“紐邁杯”江南大學(xué)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(zhǔn)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2025-06-12 11:44

近日，“紐邁杯”江南大學(xué)案例大賽圓滿(mǎn)落幕，涌現(xiàn)出一批將前沿科技應(yīng)用于食品科學(xué)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(zhǔn)設(shè)計(jì)》案例憑借低場(chǎng)核磁共振（LF-NMR）技術(shù)與 3D 打印技術(shù)的跨學(xué)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(chǎng)核磁（LF-NMR）如何助力科研團(tuán)隊(duì)攻克老年吞咽障礙食品個(gè)性化定制的重大挑戰(zhàn)。

研究背景

2024年初，國(guó)務(wù)院《關(guān)于發(fā)展銀發(fā)經(jīng)濟(jì)增進(jìn)老年人福祉的意見(jiàn)》首次以國(guó)家文件形式明確鼓勵(lì)研發(fā)適合老年人咀嚼吞咽和營(yíng)養(yǎng)需求的食品。這一政策導(dǎo)向直面全球加速老齡化（特別是我國(guó)65歲以上人口已超2.17億）所帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)——吞咽障礙。吞咽障礙不僅嚴(yán)重威脅老年人健康，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)不良、吸入性肺炎等風(fēng)險(xiǎn)，也顯著降低其生活獨(dú)立性。傳統(tǒng)吞咽障礙食品普遍存在質(zhì)地單一、感官體驗(yàn)差、難以個(gè)性化定制及營(yíng)養(yǎng)均衡性不足等核心痛點(diǎn)。

3D打印技術(shù)憑借其精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)定制和個(gè)性化膳食設(shè)計(jì)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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(kāi)發(fā)的核心瓶頸在于如何設(shè)計(jì)兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與營(yíng)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(shì)，具備共輸送親水和疏水營(yíng)養(yǎng)成分、熱力學(xué)穩(wěn)定性好、控釋潛力佳等特性，為構(gòu)建安全、營(yíng)養(yǎng)且個(gè)性化的吞咽困難膳食奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。

為精準(zhǔn)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(chǎng)核磁共振（LF-NMR）技術(shù)。該技術(shù)憑借其高效線(xiàn)、無(wú)損、檢測(cè)靈敏的核心優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于食品科學(xué)研究，成為深入解析凝膠內(nèi)部微觀(guān)結(jié)構(gòu)與水分動(dòng)力學(xué)行為的強(qiáng)大工具。

研究思路

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)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(chǎng)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(cè)量凝膠的橫向弛豫時(shí)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(chǎng)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(xué)測(cè)試結(jié)果以及吞咽障礙國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IDDSI（通過(guò)傾斜試驗(yàn)、叉壓測(cè)試驗(yàn)證）進(jìn)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(dǎo)材料設(shè)計(jì)。

研究結(jié)果

不同油凝膠-水凝膠比例對(duì)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(huì)影響水的流動(dòng)性和雙凝膠中水類(lèi)型的分布；

2、T2分布曲線(xiàn)隨凝膠/水凝膠比例的減少而向X軸正方向移動(dòng)，表明水的流動(dòng)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(shí)，T22的弛豫時(shí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)度與目標(biāo)形狀非常吻合，無(wú)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(guò)程中出現(xiàn)了破損和擴(kuò)散，導(dǎo)致3D打印產(chǎn)品的外觀(guān)與設(shè)計(jì)模型出現(xiàn)偏差（2-8樣品變形率超過(guò)7%）。