“紐邁杯”江南大學優(yōu)秀案例解析|油水雙凝膠界面調(diào)控及吞咽困難膳食3D打印精準設(shè)計

近日，“紐邁杯”江南大學案例大賽圓滿落幕，涌現(xiàn)出一批將前沿科技應(yīng)用于食品科學的創(chuàng)新研究成果。其中，《油水雙凝膠界面調(diào)控及吞咽困難膳食 3D 打印精準設(shè)計》案例憑借低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)與 3D 打印技術(shù)的跨學科融合，為老年吞咽障礙人群的膳食難題提供了突破性解決方案。本期，我們聚焦該案例，看低場核磁（LF-NMR）如何助力科研團隊攻克老年吞咽障礙食品個性化定制的重大挑戰(zhàn)。

研究背景

2024年初，國務(wù)院《關(guān)于發(fā)展銀發(fā)經(jīng)濟增進老年人福祉的意見》首次以國家文件形式明確鼓勵研發(fā)適合老年人咀嚼吞咽和營養(yǎng)需求的食品。這一政策導向直面全球加速老齡化（特別是我國65歲以上人口已超2.17億）所帶來的嚴峻挑戰(zhàn)——吞咽障礙。吞咽障礙不僅嚴重威脅老年人健康，導致營養(yǎng)不良、吸入性肺炎等風險，也顯著降低其生活獨立性。傳統(tǒng)吞咽障礙食品普遍存在質(zhì)地單一、感官體驗差、難以個性化定制及營養(yǎng)均衡性不足等核心痛點。

3D打印技術(shù)憑借其精準營養(yǎng)定制和個性化膳食設(shè)計的獨特優(yōu)勢，為破解上述難題提供了新路徑。然而，該技術(shù)應(yīng)用于吞咽食品開發(fā)的核心瓶頸在于如何設(shè)計兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與營養(yǎng)功能的打印材料。

本研究創(chuàng)新性地提出以油水雙凝膠作為理想的3D打印基材。雙凝膠巧妙地融合了水凝膠與油凝膠的優(yōu)勢，具備共輸送親水和疏水營養(yǎng)成分、熱力學穩(wěn)定性好、控釋潛力佳等特性，為構(gòu)建安全、營養(yǎng)且個性化的吞咽困難膳食奠定了堅實的材料基礎(chǔ)。

為精準調(diào)控雙凝膠性能（特別是油/水界面的水分狀態(tài)與分布），研究引入了低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)。該技術(shù)憑借其高效線、無損、檢測靈敏的核心優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于食品科學研究，成為深入解析凝膠內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與水分動力學行為的強大工具。

研究思路

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計對比： 系統(tǒng)比較雙連續(xù)型雙凝膠與單相包裹型雙凝膠（水包油OG-in-HG或油包水HG-in-OG）在結(jié)構(gòu)性能上的差異。

2、水分/油分狀態(tài)解析：利用低場核磁共振（LF-NMR）技術(shù)（紐邁分析核磁共振成像分析儀MesoMR23-060V-I）測量凝膠的橫向弛豫時間T2分布。解析半結(jié)合水和自由水的狀態(tài)及比例變化。

3、性能關(guān)聯(lián)： 將低場核磁共振（LF-NMR）獲得的水分狀態(tài)、油水分布數(shù)據(jù)，與流變學測試結(jié)果以及吞咽障礙國際標準IDDSI（通過傾斜試驗、叉壓測試驗證）進行關(guān)聯(lián)。

4、建立模型： 最終構(gòu)建“雙凝膠結(jié)構(gòu)-油水分布-流變特性-3D打印性能”的多維度關(guān)聯(lián)模型，指導材料設(shè)計。

研究結(jié)果

不同油凝膠-水凝膠比例對雙凝膠的水分狀態(tài)和水分分布的影響：

1、雙凝膠樣品包括半結(jié)合水和自由水，油凝膠和水凝膠比例的變化會影響水的流動性和雙凝膠中水類型的分布；

2、T2分布曲線隨凝膠/水凝膠比例的減少而向X軸正方向移動，表明水的流動性增加；

3、油凝膠含量增加使T23從1011.64ms減少到410.27ms，使T23的面積從94.93%降低到36.67%。同時，T22的弛豫時間從191.16ms減少到77.53ms,T22的面積比從4.89%增加到63.33%；

4、雙連續(xù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的凝膠系統(tǒng)，半結(jié)合水與自由水之間的水分分布均勻（56.94:43.06）。

不同油凝膠-水凝膠比例對雙凝膠3D打印特性的影響：

1、雙連續(xù)結(jié)構(gòu)雙凝膠顯示出最好的打印性能，既適用于小面積單層結(jié)構(gòu)模型（如椎體），也適用于三維堆疊模型（如空心立方體）。雙連續(xù)結(jié)構(gòu)雙凝膠樣品的高度和長度與目標形狀非常吻合，無顯著差異，變形率小于1%。

2、相比之下，OG-in-HG樣品油墨在3D打印過程中出現(xiàn)了破損和擴散，導致3D打印產(chǎn)品的外觀與設(shè)計模型出現(xiàn)偏差（2-8樣品變形率超過7%）。

研究結(jié)論

1、雙連續(xù)結(jié)構(gòu)通過協(xié)調(diào)半結(jié)合水與自由水的比例，實現(xiàn)了“低阻力擠出-瞬間結(jié)構(gòu)重建-質(zhì)地柔韌適配”的功能集成。

2、打印成品順利通過IDDSI Level5（細碎濕潤型）認證，滿足吞咽障礙人群的進食需求。

3、該研究為基于油-水界面工程設(shè)計個性化吞咽困難膳食提供了新的思路與策略。