面向多样化应用的3D打印软糖与可咀嚼凝胶食品模型：开发与表征

《Food and Bioprocess Technology》：Development and Characterization of 3D-Printable Gummies and Chewable Gels as Food Models for Versatile Applications

为解决特定人群（如吞咽障碍患者）的个性化营养需求和食品定制难题，研究人员开发了基于淀粉、果胶和明胶的无糖3D打印软糖/凝胶配方，评估其流变特性和可打印性，并筛选出适用于普通消费者与吞咽障碍人群的配方。结果表明，玉米淀粉/果胶/明胶配方综合性能最佳；木薯淀粉/果胶配方则具备作为吞咽障碍患者过渡食品的潜力。此项研究为开发功能化、个性化3D打印食品模型提供了配方筛选基础和技术参考。

　　

想象一下，如果糖果不仅能根据你的口味定制形状，还能精确调整其质地和营养成分，甚至为吞咽困难的人群量身打造，那将多么美妙。这正是食品3D打印技术正在努力实现的目标。随着人们对个性化健康食品的需求日益增长，以及为应对过敏、消化问题、咀嚼或吞咽障碍等特定健康状况而调整饮食的需求愈发迫切，3D食品打印技术因其在定制复杂几何结构、精准控制营养和质构方面的巨大潜力而备受关注。然而，挑战依然存在：开发兼具良好流变特性和可打印性的“食品油墨”并非易事，尤其是要找到成本低廉、原料易得且能满足不同人群（如普通消费者、吞咽障碍患者）特定需求的配方。因此，研究人员将目光投向了软糖和可咀嚼凝胶这类兼具美味与视觉吸引力的食品体系，旨在探索其作为3D打印食品模型的可行性。

为了回答这些问题，一篇发表在《Food and Bioprocess Technology》期刊上的研究，开发并系统表征了一系列可用于3D打印的无糖软糖和可咀嚼凝胶配方。研究发现，通过组合马铃薯、木薯或玉米淀粉、果胶以及（可选）明胶，可以成功制备出具有假塑性行为和粘弹性的“食品油墨”。其中，含有玉米淀粉、果胶和明胶的软糖配方打印性能良好，质地适中，最适合普通消费者；而基于木薯淀粉和果胶（不含明胶）的配方，则因其低粘附性和适当的凝聚性，被鉴定为适合吞咽障碍（dysphagia）患者的潜在过渡食品。这项研究不仅为不同用途筛选了合适的胶凝剂配方，还明确了流变特性与可打印性之间的关键关联，为未来开发个性化功能性食品或药物递送系统提供了重要的配方基础和技术参考。

为开展此项研究，作者主要采用了以下几种关键技术方法：首先，基于不同淀粉（玉米、马铃薯、木薯）与果胶的组合（含或不含明胶），制备了多种软糖凝胶配方。其次，通过穿刺测试和流变学分析（包括稳态剪切、振幅/频率扫描以及剪切恢复测试）系统评估了配方的粘附性、穿透功及流变特性。然后，使用生物3D打印机在两种温度下打印特定形状（小熊、星星、立方体），并评估其形状保真度和打印性能。接着，对打印后的样品进行质构剖面分析，获取硬度、凝聚性、弹性、粘附性和胶粘性等关键质地参数。最后，参照国际吞咽障碍饮食标准化倡议（International Dysphagia Diet Standardisation Initiative， IDDSI）的叉压测试标准，评估了样品是否适合作为吞咽障碍患者的等级5（切碎湿润）过渡食品。研究还运用多重对应分析（Multiple Correspondence Analysis, MCA）和点二列相关分析探究了配方组成、流变/质构参数与可打印性之间的关联。

结果与讨论

配方表征：穿刺测试

通过穿刺测试评估各组分对质构的影响。粘附性分析显示，高比例的淀粉和果胶会导致更高的粘附性，而添加明胶有助于降低粘附性。穿透功分析表明，明胶的加入显著增加了凝胶的强度，其贡献大于单独增加淀粉或果胶的浓度。不含明胶且淀粉/果胶含量高的配方，其较高的凝胶强度可能在3D打印初期带来挑战。

