《International Journal of Biological Macromolecules》：Development of 3D printed pea protein isolate-based composite spinach as dysphagia diets
编辑推荐：
•
通过3D打印技术，使用菠菜粉和豌豆蛋白 isolate (PPI) 制备了适合吞咽困难患者的饮食。
•
菠菜粉 (SP) 显著提高了 PPI 的可打印性和可吞咽性。
•
含有 25.0% 和 37.5% (重量百分比) 菠菜粉的墨水最适合打印和吞咽。
- •
通过3D打印技术，使用菠菜粉和豌豆蛋白 isolate (PPI) 制备了适合吞咽困难患者的饮食。
- •
菠菜粉 (SP) 显著提高了 PPI 的可打印性和可吞咽性。
- •
含有 25.0% 和 37.5% (重量百分比) 菠菜粉的墨水最适合打印和吞咽。
- •
含有 25.0% 和 37.5% (重量百分比) 菠菜粉的产品的感官品质更易被接受。
- •
成功实现了复杂模型的高精度打印。
引言
人类的生存和发展与食物获取和消费密不可分。然而，全球约有8%的人口受到吞咽困难的影响，这种状况严重影响了固体或液体食物的安全高效摄入[1]。据预测，到2050年，全球65岁及以上的人口将超过15亿[2]。衰老过程中生理机能的衰退，包括牙齿脱落、唾液分泌减少以及口咽部肌肉无力，都显著影响了老年人的咀嚼和吞咽功能。改良质地的水果和食物侧重于针对吞咽困难患者定制物理特性的调整，以促进安全的咀嚼和吞咽，并提高营养摄入量。尽管这种做法具有临床价值，但过度调整质地可能会产生负面影响，如过度煮沸、稀释、打成泥状等。这样的食物加工不仅会降低感官风味，还会导致蛋白质降解和矿物质流失，从而降低营养密度[3]。由于这些营养不足，老年人常出现非自愿的体重下降、肌肉减少（肌少症）和骨质疏松症，从而增加死亡风险[4]。因此，迫切需要开发质地改良、口感好、营养丰富且安全易吞咽的食物。
最近的研究表明，老年人的饮食中通常缺乏蛋白质和微量营养素（如维生素、锌、铁和钙）[5]。植物蛋白因其广泛的可用性、经济性和营养价值而受到认可，能够减少能源浪费和污染排放，从而提供更加环保、可持续和符合道德标准的食品供应。豌豆蛋白 isolate (PPI) 因其氨基酸平衡、低过敏风险和高效的生物利用性而成为理想的蛋白质替代品[6]。然而，由于其含硫氨基酸较少，其凝胶化能力较弱，与大豆蛋白相比，在质地和流动特性上存在显著差异[7]，单独使用豌豆蛋白 isolate 无法达到理想的粘弹性和吞咽性能。通常需要与其他成分（尤其是多糖）结合使用以提升其功能性。目前的应用主要集中在卡拉胶[8]、亚麻籽胶[9]、果胶[10][11]、瓜尔胶[13][14]、可溶性豌豆多糖[15]、大豆皮多糖[16]、黄原胶[6][17]等方面。以往的研究主要关注豌豆蛋白 isolate 的凝胶化和乳化性能的提升，但忽视了诸如添加水溶性胶质导致的营养稀释、最终食品的营养价值降低以及多糖利用所带来的高昂生产成本等问题[18][19][20]。
菠菜富含植物化学物质、膳食纤维和微量营养素（如叶绿素、多酚、维生素和铁），能够有效提升食品的营养价值[18][19]。研究表明，菠菜可以降低慢性疾病的发病率，并减少与心血管疾病、癌症和其他病理状况相关的发病率，为老年人带来显著的健康益处[20]。此外，由于高含量的多糖，菠菜在调节食品材料流变特性方面具有潜力。具体来说，现有研究表明，菠菜凝胶在所有测试的蔬菜和水果凝胶中具有最高的储存模量 (G′) 值和出色的保水能力[21]。Chung 等人还成功将菠菜融入硬质小麦semolina中，改善了其流变特性并补充了必需的营养素[22]。菠菜多糖可以通过物理填充增强凝胶网络，蛋白质分子与菠菜多糖的相互作用可以形成稳定的连续相结构，类似于大豆蛋白-果胶复合体系[23]。
