个性化营养3D食品打印墨水的可打印性与流变学关系研究

《Current Research in Food Science》：Relationships between printability and rheology of inks for personalized nutrition

本研究针对个性化营养3D食品打印墨水开发中流变学特性与可打印性关系不明确的问题，系统探究了碳水化合物、蛋白质和纤维三类富集墨水的流变学参数（如屈服应力σY、损耗因子tan(δ)、应变稀化指数n2）与打印性能（打印力、打印精度Dev）的关联。研究发现打印力与σY强相关，打印精度与σY、tan(δ)、n2呈中等相关，并构建了适用于多种食品墨水的可打印性窗口（tan(δ)介于0.15-0.5）。该研究为个性化营养食品的精准打印提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

随着人口老龄化和特殊膳食需求人群的扩大，个性化营养已成为食品工业的重要发展方向。3D食品打印技术能够灵活定制食物的营养成分、质地和形状，特别适合为吞咽障碍患者、老年人、运动员等特定人群提供精准营养解决方案。然而，该技术的广泛应用面临一个核心挑战：用于打印的"墨水"必须具有特定的流变学特性，既要能顺利通过打印机喷嘴，又要在沉积后快速固化以支撑后续层叠结构。目前，针对个性化营养配方的食品墨水，其流变学性质与可打印性之间的系统性关系尚不明确，这制约了高效、高精度打印个性化食品的进程。

为了攻克这一难题，来自荷兰瓦赫宁根食品与生物基研究中心（Wageningen Food & Biobased Research）的Ruud van der Sman、Bei Tian、Seyed-Ali Ghoreishy和Martijn Noort团队在《Current Research in Food Science》上发表了他们的最新研究成果。他们开发了三大类共38种不同宏量营养素组成的墨水（18种碳水化合物富集面团、10种蛋白质富集墨水和10种纤维富集墨水），系统研究了其流变学特性与打印性能之间的关联，旨在为开发适用于个性化营养的优质打印墨水提供科学指导。

研究人员主要运用了几项关键技术方法。在墨水制备上，针对不同类别的墨水（碳水化合物富集、蛋白质富集、纤维富集）采用了标准化的混合程序（如使用行星搅拌机、Stephan切割机等）和特定的水合条件。流变学表征则通过应变扫描（振幅扫描）在25°C下使用平行板流变仪进行，并采用描述性模型拟合数据，获取关键流变参数，包括线性粘弹性区的弹性模量G₀、损耗因子tan(δ)、标志线性粘弹性区结束的临界应变γ_cr（进而计算屈服应力σ_Y = G₀γ_cr,1）以及应变稀化指数n₁和n₂。打印性能评估方面，使用定制的挤出式3D打印机，在固定打印参数（喷嘴直径1 mm，打印速度900 mm/min等）下进行打印，并利用内置传感器记录最大打印力。打印精度则通过采集打印物体的顶视图照片，并利用基于Python和OpenCV开发的图像分析流程进行处理，通过矩方法提取几何特征（如内外半径R₁, R₂、质心坐标C_x, C_y），最终计算出一个综合的打印偏差指标Dev，用以量化打印物体与设计图形的差异。

基于流变学的墨水分类

研究人员首先通过应变扫描分析了所有墨水的流变行为，并利用描述性模型提取关键参数。分析发现，临界应变γ_cr,1与γ_cr,2之间，以及应变稀化指数n₁与n₂之间均存在强相关性（r2 > 0.9）。尽管存在这种整体趋势，三类墨水在阿什比（Ashby）图中显示出独特的聚类模式。例如，碳水化合物富集和蛋白质富集墨水的n₂值范围较窄（多在0.3到0.4之间），而纤维富集墨水的n₂值分布更广。这些差异反映了不同宏量营养素组成对墨水微观结构和流变行为的显著影响。

可打印性与流变学的相关性

打印精度的分析表明，打印轨迹加宽（表现为R₂/R₁大于设计值1.34）与质心位移存在中等相关性。蛋白质富集墨水表现出比其他两类墨水更明显的轨迹加宽趋势。进一步回归分析显示，打印精度（Dev）与屈服应力σ_Y、损耗因子tan(δ)以及应变稀化指数n₂均呈现中等程度的相关性。有趣的是，当对每类墨水使用其特征临界应变γ_{cr, char}（面团类：0.003，蛋白质类：0.015，纤维类：0.04）对临界应变γ_cr进行归一化处理后，所有墨水的打印精度（Dev）与归一化临界应变（γ_cr/γ_{cr, char}）呈现出统一的趋势关系，这表明不同类别的墨水可能遵循相似的可打印性规律，但存在类别特异性的基准值。

在挤出打印性方面，研究发现打印力与屈服应力σ_Y之间存在强相关性，这与Herschel-Bulkley流变模型的理论预测一致。蛋白质富集和碳水化合物富集墨水的数据点大致遵循同一条回归线，而纤维富集墨水则遵循另一条线，但各自的相关系数r2均高于0.8。一个特别值得注意的发现是，屈服应力σ_Y与应变稀化指数n₂之间也存在强相关性。研究人员推测，这并非源于材料本身的内在属性关联，而更可能是由3D打印的物理约束所导致：具有较高屈服应力的墨水需要更强的剪切稀化（即更小的n₂值），才能在实际打印机有限的挤出力下被成功挤出。

结果讨论与意义

本研究通过系统分析多种个性化营养食品墨水的流变学特性与打印性能，得出了若干重要结论。首先，打印力与墨水的屈服应力σ_Y密切相关，这为预测和控制打印过程提供了关键参数。其次，打印精度（Dev）与σ_Y、tan(δ)和n₂等多个流变学参数存在中等程度的相关性，表明打印精度受多种流变特性的协同影响。相关性强度处于中等水平，研究人员将其部分归因于复杂食品配方在混合和水合过程中可能引入的不均匀性，这提示优化制备工艺对未来提升打印一致性至关重要。

尤为重要的是，本研究观察到的tan(δ)与n₂之间的相关性，与一些将粘弹性与流动行为联系起来的前期研究相呼应。例如，对于临界凝胶（critical gel）材料，tan(δ)与频率扫描获得的幂律指数m存在解析关系（tan(δ) = tan(mπ/2)）。结合Cox-Merz或Rutgers-Delaware规则，这暗示了振荡剪切与稳态剪切行为之间可能存在的联系。

基于打印精度结果（Dev < 0.1），研究人员确定了本研究墨水的可打印性窗口为tan(δ)介于0.15到0.5之间。将此窗口与大量关于食品墨水和生物墨水的文献数据进行比较后发现，本研究确定的范围与文献中报告的可打印性tan(δ)值分布的中位数高度吻合，验证了本研究结果的普适性。当tan(δ)过低（<0.05）时，材料过于弹性，应力松弛慢，不利于沉积时的表面光滑度和界面粘附；而当tan(δ)过高时，材料过于液态，易发生流动或蠕变，导致打印保真度下降。因此，适中的粘弹性对于实现良好的层间粘附和高打印精度至关重要。

该研究成功地将流变学表征与实际的3D打印性能评估相结合，为设计和优化用于个性化营养的食品墨水提供了实用的指导原则和关键的参数范围。研究指出，未来工作应重点关注复杂食品配方的混合与水合工艺优化，以进一步提高墨水的均匀性和打印一致性。同时，也需要深入探究流变学参数之间表现出的相关性，究竟是源于材料本质，还是由可打印性约束所间接导致。这项研究是朝着实现真正个性化营养食品的精准、高效3D打印迈出的重要一步。