《International Journal of Biological Macromolecules》：Glyceride-modulated starch-based emulsion gels with enhanced structural precision for texture-controlled 3D printed dysphagia foods
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3D打印技术通过定制营养组成和食物形态，为吞咽困难患者提供解决方案。研究考察了不同浓度（3.3%-16.7% w/w）及酯化度（单油酸甘油酯、二油酸甘油酯、三油酸甘油酯）对淀粉凝胶3D打印性能及功能特性的影响，发现13.3% G2酯化体系可满足IDDSI Level 5标准，同时β-胡萝卜素负载效果良好。
作者：鲍彦茹、李家伟、秦汉浩、袁顺宁、姜浩
西北农林科技大学食品科学与工程学院，中国杨陵712100
摘要
3D打印技术通过定制食品的营养成分和形状，为吞咽困难的患者提供了解决方案。本研究探讨了不同浓度（3.3%、6.7%、10%、13.3%、16.7%（重量百分比）的甘油酯（单油酸酯、二油酸酯和三油酸酯）以及酯化程度对3D打印淀粉凝胶的影响，并根据国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）框架对这些凝胶进行了表征。结果表明，添加乳化剂可以改变结合水、固定水和自由水的比例，乳化剂在凝胶网络中起到填充作用，改善了打印样品的机械性能和结构完整性，且随着乳化剂浓度的增加，打印精度也有所提高，最高达到13.3%。IDDSI测试显示，使用低浓度单油酸酯（G1）和二油酸酯（G2）乳化剂打印的样品未能通过勺子倾斜测试。然而，在13.3%的甘油酯浓度下，打印样品通过了勺子倾斜和叉子掉落测试，并结合叉子压力测试，被归类为5级（切碎且湿润）吞咽困难饮食。此外，含有13.3% G2乳化剂的β-胡萝卜素具有良好的热稳定性，适合输送脂溶性营养素。本研究加深了人们对甘油酯如何调节基于淀粉的凝胶的可打印性和功能性的理解，为开发定制化、营养均衡的3D打印食品以管理吞咽困难提供了新的策略。
引言
随着年龄的增长，牙齿脱落和口腔肌肉力量减弱常常导致吞咽困难，这不仅影响老年人的食物质地感知和营养吸收，还会加速健康状况恶化并增加医疗成本[1]。除了吞咽困难外，老年人还经常出现营养不良，能量、高质量蛋白质和脂溶性维生素的摄入量往往低于推荐水平[2,3]。这些限制突显了开发既适合口感又营养充足的食品的迫切需求。在过去10年中，针对吞咽困难的食物开发已经从简单的质地改良发展为综合策略，包括质地控制、营养保留和个性化设计[4]。2018年之前，大多数研究集中在通过热凝胶化和使用淀粉[5]、明胶[6]和胶体[7]等增稠剂来改善可吞咽性，但营养增强效果有限。2018年后，研究重点转向了结合脂质的蛋白质或多糖凝胶，以增强质地、能量密度和营养平衡[8][9][10]。这些系统旨在解决老年人的营养不良和脂溶性维生素缺乏问题。在此期间，通过酶水解[11]、高压处理[12]、射频[13]和转谷氨酰胺酶介导的凝胶化[14]进一步提高了质地精度。国际吞咽困难饮食标准化倡议（IDDSI）的引入也为评估吞咽安全性提供了标准化标准。
IDDSI框架的主要目标是防止误吸，同时确保充足的营养摄入。其固体食物分类系统（4-7级）规定了明确的质地属性，以补偿受损的口腔处理能力，从而降低不安全吞咽的风险。其中，4级（泥状）和5级（切碎且湿润）对口腔运动的要求最低，因此适合中度至重度吞咽困难的患者。Su等人[15]评估了在临床实践中应用IDDSI框架改善吞咽困难管理的可行性，而Lin等人[16]利用计算机模拟解决了IDDSI测试中的数据跟踪问题。总体而言，这些研究强调了IDDSI在更广泛和更有效的临床应用中的巨大潜力。近年来，基于挤压的3D打印技术作为一种突破性技术出现，能够精确定制食品的几何形状、流变特性和营养分布。这种方法允许淀粉、蛋白质、多糖和脂质的多材料共挤压，生产出外观吸引人、营养均衡且符合IDDSI标准的食品[17]。尽管由于淀粉凝胶具有光滑的口感和强大的凝胶形成能力，被广泛用作实现IDDSI质地的结构基础，但它们在加工和储存过程中存在水分迁移、相分离和热不稳定性等问题，这些问题会损害口感、结构完整性和形状保持[18]。此外，纯淀粉凝胶封装和保护脂溶性营养素的能力有限，常常导致降解或释放不均匀。这一挑战促使了基于淀粉的乳化凝胶的发展，该策略将脂质滴嵌入淀粉网络中形成稳定的复合结构[19]。这样的系统不仅保持了3D打印所需的光滑、有凝聚力的质地，还增强了流变可调性、热稳定性和储存稳定性以及营养封装性能。最近的研究证明了这种方法的可行性，Wen等人[20]报告称，在马铃薯淀粉凝胶中加入菊粉稳定的乳化剂可生产出熔化阻力更高的可打印脂肪替代品，Mu等人[21]发现含有β-胡萝卜素的酪蛋白钠稳定淀粉凝胶具有更好的结构稳定性和打印精度，而Wang等人[22]证明乳清蛋白-淀粉乳化凝胶显著降低了硬度和咀嚼性——这两个关键质地指标对于安全吞咽至关重要。
