采用定制的菊粉-剑麻葡甘露聚糖混合物制成的3D打印吞咽辅助凝胶：提升吞咽安全性并实现番茄红素的可控释放

《Food Chemistry》：3D-printed dysphagia-friendly gels with tailored inulin-konjac glucomannan mixtures: Swallowing safety enhancement and controlled lycopene release

　　针对老年人吞咽困难问题，本研究创新性地将动态消化模型与3D打印技术结合，通过调控菊粉（IN）/Konjac葡聚糖（KGM）比例优化肌原纤维蛋白（MP）凝胶网络结构。实验表明，比例为1:2的P8-1:2凝胶形成致密网络结构，具有88.07%的番茄红素包封效率，同时保持优异的流变学特性、3D打印精度和吞咽安全性。动态消化模型显示，KGM通过羧基缓冲作用延缓凝胶降解，IN的膨胀屏障有效抑制胃蛋白酶渗透，使番茄红素在120分钟内的生物利用率达94.83%。研究揭示了IN/KGM协同作用机制，实现了凝胶“吞咽安全性-打印精度-消化响应性”的多维度调控，为个性化老年吞咽障碍膳食设计及精准营养技术提供新思路。

　　本研究聚焦于老年吞咽困难人群的营养需求，提出了一种创新性的方法，将动态消化模型与增材制造技术相结合，以探究菊粉（IN）与魔芋葡甘聚糖（KGM）比例对肌原纤维蛋白（MP）凝胶网络结构的影响，从而实现对吞咽困难管理的优化。该研究的核心在于开发一种具有特定功能特性的3D打印凝胶食品，既能满足吞咽安全性的要求，又能具备良好的营养释放性能和打印精度。通过系统调整IN/KGM比例，研究团队成功构建了一种新型的营养凝胶，不仅提升了营养成分的包裹效率，还增强了其在模拟老年消化环境下的稳定性与生物利用度。

吞咽困难是随着人口老龄化而日益突出的全球性公共健康问题。根据世界卫生组织2023年的报告，65岁以上成年人中约有40%存在吞咽困难现象，其中约30%的患者会进一步发展为误吸性肺炎，导致这一特定人群的年化死亡率上升5.8%。吞咽困难不仅严重干扰了老年人的营养摄入和生活质量，还可能引发诸如误吸性肺炎、营养不良等严重并发症。因此，为吞咽困难患者设计的食品必须具备特定的质地和流变学特性，以确保其在吞咽过程中的安全性。目前，改善吞咽困难食品的常用手段是使用增稠剂，以增强食物团块的凝聚力和粘度，从而减缓口腔至咽喉的传输速度，降低误吸风险。然而，现有的吞咽困难食品往往存在营养结构单一、口感单调的问题，可能导致老年人食欲下降，进一步影响其健康状况。

此外，现有吞咽困难食品在设计时通常忽略了与年龄相关的消化生理变化，如胃酸分泌减少、胃排空时间延长等，这使得其难以同时满足吞咽安全、营养控制释放和个性化形态适应等多重需求。因此，如何在保持食品吞咽安全的同时，提升其营养成分的生物利用度，并满足个性化需求，成为当前研究的重要方向。

近年来，3D打印技术为个性化营养食品的发展带来了革命性的可能性。该技术能够实现对食品形状、质地和营养成分的精确控制，使其能够满足多种功能性需求。然而，针对吞咽困难人群的专用生物墨水，需要在挤出流变学和自支撑结构稳定性之间实现动态平衡，同时适应老年人的胃肠道功能衰退。肌原纤维蛋白（MP）作为一种优质的动物蛋白来源，被广泛认为是吞咽困难食品的理想基质材料。但单一的蛋白基凝胶在流变学特性与消化性能方面往往难以满足老年人的特殊需求。因此，研究团队引入了菊粉和魔芋葡甘聚糖这两种天然可溶性纤维，以探索它们与MP之间的协同作用，从而优化凝胶的结构与功能。

菊粉和魔芋葡甘聚糖因其独特的流变学特性及益生元功能而受到广泛关注。它们不仅能改善食品的质地和口感，还能在一定程度上促进肠道健康。已有研究表明，将菊粉和魔芋葡甘聚糖添加到食品基质中，可以显著提升其流变性能、口感及消化特性。然而，关于它们如何与肌原纤维蛋白相互作用，以调节3D打印吞咽困难食品的性能及消化特征，仍缺乏系统性的研究。本研究正是在这一背景下展开的，旨在填补相关知识空白，探索IN/KGM比例对MP凝胶网络结构的影响机制。

