來源:中國食品學報
3D打印技術(shù)在淀粉基吞咽障礙食品中的應用
劉文夢,陳 龍,金征宇*
江南大學
文章針對人口老齡化加劇背景下吞咽功能障礙患者膳食需求升級的現(xiàn)狀,系統(tǒng)探討基于功能性碳水化合物的3D食品打印技術(shù)創(chuàng)新路徑。傳統(tǒng)糊狀/泥狀膳食形態(tài)存在質(zhì)地均質(zhì)化導致的感官接受度下降,營養(yǎng)密度不足以及個性化適配性欠缺等關(guān)鍵問題。基于增材制造原理的3D食品打印技術(shù),憑借微尺度結(jié)構(gòu)精準調(diào)控能力與個性化營養(yǎng)定制優(yōu)勢,為構(gòu)建吞咽安全-營養(yǎng)強化-感官愉悅協(xié)同的新型膳食體系提供了技術(shù)突破口。
1 食品3D打印技術(shù)概述
食品3D打印作為增材制造技術(shù)在食品領(lǐng)域的重要分支,通過逐層堆積成型的方式實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)食品的精準定制,主流技術(shù)主要包括:1)熱擠壓式打印,適用于高黏度材料(如面團、奶酪、果蔬泥),通過螺桿或氣壓驅(qū)動實現(xiàn)連續(xù)擠出;2)噴墨式打印,多用于液態(tài)或低黏度原料(如糖漿、巧克力涂層),通過熱發(fā)泡或壓電效應生成微滴;3)選擇性激光燒結(jié),以糖粉、蛋白質(zhì)粉末等為原料,利用激光選擇性熔融層間黏合。其中,熱擠壓3D打印技術(shù)是目前在淀粉基吞咽障礙膳食食品開發(fā)中應用最廣泛的,主要是由于其具有高打印精度的特點。
食品3D打印的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:1)個性化定制,可依據(jù)營養(yǎng)需求(如低糖、高蛋白)或?qū)徝榔迷O計食品形態(tài),適用于醫(yī)療飲食、老年膳食等領(lǐng)域,在滿足功能需求的同時也賦予其營養(yǎng)需要;2)資源高效利用,通過精準控料減少原料浪費,并支持非傳統(tǒng)食材(如食品副產(chǎn)品)的高值化利用;3)復雜結(jié)構(gòu)制造,突破傳統(tǒng)加工限制,實現(xiàn)多孔、鏤空或多材料復合結(jié)構(gòu),提升食品質(zhì)構(gòu)與功能特性;4)數(shù)字化生產(chǎn),結(jié)合人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),推動食品制造向自動化、智能化轉(zhuǎn)型。
2 天然淀粉的局限性及改性策略
淀粉作為人體主要食物中的碳水化合物來源,其流變特性與3D打印適配性直接決定了打印精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和吞咽安全性。作為一種可消費的植物性食品,良好的流變特性對于呈現(xiàn)良好的3D打印效果至關(guān)重要。比如:淀粉基凝膠的屈服應力、表觀黏度和流動指數(shù)等指標會顯著影響擠出過程。另一方面,3D打印物體的自支撐能力在很大程度上取決于剪切模量。天然淀粉獨特的流變特性,為3D食品打印提供了很高的適用性,然而其也表現(xiàn)出對熱、壓力和剪切敏感以及儲存后回生等問題,導致其應用具有一定的局限性。為了擴大淀粉基油墨的應用范圍,可以通過各種改性技術(shù)來改善其性能,包括:物理、化學改性、復合改性等,這可能涉及改變淀粉的分子特性和結(jié)構(gòu),從而使其更適合3D打印。
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3 在吞咽障礙食品開發(fā)方面的應用進展
基于不同方法改性的淀粉呈現(xiàn)出良好的3D打印性能,滿足了其在淀粉基吞咽障礙食品開發(fā)中的應用需求。結(jié)合3D打印技術(shù)的創(chuàng)新性應用,不僅實現(xiàn)了個性化質(zhì)構(gòu)定制,功能性營養(yǎng)食品開發(fā),而且也可以實現(xiàn)仿生食品的創(chuàng)造。目前根據(jù)患者的具體吞咽能力(如IDDSI等級),可以設計不同硬度、黏彈性和孔隙率的打印產(chǎn)品。此外,一些研究者結(jié)合患者的營養(yǎng)需求,制備了富含蛋白質(zhì)、膳食纖維或益生元的個性化食品。
4 技術(shù)瓶頸
1)一些未改性或改性不足的淀粉基墨水易發(fā)生回生,導致打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,影響長期保存和使用。還有部分淀粉基墨水在高溫或長時間存儲條件下會發(fā)生降解或變性,影響產(chǎn)品質(zhì)量。
2)雖然打印技術(shù)不斷進步,但是對于高精度、復雜結(jié)構(gòu)的食品打印,仍面臨打印時間長,能耗高,批次一致性問題。大規(guī)模生產(chǎn)過程中,如何保證每批次產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)一致性,是當前亟需解決的問題。
3)功能成分添加受限:在墨水中添加高濃度的功能成分(如蛋白質(zhì)、脂肪),可能會導致流變特性改變,影響打印適性。