虽然基于淀粉的乳化凝胶在质地和打印稳定性方面表现出显著优势，但其性能在很大程度上取决于所使用的脂质和乳化剂的类型。最近的研究强调了甘油酯组成在调节基于淀粉的系统的结构和功能特性方面的重要性。例如，Liu等人[23]报告称，结合单甘油的基于淀粉的水凝胶可以生产出适合5级吞咽困难食品的双凝胶，表现出优异的吞咽性和结构完整性，Xu等人[24]发现二甘油酯乳化剂最有效地增强了金线鲈鱼鱼糜的凝胶性能，而Ye等人[25]表明含有二甘油酯的Pickering乳化剂比单甘油酯或三甘油酯系统具有更好的抗氧化稳定性。此外，Liu等人[26]指出，尽管二甘油酯油凝胶的机械强度低于三甘油酯基凝胶，但它们具有独特的微观结构和高触变恢复能力。总体而言，这些发现表明甘油酯的酯化程度在调节乳化凝胶的界面行为、网络形成和营养封装方面起着关键作用。低酯化的甘油酯具有较高的界面活性，可以与乳化剂协同作用形成稳定的界面膜，从而改善乳化液的分散性和稳定性。相比之下，高酯化的甘油酯通过其较长的疏水链增强了凝胶内的疏水相互作用，促进更均匀的滴分布。这些结构变化影响了流变行为、可打印性和营养释放，确保3D打印食品保持柔软、有凝聚力和易于吞咽。然而，仅依赖脂质的内在性质可能不足以防止加热或储存过程中的聚集或相分离，这两者都可能损害凝胶稳定性。基于颗粒的乳化剂（如纳米淀粉）可以通过加强界面膜和改善乳化剂的结构完整性来缓解这一限制。与基于蛋白质的乳化剂相比，它们具有更好的热稳定性和基质相容性，非常适合用于基于挤压的3D食品打印。
在这项研究中，将3D打印技术与基于淀粉的乳化凝胶结合，开发出适合吞咽困难患者的功能性、富含脂质的凝胶系统。构建了含有单油酸酯（G1）、二油酸酯（G2）和三油酸酯（G3）的乳化系统，系统地研究了甘油酯浓度（3.3-16.7%（重量百分比）和酯化程度对凝胶物理化学性质的影响，包括3D打印性能、IDDSI分类和β-胡萝卜素的保留情况。本研究旨在建立稳定的基于淀粉的乳化凝胶，并阐明脂质结构特性如何调节关键的功能属性，如可打印性和营养保留，从而为开发可定制、营养均衡的3D打印食品以管理吞咽困难提供理论基础。未来涉及感官评估和实际食品基质中的应用的研究将进一步促进该材料系统向临床和饮食实践的转化。
材料
小麦淀粉购自佛山市南海绥阳食品原料有限公司。单油酸酯（G1）、二油酸酯（G2）和三油酸酯（G3）购自上海阿拉丁生物技术有限公司。模拟唾液、胃液、肠液和β-胡萝卜素购自上海玉源生物技术有限公司。所有其他化学品均为分析级。
纳米淀粉制备
纳米淀粉颗粒是使用Li等人[27]描述的改良酸水解方法制备的。
乳化液的粒径分布
粒径分布和ζ电位的综合分析提供了对乳化液稳定性的全面了解。不同甘油酯乳化液中滴的粒径分布范围有所不同（图1），G2乳化液的粒径分布最窄且最均匀，而G1和G3系统的粒径分布较宽或呈双峰分布，反映了乳化效果较差。相应地，绝对ζ电位值随甘油酯浓度的增加而增加。
结论
本研究表明，含有甘油酯的纳米淀粉稳定淀粉基乳化凝胶是3D打印适合吞咽困难食品的有前景的材料。增加甘油酯含量提高了凝胶的粘弹性，从而改善了打印稳定性和减少了打印后的膨胀，最大打印精度达到98%。更高的酯化程度通过促进乳化液在凝胶中的更均匀分布进一步提高了打印精度。
CRediT作者贡献声明
鲍彦茹：撰写——初稿、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。李家伟：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据管理。秦汉浩：验证、方法论、数据管理。袁顺宁：验证、正式分析、数据管理。姜浩：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明本文无利益冲突。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号32072350）和陕西省重点产业链项目（2024NC-ZDCYL-04-01、2023-ZDLNY-41和2023KXJ-039）的财政支持。此外，作者感谢西北农林科技大学食品科学与技术学院的刘小丽女士和崔璐女士在LF-NMR和DSC实验中的指导，以及该校生命科学研究核心服务部的黄克朗先生在SEM分析中的帮助。