流变特性

所有配方均表现出剪切稀化（假塑性）行为，这对于通过狭窄喷嘴进行3D打印至关重要。所有配方的储能模量（G′）均高于损耗模量（G″），表现出弱凝胶的粘弹性行为，有利于打印后保持形状。通过Herschel-Bulkley和Power Law模型拟合，获得了流动行为指数（n），其值在0.28至0.80之间，研究指出n值在0.33至0.78范围内更适合作为“食品油墨”。剪切恢复测试显示，不同配方在不同温度下的粘度恢复能力存在差异。

3D打印性能

所有配方均可打印，但性能各异。在23°C下打印通常能获得更好的形状保真度和重现性。玉米淀粉（含明胶）和木薯淀粉（含或不含明胶）的配方在23°C下表现出良好的打印性能。多重对应分析将样品分为两组：一组（如CG₂₃, CAG₂₃, CA₂₃）具有优良的打印性能；另一组（如CAG₃₇, P₂₃）则表现较差。研究特别指出，尽管木薯淀粉本身形成的凝胶较弱，但与果胶（及明胶）的相互作用显著改善了其可打印性。

3D打印软糖的质构参数

质构剖面分析（Texture Profile Analysis, TPA）显示，不含明胶的软糖硬度较低。对于吞咽障碍患者，较高的凝聚性意味着食品在吞咽过程中不易碎裂，降低窒息风险。本研究中的配方凝聚性值在0.21至0.48之间。弹性值在预期范围内，研究指出明胶含量不宜过高，以免对咀嚼困难者造成不便。所有配方的粘附性均较低，这对于口服剂型（如软糖）和吞咽障碍人群是理想特性。胶粘性（硬度与凝聚性的乘积）值适中，既能满足普通消费者对咀嚼感的需求，又不会对咀嚼能力有限者造成困难。

可打印性、流变学与质构结果的相关性

点二列相关分析表明，流动行为指数（n）与“形状定义良好”呈负相关，n值过高或过低都会影响打印质量。除弹性外，其他所有质构参数（硬度、粘附性、凝聚性、胶粘性）均与“平滑连续挤出”、“平滑连续线条”和“无线条分离”呈显著正相关，与“沉积线条断裂”呈显著负相关。其中，粘附性与可打印性指标的关联最强。

IDDSI叉压测试

研究发现，同一配方的模制样品和3D打印样品质地不同。3D打印的样品（特别是P₃₇和CA_23/37）更容易被叉子压碎和变形，所需的压力不足以使指甲变白，且能保持足够的凝聚性而不回弹。结合TPA结果，CA配方（木薯淀粉+果胶，无明胶）具有较低的硬度（15.29–18.18 N）、低粘附性（5.71–6.68 mJ）和适中的胶粘性（5.89–7.53 N）与凝聚性（0.32–0.48），符合IDDSI框架中等级5（切碎湿润食物）的要求，可被归类为适合吞咽障碍患者的潜在过渡食品。

结论

本研究成功开发并表征了适用于3D打印的无糖软糖配方，为满足多样化的应用需求提供了多功能的食品模型。研究表明，基于玉米淀粉、果胶和明胶的配方具有良好的打印性能和适宜的质地（如低粘附性、适中的胶粘性），是面向普通消费者的理想候选。而基于木薯淀粉和果胶（不含明胶）的配方，则因其质地柔软、粘附性低且凝聚性适当，符合IDDSI等级5标准，展现出作为吞咽障碍患者过渡食品的潜力。这项工作的意义在于，它不仅筛选出适用于不同目的和消费者的胶凝剂配方，还揭示了流变特性（尤其是流动行为指数）与3D打印性能之间的关键联系。这为未来开发集个性化、视觉吸引力与特定营养/医疗功能于一体的3D打印食品，例如用于药物递送或特殊医学用途配方食品，奠定了重要的配方基础和技术依据。未来的研究可以在此基础上，进一步探索这些配方中融入不同颜色、风味和生物活性化合物的可能性，并进行感官与消费者接受度评估。