江南大學(xué)金征宇院士團(tuán)隊(duì) | 3D打印技術(shù)在淀粉基吞咽障礙食品中的應(yīng)用

來(lái)源：中國(guó)食品學(xué)報(bào)

3D打印技術(shù)在淀粉基吞咽障礙食品中的應(yīng)用
劉文夢(mèng)，陳 龍，金征宇*
江南大學(xué)

文章針對(duì)人口老齡化加劇背景下吞咽功能障礙患者膳食需求升級(jí)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(dǎo)致的感官接受度下降，營(yíng)養(yǎng)密度不足以及個(gè)性化適配性欠缺等關(guān)鍵問(wèn)題?；谠霾闹圃煸淼?D食品打印技術(shù)，憑借微尺度結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控能力與個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)定制優(yōu)勢(shì)，為構(gòu)建吞咽安全-營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)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(guò)逐層堆積成型的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)食品的精準(zhǔn)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(tuán)、奶酪、果蔬泥），通過(guò)螺桿或氣壓驅(qū)動(dòng)實(shí)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(guò)熱發(fā)泡或壓電效應(yīng)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(kāi)發(fā)中應(yīng)用最廣泛的，主要是由于其具有高打印精度的特點(diǎn)。

食品3D打印的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：1）個(gè)性化定制，可依據(jù)營(yíng)養(yǎng)需求（如低糖、高蛋白）或?qū)徝榔迷O(shè)計(jì)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(shí)也賦予其營(yíng)養(yǎng)需要；2）資源高效利用，通過(guò)精準(zhǔn)控料減少原料浪費(fèi)，并支持非傳統(tǒng)食材（如食品副產(chǎn)品）的高值化利用；3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造，突破傳統(tǒng)加工限制，實(shí)現(xiàn)多孔、鏤空或多材料復(fù)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(dòng)食品制造向自動(dòng)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(lái)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(fèi)的植物性食品，良好的流變特性對(duì)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(yīng)力、表觀黏度和流動(dòng)指數(shù)等指標(biāo)會(huì)顯著影響擠出過(guò)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(dú)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(duì)熱、壓力和剪切敏感以及儲(chǔ)存后回生等問(wèn)題，導(dǎo)致其應(yīng)用具有一定的局限性。為了擴(kuò)大淀粉基油墨的應(yīng)用范圍，可以通過(guò)各種改性技術(shù)來(lái)改善其性能，包括：物理、化學(xué)改性、復(fù)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。

3  在吞咽障礙食品開(kāi)發(fā)方面的應(yīng)用進(jìn)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(kāi)發(fā)中的應(yīng)用需求。結(jié)合3D打印技術(shù)的創(chuàng)新性應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化質(zhì)構(gòu)定制，功能性營(yíng)養(yǎng)食品開(kāi)發(fā)，而且也可以實(shí)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(jí)），可以設(shè)計(jì)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(yíng)養(yǎng)需求，制備了富含蛋白質(zhì)、膳食纖維或益生元的個(gè)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(dǎo)致打印產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響長(zhǎng)期保存和使用。還有部分淀粉基墨水在高溫或長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)條件下會(huì)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(jìn)步，但是對(duì)于高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的食品打印，仍面臨打印時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，批次一致性問(wèn)題。大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，如何保證每批次產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)一致性，是當(dāng)前亟需解決的問(wèn)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(huì)導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，影響產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用。此外，部分研究成果雖進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，但仍需更多的數(shù)據(jù)支持和驗(yàn)證，以確保產(chǎn)品的安全性和有效性。

5  未來(lái)展望

今后在開(kāi)發(fā)3D打印吞咽困難飲食時(shí)需關(guān)注以下6個(gè)方面：

1）應(yīng)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(yíng)養(yǎng)素和維生素、礦物質(zhì)等微量營(yíng)養(yǎng)素以及其它必需營(yíng)養(yǎng)素的營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化食品，以滿足老年人的特殊營(yíng)養(yǎng)需求。

2）應(yīng)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(yíng)養(yǎng)密度和功能價(jià)值。

3）應(yīng)開(kāi)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(píng)估系統(tǒng)，以輔助利用3D打印技術(shù)快速開(kāi)發(fā)有吸引力的吞咽困難飲食。未來(lái)，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(duì)于使用3D打印開(kāi)發(fā)營(yíng)養(yǎng)吞咽困難飲食非常重要。通過(guò)結(jié)合食物特性、醫(yī)療數(shù)據(jù)（如臨床測(cè)試、健康記錄等）開(kāi)發(fā)基于個(gè)人需求的個(gè)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)研究成果向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

4）利用數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從患者個(gè)體數(shù)據(jù)到個(gè)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(zhǔn)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(yīng)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(duì)化學(xué)試劑的依賴，提高產(chǎn)品的可持續(xù)性。

6）通過(guò)復(fù)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(yàn)。例如，仿真實(shí)水果或肉類的外觀和質(zhì)地，增強(qiáng)患者的食欲和心理舒適感。

6  結(jié)語(yǔ)

淀粉基3D打印墨水通過(guò)改性優(yōu)化和多組分協(xié)同，為吞咽障礙食品的個(gè)性化設(shè)計(jì)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(yíng)養(yǎng)功能強(qiáng)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(yíng)養(yǎng)、可口的飲食選擇。未來(lái)研究需進(jìn)一步突破技術(shù)瓶頸，推動(dòng)淀粉基打印食品從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用，為個(gè)性化醫(yī)療食品的發(fā)展提供理論參考。

引文格式

劉文夢(mèng), 陳龍, 金征宇. 3D打印技術(shù)在淀粉基吞咽障礙食品中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào), 2025, 25(05): 37-46.

DOI:10.16429/j.1009-7848.2025.05.004.


通信作者

金征宇教授，中國(guó)民主同盟盟員，中國(guó)工程院院士，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家，十二屆全國(guó)人大代表。1982年獲無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院糧食工程學(xué)士學(xué)位、1988年獲無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院糧食工程碩士學(xué)位、1992年獲無(wú)錫輕工業(yè)學(xué)院食品工程博士學(xué)位。曾任江南大學(xué)食品學(xué)院院長(zhǎng)、食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、江南大學(xué)副校長(zhǎng)?，F(xiàn)任教育部食品科學(xué)與工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員，中國(guó)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。

金征宇教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)三十多年來(lái)深耕碳水化合物、糧食深加工領(lǐng)域，通過(guò)理論創(chuàng)新、技術(shù)研發(fā)和裝備升級(jí)，推動(dòng)主食工業(yè)化、方便化、營(yíng)養(yǎng)化和組分高值化發(fā)展，為我國(guó)糧油食品領(lǐng)域的科技進(jìn)步作出了重要貢獻(xiàn)。金征宇教授先后主持和承擔(dān)包括國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家科技支撐計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等在內(nèi)的國(guó)家級(jí)項(xiàng)目20余項(xiàng)。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(guó)高被引學(xué)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(guó)際發(fā)明專利10件。榮獲“全國(guó)優(yōu)秀教師”和“全國(guó)優(yōu)秀科技工作者”榮譽(yù)稱號(hào)；獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（2項(xiàng)排名第一，1項(xiàng)排名第二）、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排名第一）、國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（排名第一）、2017年獲何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)。