木薯淀粉增强油菜籽蛋白凝胶的3D打印适性与吞咽性：面向吞咽障碍食品的应用研究

《Frontiers in Nutrition》：Cassava starch enhances the printability and swallowability of rapeseed protein gels for 3D-printed dysphagia foods

　　

植物基蛋白因其优异的营养特性，在易吞咽食品和三维打印（three-dimensional printing, 3DP）材料的开发中受到越来越多的关注。然而，油菜籽蛋白（rapeseed protein, RP）中蛋白质分子链的无序排列导致其在3DP过程中结构稳定性不足和自支撑能力差，从而产生塌陷行为。为解决这一局限，研究人员在不同木薯淀粉（cassava starch, CS）:RP比例下将CS掺入RP凝胶中，以改善其可打印性和吞咽特性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线衍射（XRD）分析表明，添加1%–5%的CS促进了与RP的氢键相互作用，从而增强了凝胶网络结构并提高了储能模量（storage modulus）。质构分析显示，所得凝胶具有适宜的黏聚性和硬度（28.67–36.33 g），表明其具有良好的吞咽特性。此外，CS的掺入显著改善了RP凝胶的粘度、打印保真度和自支撑强度，有效消除了打印过程中的塌陷现象。在所有配方中，2%-CS组表现出最佳的打印性能，实现了最高的储能模量、最低的蠕变应变（3.06%）和97.37%的打印精度。此外，该配方符合国际吞咽障碍饮食标准化倡议（International Dysphagia Diet Standardisation Initiative, IDDSI）对第4级食品的要求。低场核磁共振（LF-NMR）分析进一步表明，增强的性能源于RP与CS之间通过交联相互作用形成的水分保持网络。总体而言，低浓度CS有效改善了RP凝胶的可打印性和吞咽性，为开发3D打印的吞咽障碍友好食品提供了科学依据。

研究背景与存在问题：随着全球人口老龄化加速，吞咽困难已成为重大公共卫生问题，在特定人群中患病率高达60%，且随年龄增长显著上升。传统质地改良食品常因口感平淡、感官吸引力低而降低患者依从性与食欲，因此构建兼顾吞咽安全、营养密度和感官吸引力的食品系统成为食品科学的研究焦点。三维打印（three-dimensional printing, 3DP）作为逐层沉积的增材制造技术，可通过精确定制几何形状和内部结构提升糊状食品的视觉与感官吸引力，同时通过配方优化调控流变特性和营养组成。植物蛋白因其营养特性成为打印墨水开发的重点，油菜籽蛋白（rapeseed protein, RP）由napin和cruciferin组成，氨基酸组成平衡，但在中性pH下溶解性差、界面吸附有限，导致凝胶化弱、机械强度不足，打印后易发生结构塌陷。现有改性方法如酸乳化原纤化、蛋白-多酚复合等耗时且操作复杂。多糖掺入蛋白体系是调节混合凝胶理化性质的有效策略，但高强度多糖凝胶不适用于易吞咽食品。木薯淀粉（cassava starch, CS）廉价、味淡，凝胶质地较软、易在口腔中崩解，且添加蛋白可改善其挤出流动性，适合用于3DP。目前RP与CS结合应用于3DP及易吞咽食品的研究尚属空白。

研究内容与结论：研究人员在固定总固形物含量15% w/w的条件下，制备了不同CS:RP比例（0%、1%、2%、5%、7%、9%、15% w/w CS）的凝胶，系统考察了CS含量对RP凝胶可打印性和吞咽性的影响。结果表明，1%–5%的CS通过促进与RP的氢键相互作用增强凝胶网络结构和储能模量；2%-CS组打印性能最优，储能模量最高、蠕变应变最低（3.06%）、打印精度达97.37%，且放置30分钟后仍保持93.64%的成型精度，并能成功打印复杂模型。该配方符合国际吞咽障碍饮食标准化倡议（International Dysphagia Diet Standardisation Initiative, IDDSI）第4级食品要求。低浓度CS有效改善了RP凝胶的可打印性和吞咽性，为吞咽障碍友好食品的开发提供了理论依据。

主要技术方法：木薯淀粉（分子量1.98×10⁷ g/mol，纯度≥99%）购自上海源叶科技有限公司，油菜籽蛋白分离物（干基蛋白含量90%）由山西宝和生物科技有限公司提供。研究采用流变测试（剪切速率扫描、频率扫描、蠕变恢复）、质构分析（TPA）、低场核磁共振（low-field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR）、X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）、扫描电镜（scanning electron microscope, SEM）及IDDSI测试，并通过3D打印实验评估打印精度与成型稳定性。

