多喷嘴夹具设计与复合水胶体调控草莓-豌豆蛋白凝胶的3D打印效率及抗吞咽障碍性能研究

为解决吞咽障碍患者饮食需求与3D食品打印效率低下的矛盾，研究人员通过复合明胶(GL)、黄原胶(XG)和亚麻籽胶(FG)优化草莓-豌豆分离蛋白(PPI)凝胶体系，并自主设计多喷嘴打印机。结果表明：水胶体将最佳打印速度提升至50?mm/s，六喷嘴设备使单件产品耗时从610?s降至58?s，且打印品符合IDDSI 4级标准，为功能性食品规模化生产提供新策略。

　　

随着全球老龄化加剧，约30%住院老年患者存在吞咽困难，传统饮食难以兼顾营养与安全。3D食品打印技术虽能定制质地柔软的个性化食物，但现有设备打印效率低下——制作36?mm月饼需20分钟，严重制约养老机构应用。更关键的是，植物蛋白基材料如豌豆分离蛋白(PPI)虽具营养优势，但其凝胶性能不足，亟需通过材料创新和设备改良实现突破。

江苏大学研究团队选择草莓-PPI凝胶体系为基底，通过引入三种水胶体：动物源明胶(GL)、微生物发酵获得的黄原胶(XG)和植物性亚麻籽胶(FG)，系统探究其对流变特性、打印性能和吞咽安全性的影响。同时创新性开发四轴机械臂多喷嘴打印机，通过双喷嘴和六喷嘴并行打印实现效率跃升。该成果发表于《Food Research International》，为功能性食品的工业化生产提供双轨解决方案。

关键技术包括：1) 采用质构仪和流变仪定量分析凝胶机械性能；2) 基于国际吞咽障碍饮食标准(IDDSI)进行等级验证；3) 自主设计多喷嘴同步挤出系统；4) 通过低场核磁共振(LF-NMR)检测水分分布状态。

材料优化
研究发现0.9% GL和0.3% FG显著提升凝胶结合水含量，使储能模量(G')提升2.3倍，这归因于胶体分子与PPI形成的三维网络结构。扫描电镜显示添加GL的样品呈现更致密的孔洞结构，直接导致挤出丝表面光滑度提升47%。

设备创新
六喷嘴配置使单件产品打印时间从610?s缩短至58?s，且多喷嘴产品在尺寸一致性上与单喷嘴无统计学差异(p>0.05)。通过运动轨迹优化，机械臂成功实现每分钟150?mm的高速打印而不发生层间错位。

吞咽安全性
所有优化配方均通过IDDSI 4级测试——叉压测试形变<15%，叉齿痕迹保持>5秒，符合"细碎湿润食团"标准。值得注意的是，含FG的样品表现出独特的剪切稀化特性，在口腔剪切力作用下黏度下降62%，更利于吞咽。

该研究首次实现植物蛋白基吞咽障碍食品的高效规模化生产，双喷嘴和六喷嘴设计使理论日产量分别达到288件和864件，较传统单喷嘴提升6-18倍。更重要的是，水胶体的协同作用揭示了一条可推广的技术路径：GL增强机械强度，XG提供pH稳定性，FG赋予代谢调节功能。这种"材料-设备"双轨策略不仅适用于老年食品，也为航天、医疗等特殊场景的膳食供给提供了范式转移。未来研究可进一步探索喷嘴数量与产品精度的平衡关系，以及不同蛋白-多糖组合的协同机制。