微波–Ca2+ 调控的 3D 打印玉米淀粉–明胶乳液填充凝胶：对可打印性、吞咽困难饮食及 β-胡萝卜素生物可及性的多功能效应

《Food Chemistry》：Microwave–Ca2+ regulation of 3D-printed corn starch–gelatin emulsion-filled gels: Multifunctional effects on printability, dysphagia diets, and β-carotene bioaccessibility

　　

摘要

本研究评估了微波 (MW) 加热结合氯化钙 (CaCl₂) 在定制 3D 打印乳液填充凝胶 (EFGs) 方面的作用，以改善可打印性、与吞咽相关的质地适用性以及β-胡萝卜素的递送。MW–Ca²⁺联合处理与模量、表观粘度、蠕变恢复和凝胶结构的变化有关。这些变化与脱水收缩、离子交联、疏水相互作用和短程有序化的贡献一致。MW-1% 样品的打印保真度达到 89.35%，所有样品均符合相关的 IDDSI 5 级和 6 级质地标准。在体外消化过程中，填充几何形状之间的差异与β-胡萝卜素的递送有关，三角形和矩形图案的表现优于蜂窝状。三角形填充的 MW-1% 凝胶显示出 17.7% 和 38.0% 的表观胃和肠道释放率，以及 64.1% 的最高β-胡萝卜素生物可及性。总之，本研究为制造个性化 3D 打印功能食品提供了设计策略和理论基础，展示了结合材料设计和 3D 打印调节如何在可打印性、吞咽安全性和递送效率方面实现多重改进。

引言

3D 打印是一项用于数字化和精准饮食干预的革命性技术，能够通过层层沉积食品墨水来定制个性化产品 (Q. Chen et al., 2026)。它在构建复杂几何形状、设计内部结构、定制营养成分和开发功能食品方面显示出巨大潜力 (Niu, Zhang, Bhandari, & Li, 2026)。优秀的可打印性是提高制造效率和实现打印产品功能表达的前提。

吞咽困难是一种症状，定义为难以将食团安全地从口腔移动到胃部 (Clavé & Shaker, 2015)。传统的吞咽困难饮食通常依靠增稠、软化或打浆来改变质地。虽然这些方法可以促进食团处理，但它们可能提供的视觉吸引力有限，对产品几何形状和营养递送的控制也不足 (Niu, Zhang, Bhandari, et al., 2026)。目前，研究已证实 3D 打印结合食用墨水改善的质地改性效果是定制吞咽困难饮食的可行方法，包括具有特殊形状的 3D 打印亚麻籽蛋白 - 葫芦巴胶基吞咽困难饮食 (Niu, Zhang, Mujumdar, & Li, 2023)，以及变色鱼糜基 4D 打印吞咽困难餐 (Zhu et al., 2024)。因此，针对吞咽困难个体的 3D 打印食品不仅应提供合适的可打印性和质地，还应提供有效的营养递送。尽管各种负载营养物的乳液和水凝胶系统在开发营养强化吞咽困难食品方面显示出潜力，但以往的研究通常分别考察材料配方和打印架构。因此，MW/Ca²⁺介导的网络调节如何与 3D 打印几何形状相互作用，共同影响可打印性、质地特性以及消化过程中的营养释放和生物可及性，目前尚不够清楚。

β-胡萝卜素是一种营养重要的脂溶性维生素 A 原类胡萝卜素，是营养强化食品中一种有前景的功能性成分 (Qin et al., 2025)。然而，其较差的水溶性和有限的化学稳定性限制了其融入食品基质并降低了其生物可及性 (Kong et al., 2026; Qin et al., 2025)。因此，其在 3D 打印吞咽困难食品中的应用需要对营养递送和与吞咽困难饮食设计相关的质地特性进行协调调节。各种封装方法，如乳液系统、微胶囊和水凝胶，已被证明对于提高β-胡萝卜素的水溶性、消化稳定性和生物可及性至关重要 (L. Feng et al., 2024; L. Feng et al., 2022)。尽管如此，单一保护策略通常存在缺点，如胃消化期间物理稳定性差和肠道消化期间过度聚集 (Kong et al., 2026)。此外，这些食品形式并不易于作为吞咽困难饮食。乳液填充凝胶 (EFGs) 是指涉及凝胶剂和乳化油滴的多组分系统。凝胶剂通常由蛋白质 - 多糖复合系统组成，乳液以脂肪颗粒的形式填充到凝胶剂的空间网络中并负载脂溶性营养物 (Wu et al., 2025)。例如，(Zheng, Li, Wang, & Wang, 2024) 将负载白藜芦醇和β-胡萝卜素的高内相乳液填充到大米淀粉凝胶中，EFGs 表现出优异的凝胶特性和保护效果。然而，其应用仍受到挤出性能与沉积后自支撑之间的权衡、挤出后结构恢复不足以及消化过程中营养释放和生物可及性调节不确定性的限制。此外，材料配方和打印几何形状通常被分别研究或优化，导致它们对打印保真度、与吞咽困难饮食设计相关的质地特性以及营养递送的联合影响尚不够清楚。解决这些局限性对于个性化 3D 打印功能食品的合理设计至关重要。