研究团队采用动态老年消化模型，模拟了人体消化过程中复杂的pH变化、胃肠液分泌及蠕动运动，从而更真实地反映老年人的消化特点。相比于传统的静态消化模型，动态模型能够更准确地评估食品在消化过程中的行为，包括营养成分的释放速率和生物利用度。在本研究中，通过将IN和KGM与MP结合，团队构建了一种新型的营养凝胶，并在模拟老年消化条件下对其进行了系统评估。研究结果表明，IN/KGM比例为1:2的配方（P8–1:2）在多个关键指标上表现最佳，包括最高的番茄红素包裹效率（88.07%）、理想的胃排空特性以及良好的3D打印性能。

在模拟消化过程中，KGM表现出较强的pH缓冲能力，能够有效延缓凝胶结构的分解，而IN则通过其膨胀屏障效应，阻碍胃蛋白酶的渗透，从而抑制番茄红素的快速释放。这种协同作用使得P8–1:2凝胶在120分钟的胃肠消化后，仍能保持较高的番茄红素生物利用度（94.83%），显示出其在营养控制释放方面的优越性。同时，该凝胶在保持吞咽安全性的同时，还具备良好的流变学特性，使其在3D打印过程中能够保持结构的稳定性和打印精度。

番茄红素作为一种具有强大抗氧化能力的营养成分，能够有效清除自由基，对心血管疾病预防、肿瘤细胞抑制及免疫功能增强等方面具有显著的生理活性。值得注意的是，番茄红素还具有抗炎和神经保护作用，能够缓解与衰老相关的神经炎症级联反应，并预防肠道-大脑轴的病理变化。然而，由于人体无法自行合成番茄红素，必须通过食物摄入。随着年龄的增长，人体内番茄红素的含量逐渐下降，因此，为吞咽困难患者设计富含番茄红素的营养食品具有重要的现实意义。

尽管番茄红素被国际组织列为一类营养素，并允许添加到食品和功能性食品中，但由于其水溶性较低、生物利用度有限，限制了其在功能性食品中的广泛应用。凝胶的三维网络结构能够有效保护生物活性物质，提高其化学稳定性，并已被应用于β-胡萝卜素和姜黄素等活性成分的递送系统中。此外，番茄红素作为一种天然色素，能够赋予食品鲜艳的红色外观，增强其视觉吸引力。将富含番茄红素的凝胶与3D打印技术结合，不仅能够提高食品的营养价值，还能通过其美观的外观提升老年人的食欲和进食体验。

本研究的创新点在于，通过动态消化模型和增材制造技术的结合，系统地分析了IN/KGM比例对MP凝胶网络结构的调控作用。研究不仅揭示了IN和KGM在凝胶形成和消化过程中的相互作用机制，还为开发个性化营养食品提供了科学依据。通过优化IN/KGM比例，团队成功构建了一种新型的3D打印吞咽困难食品，其在模拟老年消化条件下表现出优异的性能，包括较高的番茄红素包裹效率、理想的胃排空特性以及良好的流变学行为。

此外，本研究还提出了基于动态消化模型的个性化营养设计思路，为未来针对不同年龄层和健康状况的老年人开发功能性食品提供了新的技术路径。通过将3D打印技术与动态消化模型相结合，研究团队不仅实现了对食品结构的精确控制，还能够根据老年人的消化特点，动态调整食品的营养释放行为，从而提高其在实际应用中的适应性和有效性。

研究的实施过程中，团队首先选择了活体金 pompano（Trachinotus ovatus）作为MP的来源，确保了蛋白材料的新鲜度和质量。IN和KGM分别从不同的供应商处采购，确保了实验材料的纯度和一致性。番茄红素则由Alta Scientific Co., Ltd.提供，其纯度达到98.9%。此外，用于检测番茄红素包裹效率的Nile red和Nile blue也从Aladdin Biochemical Science and Technology Co., Ltd.获得。这些材料的选用为实验的准确性和可重复性提供了保障。

在实验设计方面，团队重点评估了凝胶的流变学性能、吞咽安全性、番茄红素的包裹效率及释放动力学，以及其在模拟老年消化条件下的生物利用度。通过调整IN/KGM比例，团队能够系统地研究不同配方对凝胶结构和功能的影响。实验结果表明，P8–1:2配方在多个关键指标上表现最优，这不仅验证了IN/KGM协同作用的重要性，也展示了其在改善老年吞咽困难食品性能方面的巨大潜力。

综上所述，本研究通过整合动态消化模型与3D打印技术，成功开发了一种富含番茄红素的新型吞咽困难食品，为改善老年群体的营养状况和生活质量提供了新的解决方案。该研究不仅揭示了IN/KGM比例对MP凝胶网络结构的调控机制，还为未来个性化营养食品的设计和开发提供了重要的理论和技术支持。同时，该研究也强调了在设计功能性食品时，必须充分考虑老年人的消化生理特点，以实现营养成分的精准释放和食品的多功能性。