开发可用于吞咽困难患者的3D打印复合凝胶：改性淀粉的关键作用

《Food Research International》：Construction of 3D printable native-modified corn starch composites gels as dysphagia diet: Crucial role of modified starch

通过挤压技术将10%柠檬酸与玉米淀粉（CS）制备双改性淀粉（MS），并研究不同比例MS与CS复合凝胶的流变特性、微观结构及3D打印性能，发现20%和30% MS的凝胶具有最佳流变性和适口性，其微观结构更致密，水分分布更均匀，且能显著降低峰值黏度。研究证实MS的协同改性效果可提升淀粉基凝胶的打印性能和吞咽安全性。

　　

曾江凯|段玉敏|郑在飞|王鹏|马晓琦|王琳|崔冲|博博|于小帅|肖志刚

渤海大学食品科学与技术学院，中国锦州121013

摘要

通过挤出技术将柠檬酸（10%）与玉米淀粉（CS）混合，制备出双改性玉米淀粉（MS），并调整MS与CS的比例（10%、20%、30%、40%和50%），开发出适用于吞咽困难者的3D打印凝胶。实验结果表明，添加MS后，CS的峰值粘度从3032 cP降至1348 cP，同时降低了CS凝胶的硬度和粘弹性。MS的加入抑制了水分子的流动，但使水分子在凝胶中分布更加均匀。微观结构观察显示，CS-20%MS和CS-30%MS凝胶的微孔网络更为紧密。纯CS和CS-10%MS凝胶的微观结构主要通过氢键稳定，而其他CS-MS凝胶中还存在酯键。此外，MS的添加提高了CS凝胶的相对结晶度和短程有序度，分别从5.63%和1.74%增加到6.56%和2.18%。CS-MS凝胶的3D打印性能优于CS凝胶，IDDSI测试表明20%和30%MS配方更适合吞咽困难者。总体而言，这些发现为设计具有良好打印性能的吞咽困难食品提供了策略，有利于天然和改性玉米淀粉的广泛应用。

引言

由于营养、卫生和医疗条件的改善，人口老龄化已成为全球性问题，导致与年龄相关的疾病（如吞咽困难）发病率上升（Gallego等人，2022年）。吞咽困难是一种严重的临床状况，其特征是吞咽功能受损，可能导致营养不良和吸入性窒息、肺炎等严重并发症（Wang等人，2025年）。因此，开发专门设计的食品以改善吞咽能力具有重要意义，从而降低吞咽困难者的风险。虽然糊状食品对吞咽困难患者更为适宜，但由于外观、质地和口感不佳，通常不受欢迎（Liu、Qiao等人，2023年；Liu、Hu、David、Jin和Chen，2025年）。因此，迫切需要制备具有改善物理化学和感官特性的吞咽困难食品。

3D打印技术是一种创新的增材制造方法，通过逐层沉积可食用墨水来构建特定体积和形状的物体（Liu、Chen等人，2023年）。该技术不仅可以去除不理想的纹理成分（如粗大颗粒和硬质颗粒），还能满足营养和感官要求，从而确保吞咽安全并降低吸入风险（Dick等人，2020年；Qiu等人，2024年）。此外，多项研究表明，由食品生物聚合物制成的可食用墨水可以有效缓解吞咽困难（Chao等人，2022年；Shen等人，2025年；Wang、Fei等人，2024年）。因此，3D食品打印技术在开发吞咽困难食品方面具有巨大潜力。然而，目前3D打印技术在制造基于淀粉的糊状食品方面的应用仍有限（Liu、Hu、David、Jin和Chen，2025年）。

玉米淀粉（CS）是全球使用最广泛的淀粉，因其价格低廉、储量丰富且能形成适合制备可食用墨水的凝胶，因此可作为3D打印的理想材料（Liu、Chen等人，2023年）。然而，天然淀粉凝胶的高粘度、易回凝性和较差的自支撑能力限制了其在3D打印中的广泛应用（Li等人，2022年）。为克服这些缺点，研究人员开发了物理、化学和酶法改性方法来提升玉米淀粉基可食用墨水的性能（Liu等人，2024年）。遗憾的是，单一处理方法无法同时解决天然淀粉的高粘度和明显回凝倾向等关键问题。我们之前的研究发现，挤出技术（一种先进的、环保且便捷的物理改性方法）与柠檬酸（一种安全的化学改性剂）结合使用，可以实现淀粉的双重改性（Zeng等人，2025年）。所得的双改性玉米淀粉（MS）具有更低的粘度、更慢的回凝速率和良好的逐层自组装能力。同时，有研究表明柠檬酸在糊化过程中重新释放到整个淀粉体系中（Chen等人，2025年；Cui、Wang等人，2024年）。部分替代CS为MS以制备复合凝胶可能是改善淀粉基凝胶打印性能和吞咽性能的可行方法。因此，我们假设由CS和MS组成的复合凝胶作为可食用墨水将表现出优于纯CS的性能，这得益于MS的优越特性以及对整个淀粉体系的重构。目前这一假设尚未得到证实，限制了CS在吞咽困难食品中的应用。

本研究系统研究了MS添加对CS-MS凝胶流变性能、水分分布状态、质地特性和结构的影响，并探讨了CS-MS凝胶作为3D打印吞咽困难食品用可食用墨料的潜力及其相关机制。所得数据为双改性淀粉在3D打印食品和易吞咽食品中的应用提供了理论参考。

材料

玉米淀粉（淀粉含量：98.52%）由上海远业生物科技有限公司提供。柠檬酸来自沈阳新华试剂厂。其他所有化学试剂均为中国天津新华制药集团化学试剂有限公司提供的分析级试剂。

样品制备

双改性玉米淀粉（MS）采用双螺杆挤出机（型号UVTE-36，长沙创翔食品科技有限公司）按照样品制备方法和挤出机操作规程制备。

RVA分析

淀粉的糊化曲线和糊化粘度见图2a和表1。与纯CS相比，CS-MS混合物达到峰值粘度（PV）所需时间更长，表明MS的添加延缓了淀粉颗粒的膨胀。纯CS的PV值为3032 cP，而添加MS后PV值呈浓度依赖性下降。一方面，改性淀粉具有更高的疏水性，可能在淀粉颗粒周围形成包覆层

结论

实验结果表明，MS的添加显著改变了淀粉凝胶系统。具体而言，MS的加入显著降低了CS的峰值粘度、表观粘度和凝胶强度。此外，CS-MS凝胶中的水分子流动性低于纯CS凝胶。适量的MS促进了淀粉分子的交联，而过量的MS导致淀粉链发生酸水解，从而形成了不同的微观结构。

CRediT作者贡献声明

曾江凯：撰写——初稿、方法学、实验设计。段玉敏：方法学、数据分析。郑在飞：方法学、数据分析。王鹏：撰写——审稿与编辑、资金筹集。马晓琦：方法学、概念构思。王琳：数据分析。崔冲：数据分析。博博：数据分析。于小帅：撰写——审稿与编辑、监督、资金筹集。肖志刚：验证、项目管理、资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD2100201、2024YFD2100204）、辽宁省国际工业技术研发项目（2025JH2/101900002）、辽宁省应用基础研究计划（2025JH2/101300091）、辽宁省技术合作项目（2025-BSLH-013）、渤海大学高层次人才引进计划（0524084）以及渤海大学前期建设项目（0525xn086）的支持。