研究结果：
3.1 可打印性：纯RP凝胶（0%-CS）打印后边缘高度仅为5.00 mm，明显低于模型高度8.00 mm，发生塌陷；添加CS后所有复合凝胶均能保持形状，其中2%-CS打印精度最高（97.37%），放置30分钟后仍达93.64%，且成功打印小乌龟和花瓣等复杂模型。随着CS浓度增加，7%-CS和9%-CS表面粗糙、边缘不整，9%-CS因粘度过高堵塞喷嘴；15%-CS打印精度最低（79.11%）。所有样品因CS高支链淀粉含量（76%–85%）而未出现断线现象。
3.2 流变性质：剪切速率扫描显示所有凝胶n值小于1，呈现剪切变稀行为，n值范围为0.16–0.43，符合吞咽障碍食品的感官要求。0%-CS粘度显著低于含CS凝胶；随CS浓度升高，稠度系数K值从21.96 Pa·sⁿ升至653.15 Pa·sⁿ。2%-CS的K值为120.11 Pa·sⁿ，与文献报道的最佳打印精度K值接近。频率扫描显示所有凝胶储能模量G′大于损耗模量G″，呈固态特性；2%-CS的G′约800 Pa，显著高于0%-CS，且低于文献中WPI-黄原胶体系（1830 Pa），表明其质地较软。损耗因子tan δ除9%-CS和15%-CS外均小于0.268，满足自支撑要求。蠕变测试中2%-CS最终应变最低（3.06%），恢复率82.60%，表明其抗变形能力最强。
3.3 质构特性：2%-CS黏聚性最高（1.06 mJ），与文献报道的3%大豆蛋白-白蘑菇粉凝胶黏聚性（1.27 mJ）相当；所有样品硬度低于85 g，低于吞咽障碍饮食安全标准中土豆泥的89.21 g；2%-CS咀嚼性为0.36 mJ，低于大豆酸奶的1.80 mJ，表明口腔易分解；所有样品黏附性处于Level 1（<4 mJ），吞咽后咽部残留风险最低。
3.4 水分分布：LF-NMR显示所有凝胶在T₂₂处出现显著峰，峰面积占比超过90%，半结合水为主导。0%-CS弛豫时间最短（81.12 ms），1%-CS和2%-CS弛豫时间升至84.01 ms和92.08 ms，但网络结构因RP与CS分子间相互作用而更致密；随CS浓度增至15%，所有结合水转化为自由水，表明过量CS削弱凝胶网络的持水能力。
3.5 分子间相互作用：FT-IR光谱显示CS-RP复合凝胶未出现新吸收峰，表明无新共价键形成。O–H伸缩振动峰（约3348 cm^-1）随CS浓度增加向高波数移动，表明氢键网络发生重组，氢键是维持复合凝胶网络的主要非共价作用力。
3.6 晶体结构：XRD图谱仅在6°和18°附近出现窄峰，无尖锐衍射峰，表明CS-RP复合凝胶以无定形态为主，淀粉糊化后由A型结构转变为完全无定形态，有序结构占比极低。
3.7 微观结构特征：SEM显示0%-CS孔径分布粗且不规则；CS浓度从1%升至5%时，网络结构逐渐致密、孔径缩小，5%-CS结构最致密；7%和9%出现明显层状结构，弱化分子间相互作用；15%-CS呈致密蜂窝状网络结构。
3.8 吞咽性评估：IDDSI叉压试验显示所有样品均无指甲变白现象；0%-CS和1%-CS样品叉痕模糊，勺倾试验中黏附性强、残留多，不适合吞咽障碍患者；2%–9% CS样品从勺子脱落干净、残留极少，满足IDDSI Level 4食品质构要求；15%-CS流动性最大，黏附值最低（0.09 mJ）。
3.9 CS含量对RP微观结构和质构的影响：综合机制分析显示，适量CS（1%–2%）通过氢键促进非共价交联，降低水分子流动性，提高G′和恢复率，同时增加支链淀粉含量降低粘度，有利于打印；过量CS导致过度交联，形成过密粘稠网络，损害打印性能和质构特性。

讨论与结论：2%-CS复合凝胶在保证高打印精度的同时实现了高凝胶强度和吞咽安全性，适合养老机构中快速制备个性化吞咽障碍膳食。研究人员指出，未来将进一步考察CS-RP混合凝胶在吞咽困难患者中的感官可接受性并予以优化。研究最终结论为：CS浓度低于5%可作为高效多糖组分协同改善RP的质构、吞咽和打印性能，为CS-RP复合体系在3D食品打印墨水中的应用奠定理论基础，并推动3D打印易吞咽特殊膳食的工业化发展。