由于体积加热特性和高穿透性，微波 (MW) 是诱导食用凝胶的理想热源。(Niu, Zhang, Bhandari, et al., 2026) 指出，这种高效的预处理方法是推进自主 3D 打印系统的重要组成部分。钙盐已被证明具有调节淀粉凝胶老化和淀粉 - 蛋白交联的能力 (C. Fan, Chen, & He, 2020)。以往的研究已证实微波辅助钙盐处理可以提高大豆蛋白 - 草莓凝胶的可打印性 (H. Fan, Zhang, et al., 2020)。与常压蒸煮相比，这种预处理方法大大缩短了异质混合物的加热时间，并极大地提高了系统的均匀性。因此，MW - Ca²⁺联合处理是制备 EFGs 的潜在策略。然而，MW - Ca²⁺联合处理在共同改善 EFGs 的可打印性、吞咽特性和递送效率方面的机制和应用尚未得到充分探索。

本研究假设经过 MW - Ca²⁺联合处理的玉米淀粉 - 明胶复合基质可以有效包裹β-胡萝卜素乳液，并调节 EFGs 的凝胶特性，以平衡可打印性、吞咽特性和递送特性的要求。研究了 EFGs 的流变特性、水分分布、官能团、结晶变化、分子间作用力、持油能力以及热和紫外辐射稳定性，并分析了影响 EFGs 凝胶特性的可能机制。同时，评估了 3D 打印系统的可打印性、吞咽适用性和质地改性，以及β-胡萝卜素的体外消化行为和生物可及性及其造成这些差异的潜在机制。本研究旨在促进对 EFG 设计的理解，并为定制同时优化可打印性、设计吞咽困难饮食和促进脂溶性营养物递送的个性化 3D 打印多功能食品提供理论和实践参考。

章节片段

材料

玉米淀粉、单宁酸 (TA) 和β-胡萝卜素购自上海麦克林生化科技有限公司 (中国上海)。大豆分离蛋白 (SPI) 和明胶由上海源叶生物科技有限公司提供 (中国上海)。玉米油购自长寿花食品股份有限公司 (中国山东)。无水氯化钙、溴化钾、无水乙醇、正己烷、尿素、氯化钠和十二烷基硫酸钠 (SDS) 购自国药集团化学

流变行为

流变测量提供了与基于挤出的打印相关的补充信息 (Niu, Zhang, Tang, et al., 2023)，因为它们可以有效模拟挤出打印过程。为了评估常压蒸煮、微波加热和 MW - Ca²⁺联合处理对 EFGs 可打印性和功能特性的影响，通过模量行为、表观粘度、剪切变稀行为和蠕变 - 恢复能力分析了 EFGs 的粘弹性、剪切变稀行为和蠕变 - 恢复能力。

结论

本研究系统分析了 MW - Ca²⁺联合处理对 EFGs 凝胶特性的影响及其潜在机制，并评估了其在同时改善可打印性、定制吞咽困难饮食和开发β-胡萝卜素递送系统方面的可行性。结果表明，与常规水浴蒸煮相比，MW 处理显著改善了 EFGs 的凝胶网络，更适合 3D 打印功能墨水的高效开发。该

CRediT 作者贡献声明

Dongle Niu: 写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据整理。Min Zhang: 写作 – 审查与编辑，监督，资源，方法论，调查。Bhesh Bhandari: 写作 – 审查与编辑，方法论，调查。Zhimei Guo: 写作 – 审查与编辑，资源，调查。

未引用参考文献

Chen et al., 2026

Chen et al., 2026

Duivestein, 2019

Wang et al., 2025

Wang et al., 2025

Zheng, Li, Wang and Wang, 2024

竞争性利益声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢

国家自然科学基金重点项目 (中国国家自然科学基金重点项目)(No. W2511020)、国家重点研发计划 (合同号 2022YFF1101300) 和中央高校基本科研业务费 (JUSRP202416005) 的财政支持使我们能够进行本研究。

Dongle Niu|Min Zhang|Bhesh Bhandari|Zhimei Guo