《International Journal of Food Properties》：Effect of geometry on curcuminoid retention in 3D-printed turmeric powder-enriched crackers
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本研究评估了以不同几何形状3D打印添加姜黄根茎粉（turmeric rhizome powder）的脆饼，重点关注几何形状如何影响姜黄生物活性化合物的保留以及脆饼在储存期间的外观。研究人员使用干姜黄粉以0、1、2和3%（w/w）的浓度制备脆饼面团，并使用不同几
本研究评估了以不同几何形状3D打印添加姜黄根茎粉（turmeric rhizome powder）的脆饼，重点关注几何形状如何影响姜黄生物活性化合物的保留以及脆饼在储存期间的外观。研究人员使用干姜黄粉以0、1、2和3%（w/w）的浓度制备脆饼面团，并使用不同几何形状（圆柱体、空心圆柱体、三棱柱、立方体和跑道形）对面团进行3D打印。随后分析了样品的流变特性、可打印性、颜色、质构和微观结构。结果显示，含2%姜黄的面团在烘焙和储存后表现出最佳的可打印性和形状稳定性，而对照（0%）和3%姜黄样品在储存后稳定性最低。因此，研究人员选择以2%姜黄配制的脆饼进一步评估姜黄素类化合物（curcuminoids）的稳定性。粘度测量证实所有面团均呈现剪切变稀（shear-thinning）行为。增加姜黄浓度导致脆饼颜色变深，并呈现更多黄色和红色调。打印脆饼的硬度随几何形状和姜黄含量变化。几何形状和储存条件影响姜黄素类化合物的保留，其中空心圆柱体几何形状显示出良好的稳定性，第1天和第30天之间未观察到姜黄素类化合物含量的显著差异。烘焙使姜黄素类化合物含量降低超过40%，而三角形、空心圆柱体和跑道形几何形状在储存30天后表现出最高的保留率（>86%）。本研究证明了3D打印生产富含姜黄素类化合物脆饼的潜力，并强调了几何形状对储存期间生物活性化合物稳定性的影响。
姜黄（Curcuma longa）根茎富含姜黄素类化合物，包括姜黄素、去甲氧基姜黄素（DMC）和双去甲氧基姜黄素（BDMC），具有抗氧化、抗炎等健康功效，常被用作食品配料。然而，姜黄素类化合物对热和氧化敏感，在烘焙及储存过程中易降解，其稳定性受加工方式和产品结构影响。挤出式3D食品打印可制造定制化几何形状的食品，但以往研究较少关注打印几何形状对生物活性化合物稳定性的影响。为此，研究人员开发了添加姜黄粉的3D打印脆饼，系统考察不同几何形状在烘焙和30天储存期间对姜黄素类化合物保留的作用。
研究人员以小麦粉为基料，分别加入0%、1%、2%和3%（w/w）干姜黄粉制备面团，利用挤出式3D打印机打印五种几何形状（圆柱、空心圆柱、三棱柱、立方体、跑道形），经200°C烘焙20分钟后储存30天。通过流变测试、体积保真度分析、色度计、质构仪、扫描电子显微镜（SEM）和高效液相色谱（HPLC）等手段，评估了面团的流变行为、可打印性、颜色、硬度、微观结构以及姜黄素类化合物含量。结果表明，2%姜黄粉面团具有最佳打印性和形状稳定性；几何形状显著影响水分分布、质构和姜黄素类化合物保留率。空心圆柱、三角形和跑道形在储存后显示出较高保留率（>86%）。该研究首次证明打印几何形状可作为调控食品中生物活性物质稳定性的有效参数。
主要技术方法包括：使用模块化紧凑型流变仪测定面团粘度、动态模量及恢复行为；采用挤出式3D食品打印机（Foodini）打印五种几何形状；通过ImageJ软件比较打印体积与数字模型评价可打印性；利用色度计测量L\*、a\*、b\*值并计算总色差ΔE；采用质构仪进行面团质构剖面分析和三点弯曲测试；使用SEM观察冻干样品微观结构；通过超声辅助提取结合HPLC定量姜黄素类化合物。新鲜姜黄根茎采自美国阿肯色州费耶特维尔（Fayetteville, AR, USA）的Milo J. Shult农业研究与推广中心农场。
