為通訊作者）在SCI刊物上發(fā)表基于生鮮食品配料的增材制造論文近100篇。3D食品打印利用食品凝膠體系定制可為特定人群設計和生產優(yōu)化的個性化飲食，以滿足其特定需求，進而促進健康。以下介紹團隊近年來在易吞咽老年食品打印領域的新技術研究進展。

一、易吞咽老年食品3D打印技術的研究進展
由于協(xié)調受損，肌肉虛弱，中風和其他相關疾病而導致的健康狀況減弱使得進食和吞咽食物對于部分老年人來說是一種挑戰(zhàn)。低粘度的食物推注導致其流速增加，使不靈活的咽部閉合時間不足，從而導致肺抽吸；而高粘度的食物推注可能需要額外的努力才能吞咽并在咽部留下殘留物，從而導致窒息的高風險。打印物料的流變特性不僅表征對物料可打印性和結構穩(wěn)定性的影響，也表明對咀嚼和吞咽快感的整體影響，用于確保吞咽困難老年人的舒適和安全的食物消化。質構特性（例如硬度、內聚性和膠質）和國際吞咽困難飲食標準化倡議（IDDSI）（符合4-7級標準）推薦的測試來用于評估打印樣品對吞咽困難患者的適用性，從而用于打印老年食品質地的定制和分類�；�于此，下面介紹本團隊對吞咽老年食品設計的研究進展。

圖1. 國際吞咽困難飲食標準化倡議（IDDSI）：吞咽食品等級測試方法

1.1 添加親水膠體改進打印老年食品易吞咽特性研究
添加膠體（淀粉、蛋白質、食品添加劑）增強了物料的剪切稀化特性，不僅有利于物料在打印過程中順利擠出，而且在咀嚼時由于表現(xiàn)出較低的粘性而安全/易于吞咽，為患者提供愉悅的質地感覺。此外，高彈性推注（G'＞G''）有助于吞咽過程中很容易用舌頭推入咽部，從而防止推注反流；較高的屈服應力可以延緩咀嚼食品的快速變形和流速,允許食物以適當?shù)姆绞竭M入食道。張慜教授團隊利用3D單噴頭打印技術，在以蘋果和玫瑰為新型原料制備吞咽困難食品的研究中，以互配組合的方式將膠體（黃原膠和羅勒籽膠）摻入蘋果和食用玫瑰的混合物中，可以很好地為患有吞咽困難和其他吞咽障礙的老年人設計飲食。此外，團隊利用3D打印雙噴頭技術模擬了中國傳統(tǒng)食品（紅豆餡月餅、青團、包子）的開發(fā)，并通過添加水膠體改善了食品的易吞咽特性。

圖2. 蘋果和食用玫瑰混合物作為吞咽困難食品的3D打印研究

圖3. 添加水膠體設計3D打印紅豆餡青團吞咽困難食品的可行性

圖4. 添加油和水膠體設計3D打印的易于吞咽的紅豆餡月餅

1.2 調整打印參數(shù)提升易吞咽老年食品綜合品質的研究進展
質構特性與填充密度(填充百分比)密切相關，其次是周邊和噴嘴尺寸。前兩者通過改變孔隙率來改變紋理，而噴嘴尺寸不僅改變了空隙率，還改變了沉積層數(shù)，從而間接影響了紋理特性。張慜教授團隊以土豆泥，糙米，山藥，南瓜等為打印物料，證實通過調整打印參數(shù)來實現(xiàn)改變內部設計獲得質地可控、形狀保真度較高的3D打印食品，并提供線性回歸模型和多項式模型進行定量描述作為參考。同時，為了實現(xiàn)材料的受控沉積和多質地和多風味產品的創(chuàng)建，張慜教授團隊以土豆泥和草莓汁為材料，使用多打印頭打印機制造出具有更高幾何復雜性和吸引人外觀的高吸引力的多材料結構。

圖5. 打印參數(shù)（填充率、填充圖案、周長）與紋理特性（硬度或膠質）之間的關系

圖6. 多材料結構的打印參數(shù)（填充率）與紋理特性（硬度）之間的關系（外部：草莓汁凝膠;內部：土豆泥）

二、基于物理場輔助處理提升易吞咽老年食品打印特性及綜合品質的研究進展

2.1 超聲波輔助處理
超聲波預處理可以降低淀粉凝膠系統(tǒng)的粘度，以確保油墨能夠順利擠出。同時，超聲波預處理還可以改善淀粉凝膠體系的粘度和溶脹，從而使打印的樣品可以長時間保持穩(wěn)定。團隊利用超聲波技術作為輔助魚糜打印材料解凍的工具，不僅節(jié)省了 13.5%–40.4%的解凍時間，而且還減少了肌原纖維蛋白二級和三級結構的損傷從而提高了魚糜的3D打印性能及質地特性（100kHz頻率下最好的硬度，彈性和咀嚼性），為易吞咽老年魚肉食品打印提供了基礎。

圖7. 超聲波預處理提高魚糜的3D打印性能及質地特性

2.2 微波的輔助處理
微波可使淀粉體系水分散，淀粉糊化和面團硬度增加。硬度的增加反映了體系機械支撐性能的改善，而彈性的增加有利于產品形狀的保持和咀嚼性的提高。張慜教授團隊以草莓和大豆分離蛋白為原料，利用鹽和微波處理大大提高了該油墨系統(tǒng)的印刷精度和自支撐性能，最大限度實現(xiàn)低瓦數(shù)微波對不良影響的降低，同時促進食品風味成分的最大釋放。團隊同樣利用氯化鈣協(xié)同微波預處理蕎麥果膠凝膠系統(tǒng)，實現(xiàn)30秒顯著降低蕎麥淀粉-果膠凝膠系統(tǒng)的粘度，使凝膠更容易通過噴嘴擠出，不僅提高了打印精度，較低的粘度還可以為吞咽困難患者提供愉悅的質地感覺。團隊還利用微波加熱實現(xiàn)具有低咀嚼性和高內聚力3D打印豆沙包設計，為開發(fā)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。

圖8. 氯化鈣協(xié)同微波預處理對蕎麥果膠凝膠性能的影響

圖9. 微波蒸制后處理對3D打印豆沙餡包子質構分析

團隊介紹
“生鮮食品探究”團隊（原江南大學“生鮮食品加工與保鮮”研究團隊）始建于1997年10月，隸屬于江南大學食品學院。團隊依托江南大學“雙一流”建設“食品科學與工程”重點學科、江蘇省“生鮮食品智能加工與品質監(jiān)控”國際聯(lián)合實驗室、“生鮮食品加工與保鮮”系列國際研討會學術委員會、中國商業(yè)聯(lián)合會“生鮮食品加工與保鮮”重點實驗室，在生鮮食品領域不斷探索發(fā)展，目前已培養(yǎng)畢業(yè)研究生/博士后超200名。團隊主要研究方向為：(1) 生鮮食品干燥/冷凍/殺菌/保鮮/油炸等新技術機理及工程應用;(2) 生鮮食品品質智能檢測新技術機理及應用;(3) 基于生鮮食材的食品增材制造(3D/4D打印) 新技術機理及應用。

張慜教授團隊與來訪國外教授近期合影