江南大学金征宇院士团队 | 3D打印技术在淀粉基吞咽障碍食品中的应用

来源：中国食品学报

3D打印技术在淀粉基吞咽障碍食品中的应用
刘文梦，陈 龙，金征宇*
江南大学

文章针对人口老龄化加剧背景下吞咽功能障碍患者膳食需求升级的现状，系统探讨基于功能性碳水化合物的3D食品打印技术创新路径。传统糊状/泥状膳食形态存在质地均质化导致的感官接受度下降，营养密度不足以及个性化适配性欠缺等关键问题。基于增材制造原理的3D食品打印技术，凭借微尺度结构精准调控能力与个性化营养定制优势，为构建吞咽安全-营养强化-感官愉悦协同的新型膳食体系提供了技术突破口。

1  食品3D打印技术概述

食品3D打印作为增材制造技术在食品领域的重要分支，通过逐层堆积成型的方式实现复杂结构食品的精准定制，主流技术主要包括：1）热挤压式打印，适用于高黏度材料（如面团、奶酪、果蔬泥），通过螺杆或气压驱动实现连续挤出；2）喷墨式打印，多用于液态或低黏度原料（如糖浆、巧克力涂层），通过热发泡或压电效应生成微滴；3）选择性激光烧结，以糖粉、蛋白质粉末等为原料，利用激光选择性熔融层间黏合。其中，热挤压3D打印技术是目前在淀粉基吞咽障碍膳食食品开发中应用最广泛的，主要是由于其具有高打印精度的特点。

食品3D打印的优势主要体现在：1）个性化定制，可依据营养需求（如低糖、高蛋白）或审美偏好设计食品形态，适用于医疗饮食、老年膳食等领域，在满足功能需求的同时也赋予其营养需要；2）资源高效利用，通过精准控料减少原料浪费，并支持非传统食材（如食品副产品）的高值化利用；3）复杂结构制造，突破传统加工限制，实现多孔、镂空或多材料复合结构，提升食品质构与功能特性；4）数字化生产，结合人工智能与物联网技术，推动食品制造向自动化、智能化转型。

2  天然淀粉的局限性及改性策略

淀粉作为人体主要食物中的碳水化合物来源，其流变特性与3D打印适配性直接决定了打印精度、结构稳定性和吞咽安全性。作为一种可消费的植物性食品，良好的流变特性对于呈现良好的3D打印效果至关重要。比如：淀粉基凝胶的屈服应力、表观黏度和流动指数等指标会显著影响挤出过程。另一方面，3D打印物体的自支撑能力在很大程度上取决于剪切模量。天然淀粉独特的流变特性，为3D食品打印提供了很高的适用性，然而其也表现出对热、压力和剪切敏感以及储存后回生等问题，导致其应用具有一定的局限性。为了扩大淀粉基油墨的应用范围，可以通过各种改性技术来改善其性能，包括：物理、化学改性、复合改性等，这可能涉及改变淀粉的分子特性和结构，从而使其更适合3D打印。

3  在吞咽障碍食品开发方面的应用进展

基于不同方法改性的淀粉呈现出良好的3D打印性能，满足了其在淀粉基吞咽障碍食品开发中的应用需求。结合3D打印技术的创新性应用，不仅实现了个性化质构定制，功能性营养食品开发，而且也可以实现仿生食品的创造。目前根据患者的具体吞咽能力（如IDDSI等级），可以设计不同硬度、黏弹性和孔隙率的打印产品。此外，一些研究者结合患者的营养需求，制备了富含蛋白质、膳食纤维或益生元的个性化食品。

4  技术瓶颈

1）一些未改性或改性不足的淀粉基墨水易发生回生，导致打印产品的结构不稳定，影响长期保存和使用。还有部分淀粉基墨水在高温或长时间存储条件下会发生降解或变性，影响产品质量。

2）虽然打印技术不断进步，但是对于高精度、复杂结构的食品打印，仍面临打印时间长，能耗高，批次一致性问题。大规模生产过程中，如何保证每批次产品的质构一致性，是当前亟需解决的问题。