4)目前關(guān)于淀粉基打印食品的質(zhì)構(gòu)參數(shù)與吞咽安全性的量化標準尚未統(tǒng)一,影響產(chǎn)品的推廣和應用。此外,部分研究成果雖進入臨床試驗階段,但仍需更多的數(shù)據(jù)支持和驗證,以確保產(chǎn)品的安全性和有效性。
5 未來展望
今后在開發(fā)3D打印吞咽困難飲食時需關(guān)注以下6個方面:
1)應注意提供富含優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等宏量營養(yǎng)素和維生素、礦物質(zhì)等微量營養(yǎng)素以及其它必需營養(yǎng)素的營養(yǎng)強化食品,以滿足老年人的特殊營養(yǎng)需求。
2)應探索新型功能成分的添加方式和控釋技術(shù),提升打印食品的營養(yǎng)密度和功能價值。
3)應開發(fā)與食物口腔加工行為相關(guān)的3D打印吞咽困難飲食評估系統(tǒng),以輔助利用3D打印技術(shù)快速開發(fā)有吸引力的吞咽困難飲食。未來,研究人員、臨床醫(yī)生和患者以及人工智能工作者之間的合作,對于使用3D打印開發(fā)營養(yǎng)吞咽困難飲食非常重要。通過結(jié)合食物特性、醫(yī)療數(shù)據(jù)(如臨床測試、健康記錄等)開發(fā)基于個人需求的個性化飲食推薦系統(tǒng),建立統(tǒng)一的淀粉基打印食品質(zhì)構(gòu)參數(shù)與吞咽安全性的評價標準,推動研究成果向臨床應用的轉(zhuǎn)化。
4)利用數(shù)字孿生技術(shù),結(jié)合計算機模擬和3D打印技術(shù),實現(xiàn)從患者個體數(shù)據(jù)到個性化食品生產(chǎn)的全鏈條數(shù)字化,提升生產(chǎn)效率和精準度。
5)雖然目前已提出一些墨水改性技術(shù),但是結(jié)合安全綠色的需求,應更注重綠色改性工藝,推廣環(huán)保、低能耗的改性方法,減少對化學試劑的依賴,提高產(chǎn)品的可持續(xù)性。
6)通過復雜的3D打印技術(shù),創(chuàng)造出仿生食品的外形和結(jié)構(gòu),提升患者的飲食體驗。例如,仿真實水果或肉類的外觀和質(zhì)地,增強患者的食欲和心理舒適感。
6 結(jié)語
淀粉基3D打印墨水通過改性優(yōu)化和多組分協(xié)同,為吞咽障礙食品的個性化設計提供了新的可能性。目前雖仍面臨墨水穩(wěn)定性、打印精度及營養(yǎng)功能強化等技術(shù)挑戰(zhàn),但隨著智能材料、綠色工藝和數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展,淀粉基3D打印技術(shù)有望在醫(yī)療食品領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用,為吞咽障礙患者提供更多安全、營養(yǎng)、可口的飲食選擇。未來研究需進一步突破技術(shù)瓶頸,推動淀粉基打印食品從實驗室走向臨床應用,為個性化醫(yī)療食品的發(fā)展提供理論參考。
引文格式
劉文夢, 陳龍, 金征宇. 3D打印技術(shù)在淀粉基吞咽障礙食品中的應用[J]. 中國食品學報, 2025, 25(05): 37-46.
DOI:10.16429/j.1009-7848.2025.05.004.
通信作者
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金征宇教授,中國民主同盟盟員,中國工程院院士,享受國務院政府特殊津貼專家,十二屆全國人大代表。1982年獲無錫輕工業(yè)學院糧食工程學士學位、1988年獲無錫輕工業(yè)學院糧食工程碩士學位、1992年獲無錫輕工業(yè)學院食品工程博士學位。曾任江南大學食品學院院長、食品科學與技術(shù)國家重點實驗室主任、江南大學副校長,F(xiàn)任教育部食品科學與工程教學指導委員會主任委員,中國食品科學技術(shù)學會副理事長。
金征宇教授帶領(lǐng)團隊三十多年來深耕碳水化合物、糧食深加工領(lǐng)域,通過理論創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)和裝備升級,推動主食工業(yè)化、方便化、營養(yǎng)化和組分高值化發(fā)展,為我國糧油食品領(lǐng)域的科技進步作出了重要貢獻。金征宇教授先后主持和承擔包括國家自然科學基金重點項目、國家863計劃、國家科技支撐計劃、國家重點研發(fā)計劃等在內(nèi)的國家級項目20余項。以第一或通訊作者發(fā)表SCI論文263篇,連續(xù)十一年入圍Elsevier中國高被引學者;作為主編在Springer等出版社出版英文專著3本,其它專著教材7本;授權(quán)發(fā)明專利163件,其中國際發(fā)明專利10件。榮獲“全國優(yōu)秀教師”和“全國優(yōu)秀科技工作者”榮譽稱號;獲國家科技進步二等獎3項(2項排名第一,1項排名第二)、國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項(排名第一)、國家教學成果二等獎2項(排名第一)、2017年獲何梁何利基金科學與技術(shù)創(chuàng)新獎。
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