3D打印技术能够自由设计新的、吸引人的结构和质地，定制营养成分配方，并简化操作流程，因此被认为是生产改良质地和安全吞咽食品的有效方法[21]。国际吞咽困难饮食标准化倡议 (IDDSI) 提供了一个从稀液体到普通食物的标准化分类系统（0-7级）[24]。目前的研究主要集中在宏量营养素（如蛋白质[25][26]、淀粉[27][28][29] 和脂肪[30][31]）上，而忽视了吞咽困难老年人存在的隐性饥饿风险。例如，贫血[32]、骨质疏松症[33] 和低钾血症[34] 在这一人群中较为常见，这些症状往往由铁、钙和钾的缺乏引起。同时实现吞咽安全、保持感官享受、用餐时的尊严以及均衡营养仍然充满挑战。蔬菜富含天然色素和微量营养素，是刺激老年人食欲、满足其感官偏好和营养需求的理想食物来源。在蔬菜基3D打印产品中，已经开发出了胡萝卜[35]、卷心菜[35] 和黑木耳[36] 等质地改良的凝胶，以制作颜色丰富、外观多样且营养均衡的吞咽困难饮食。然而，蛋白质凝胶与菠菜粉成分之间的相互作用对豌豆蛋白 isolate 的3D打印性能及其作为吞咽困难饮食适用性的影响尚未得到研究。本研究旨在评估添加菠菜粉对豌豆蛋白 isolate 凝胶的可打印性、质地和流变特性的影响，以验证其作为3D打印墨水天然添加剂的潜力。
本研究旨在探讨利用菠菜粉调节 PPI 凝胶流变特性的可行性，以制备适合吞咽困难患者的改良质地3D打印食品。基于流变特性进行了3D打印测试。为了评估不同墨水的适用性，进行了低场核磁共振 (NMR) 分析、傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱分析和扫描电子显微镜 (SEM) 检测。IDDSI 测试用于确定3D打印样品的咀嚼和吞咽情况，通过颜色、味道和感官评估来评价其感官品质和接受度。
章节片段
实验材料
豌豆蛋白 isolate（食品级；蛋白质含量80%，CAS：222400–29-5）从上海源业生物技术有限公司（中国上海）购买。菠菜粉 (SP) 含糖62.6%、蛋白质23.5%、粗脂肪1.7%，由西安天本生物技术食品有限公司（中国西安）提供。
复合凝胶的制备
为了确定最佳配方，将 PPI 与不同浓度的菠菜粉（0.0%、12.5%、25.0%、37.5% 和 50.0%（重量百分比）进行组合，分别标记为对照组、12.5% SP、25.0% SP、37.5% SP、50.0% SP。
流变特性分析
可食用材料的可打印性和口腔处理动力学本质上是与其流变特性相关的[42]。研究表明，这一特性决定了墨水的挤出行为和自支撑能力，在制定吞咽困难患者专用饮食时起着关键作用[43]。
能够启动流体流动的临界力正式定义为屈服应力。具体来说，具有较低屈服应力阈值的墨水可以在较低流动条件下成功挤出。
结论
在本研究中，添加了不同比例（0.0%、12.5%、25.0%、37.5% 和 50.0%（重量百分比）的菠菜粉 (SP) 以调节 PPI 凝胶的性能，并作为营养补充剂制备复合 SP-PPI 凝胶。结果显示，SP-PPI 凝胶的可打印性得到了显著提升，符合3D打印墨水的要求。对照组和 12.5% SP-PPI 配方的内聚力分别为 0.654 和 0.688，结构支撑不足，凝胶强度较弱。
作者贡献声明
徐梅：撰写初稿、方法学设计、数据整理。肖坤鹏：正式分析、数据整理。张宇洁：数据整理。宋世宇：正式分析。韩璐：正式分析。涂康：项目监督、资源协调、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的研究工作。
致谢
本研究得到了江苏省高等教育机构优先学术发展计划 (PAPD) 的资助。
徐梅 | 肖坤鹏 | 张宇洁 | 宋世宇 | 韩璐 | 满康