3）功能成分添加受限：在墨水中添加高浓度的功能成分（如蛋白质、脂肪），可能会导致流变特性改变，影响打印适性。

4）目前关于淀粉基打印食品的质构参数与吞咽安全性的量化标准尚未统一，影响产品的推广和应用。此外，部分研究成果虽进入临床试验阶段，但仍需更多的数据支持和验证，以确保产品的安全性和有效性。

5  未来展望

今后在开发3D打印吞咽困难饮食时需关注以下6个方面：

1）应注意提供富含优质蛋白质、脂肪、碳水化合物等宏量营养素和维生素、矿物质等微量营养素以及其它必需营养素的营养强化食品，以满足老年人的特殊营养需求。

2）应探索新型功能成分的添加方式和控释技术，提升打印食品的营养密度和功能价值。

3）应开发与食物口腔加工行为相关的3D打印吞咽困难饮食评估系统，以辅助利用3D打印技术快速开发有吸引力的吞咽困难饮食。未来，研究人员、临床医生和患者以及人工智能工作者之间的合作，对于使用3D打印开发营养吞咽困难饮食非常重要。通过结合食物特性、医疗数据（如临床测试、健康记录等）开发基于个人需求的个性化饮食推荐系统，建立统一的淀粉基打印食品质构参数与吞咽安全性的评价标准，推动研究成果向临床应用的转化。

4）利用数字孪生技术，结合计算机模拟和3D打印技术，实现从患者个体数据到个性化食品生产的全链条数字化，提升生产效率和精准度。

5）虽然目前已提出一些墨水改性技术，但是结合安全绿色的需求，应更注重绿色改性工艺，推广环保、低能耗的改性方法，减少对化学试剂的依赖，提高产品的可持续性。

6）通过复杂的3D打印技术，创造出仿生食品的外形和结构，提升患者的饮食体验。例如，仿真实水果或肉类的外观和质地，增强患者的食欲和心理舒适感。

6  结语

淀粉基3D打印墨水通过改性优化和多组分协同，为吞咽障碍食品的个性化设计提供了新的可能性。目前虽仍面临墨水稳定性、打印精度及营养功能强化等技术挑战，但随着智能材料、绿色工艺和数字化技术的不断发展，淀粉基3D打印技术有望在医疗食品领域发挥更大的作用，为吞咽障碍患者提供更多安全、营养、可口的饮食选择。未来研究需进一步突破技术瓶颈，推动淀粉基打印食品从实验室走向临床应用，为个性化医疗食品的发展提供理论参考。

引文格式

刘文梦, 陈龙, 金征宇. 3D打印技术在淀粉基吞咽障碍食品中的应用[J]. 中国食品学报, 2025, 25(05): 37-46.

DOI:10.16429/j.1009-7848.2025.05.004.


通信作者

金征宇教授，中国民主同盟盟员，中国工程院院士，享受国务院政府特殊津贴专家，十二届全国人大代表。1982年获无锡轻工业学院粮食工程学士学位、1988年获无锡轻工业学院粮食工程硕士学位、1992年获无锡轻工业学院食品工程博士学位。曾任江南大学食品学院院长、食品科学与技术国家重点实验室主任、江南大学副校长。现任教育部食品科学与工程教学指导委员会主任委员，中国食品科学技术学会副理事长。

金征宇教授带领团队三十多年来深耕碳水化合物、粮食深加工领域，通过理论创新、技术研发和装备升级，推动主食工业化、方便化、营养化和组分高值化发展，为我国粮油食品领域的科技进步作出了重要贡献。金征宇教授先后主持和承担包括国家自然科学基金重点项目、国家863计划、国家科技支撑计划、国家重点研发计划等在内的国家级项目20余项。以第一或通讯作者发表SCI论文263篇，连续十一年入围Elsevier中国高被引学者；作为主编在Springer等出版社出版英文专著3本，其它专著教材7本；授权发明专利163件，其中国际发明专利10件。荣获“全国优秀教师”和“全国优秀科技工作者”荣誉称号；获国家科技进步二等奖3项（2项排名第一，1项排名第二）、国家技术发明二等奖1项（排名第一）、国家教学成果二等奖2项（排名第一）、2017年获何梁何利基金科学与技术创新奖。