结果部分：
流变特性：所有面团均表现出剪切变稀行为，有利于3D打印挤出；动态频率扫描显示所有样品储存模量（G′）大于损耗模量（G″），呈类固体特征。含2%和3%姜黄粉的面团G′值较高，恢复测试表明姜黄粉浓度增加可增强面团结构恢复能力，其中3%样品恢复性最好。
3D打印及形状稳定性：五种几何形状均可成功打印，含2%姜黄粉的面团在烘焙和储存后体积保持最佳，而对照组（0%）和3%姜黄粉样品在储存后出现更多开裂和弯曲。几何形状影响烘焙后水分含量，跑道形和三棱柱因表面积与质量比（S/M）较高，水分含量较低，结构较稳定；圆柱和立方体水分含量较高，储存时更易变形。
颜色：随着姜黄粉浓度增加，面团和脆饼的L\*值降低，a\*和b\*值升高，脆饼呈更深的黄红色。所有样品在储存30天后L\*进一步下降，b\*值普遍降低，表明色素降解或非酶褐变持续发生。ΔE值范围为17–32，说明姜黄添加和烘焙引起明显肉眼可辨的颜色变化。
质构：面团硬度、粘附性、内聚性和弹性在不同姜黄粉浓度间无显著差异。烘焙后脆饼的断裂力受几何形状影响，三棱柱在多数浓度下硬度较高，含2%姜黄粉的脆饼断裂力也较高；储存30天后，空心圆柱的硬度变化较小，而圆柱和立方体变化较明显，这可能与初始水分含量和水分迁移有关。
微观结构：SEM观察显示，对照组脆饼截面光滑均匀，气孔细小；添加姜黄粉后，姜黄颗粒呈球形并嵌入面团基质中，且随浓度增加颗粒更密集，3%样品中姜黄分布更均匀。姜黄粉与面团网络相互作用使结构更致密，与质构结果一致。
姜黄素类化合物分析：3D打印过程对姜黄素类化合物含量无显著影响，但烘焙使总姜黄素类化合物、BDMC、DMC和姜黄素分别降低44.6–61.7%、60.0–76.5%、47.7–65.7%和39.8–56.3%。初始烘焙后，圆柱和立方体保留的姜黄素类化合物最多，这可能与其较高水分和较低表面积与体积比（S/V）有关。储存30天后，大多数几何形状的姜黄素类化合物显著下降，但空心圆柱中每种化合物均无显著变化。保留率方面，三棱柱、空心圆柱和跑道形表现最佳，达到86%以上，而圆柱和立方体保留率较低，说明几何形状通过影响水分和暴露面积调控姜黄素类化合物的降解速率。
讨论部分指出，姜黄素类化合物的降解主要受热、氧气和水分影响，几何形状通过改变水分蒸发速率、S/M和S/V值以及结构密度，间接决定了化合物在烘焙和储存过程中的稳定性。空心圆柱、三角形和跑道形由于表面积较大、水分含量低，在烘焙时虽损失较多，但储存时因残留水分少、氧暴露受限制而具有更高保留率。圆柱和立方体则因内部水分较高，促进了储存期间的水解或氧化反应。该研究证实，合理设计3D打印几何形状可提高脆饼中姜黄素类化合物的稳定性，为开发功能性打印食品提供了新思路。
研究结论：3D食品打印为制造具有定制形状和功能特性的营养食品提供了一种新方法。本研究证明了使用3D打印技术生产各种形状的姜黄强化脆饼的可行性，同时评估了几何形状和储存对生物活性化合物保留和脆饼质量的影响。含2%姜黄粉的面团在烘焙和储存后表现出最佳的可打印性、形状稳定性和整体外观。结果表明，增加姜黄浓度会影响面团粘度、颜色、质构和微观结构，较高浓度导致脆饼颜色更深、质地更硬。含2%姜黄的脆饼的几何形状显著影响姜黄素类化合物的保留、水分和结构稳定性。圆柱和立方体在烘焙后立即保留了较高水平的姜黄素；三角形、空心圆柱和跑道形在储存30天后显示出最高的保留率。这些发现突出了3D食品打印的潜力，并支持通过改变几何形状可制造具有定制质地和生物活性化合物保留特性的食品。未来研究可进一步探讨几何形状对其他敏感生物活性化合物保留的影响，以及水活性等因素对打印食品中化合物稳定性的作用，同时应开展感官评价以评估姜黄添加和储存对风味及整体可接受性的影响。
