填充率(Infill Density)介导人咀嚼口腔崩解及小麦-豌豆蛋白三维(3D)打印食品营养素消化动力学

《Food Structure》：Infill density mediates human oral breakdown and nutrient digestion kinetics of 3D-printed wheat-pea protein foods

　　

三维(3D)打印技术可精确控制食品内部结构，但其对人咀嚼行为及后续消化过程的影响尚不清楚。本研究以质量比3:1的小麦粉(Wheat Flour, WF)与豌豆分离蛋白(Pea Protein Isolate, PPI)组成无添加剂(clean-label)食品模型，探究3D打印填充率(infill density, 20%~100%)对质构特性、体内(in vivo)咀嚼时间及体外(in vitro)蛋白与淀粉可消化性的影响。随填充率升高，样品孔隙率降低，质构剖面分析(Texture Profile Analysis, TPA)显示硬度(hardness)、内聚性(cohesiveness)和咀嚼性(chewiness)显著增大。当咀嚼时长标准化时，不同填充率样品间蛋白与淀粉水解速率常数及总水解量无显著差异；而未控制咀嚼时长时，高密度填充样品因被延长咀嚼而获得更充分的口腔崩解，加速了体外消化早期阶段蛋白和淀粉的水解。值得注意的是，无论填充率及咀嚼时长如何变化，消化终点宏量营养素的最终生物可及性(bioaccessibility)均保持不变。结果表明3D打印可通过设计功能性食品的结构与质构特性调控消化动力学(digestion kinetics)，且在维持最终营养素生物可及性前提下调节消化速率，支持其为咀嚼困难人群（如老年人）开发质构改良且营养充足食品的应用潜力。本研究将3D打印食品结构设计与人口腔处理及宏量营养素消化结局直接关联。

论文解读：《Infill density mediates human oral breakdown and nutrient digestion kinetics of 3D-printed wheat-pea protein foods》——发表于《Food Structure》

一、研究背景与立题依据

挤出式三维(3D)食品打印是新兴制造技术，可通过逐层沉积精确控制食品组成与内部空间结构，尤其是通过调节填充率(infill density)改变孔隙率和质构(texture)。已有研究表明提高infill density可降低孔隙率、增加硬度，但3D打印结构参数如何通过影响人类口腔加工(oral processing / mastication)进而调控宏量营养素——蛋白质和淀粉——的消化动力学(digestion kinetics)，尚缺乏系统研究。现有涉及植物基高蛋白3D打印食品消化的文献多使用卡拉胶、黄原胶等添加剂稳定墨水，这些亲水胶体本身难消化并可干扰消化酶（如胃蛋白酶pepsin、胰酶pancreatin）活性，从而混淆核心原料蛋白与淀粉的真实消化行为。此外，咀嚼是消化的第一步，通过机械破碎食物、混合唾液α-淀粉酶(salivary α-amylase, sAA)启动淀粉水解，质地越硬、孔隙率越低的食物通常需要更长咀嚼时间和更多咀嚼循环才能形成可吞咽食团(bolus)；延长的口腔加工能产生更小颗粒、更大酶作用面积，理论上可加速后续胃肠消化，但最终生物可及性(bioaccessibility)是否受infill density影响尚不明确。明确在无添加剂配方下，infill density→质构→咀嚼行为→消化动力学链条关系，对设计适合老年咀嚼障碍者或具特定营养释放需求的定制食品具重要意义。本研究由新西兰Otago大学食品科学系开展并发表于《Food Structure》。

二、主要关键技术方法概述

研究人员选用单一批次小麦粉(WF, 蛋白含量11.5%)与豌豆分离蛋白(PPI, 蛋白含量85%，Shuangta Food，经Caldic B.V.分销)，按干重WF:PPI=3:1混合，加水(干:水=1:1 w/w)，先干混5 min再湿混10 min(K-beater附件)，4℃冷藏熟化16 h制备打印墨水(ink)。采用定制挤出式3D打印机，以21×21×10 mm立方体为数字模型，外壳(shell)两层设为100%填充，内部填充率分别设20%、40%、60%、80%、100%(直线rectilinear图案)，喷嘴18G(内径0.84 mm)，打印速度15 mm/s，层高0.54 mm。打印后样品50℃风干至终水分37.5%，-20℃冻存。测试前沸水蒸煮(100℃, 20 min)，沥干。质构剖面分析(TPA)用TA.XT Plus型物性测试仪分别以直径20 mm（仅测填充区）和35 mm（含外壳）圆柱探头进行二次压缩。体内(in vivo)口腔加工由一名经筛选健康受试者（空腹16 h，sAA活性7.7 CU/mL，咀嚼时间具人群代表性）完成两种模式：(1)自由咀嚼(free chewing)至自感可吞咽后吐出bolus；(2)固定时长咀嚼(fixed chewing)统一咀嚼29 s（首轮自由咀嚼均值）后吐出bolus，顺序按Williams拉丁方设计随机，组间休息15 min；bolus立即加1 M HCl终止sAA活性(pH~3)并合并漱口蒸馏水。体外(in vitro)胃肠模拟消化按INFOGEST 2.0流程修改进行：胃相加猪胃蛋白酶(pepsin, 0.7 FIP-U/mg)孵育120 min(37℃, 55 strokes/min)，随后NaOH调pH至7.0进入肠相，加猪胰酶(pancreatin, 4×USP)和猪胆盐(bile extract)孵育240 min；蛋白水解度用邻苯二甲醛(o-phthaldialdehyde, OPA)法测L-丝氨酸当量，淀粉水解度用GOPOD格式葡萄糖试剂盒(Megazyme)测定；胃蛋白消化拟合零级(zero-order)动力学，肠相蛋白消化拟合一级分数转换(first-order fractional conversion)动力学，肠相淀粉消化拟合零级动力学。统计采用双因素ANOVA(infill density×咀嚼模式)及Pearson相关分析，显著性水平α=0.05。

三、研究结果

3.1. Effect of infill densities on the texture profiles of 3D printed samples（填充率对3D打印样品质构剖面的影响）

TPA结果显示，填充率从20%升至100%，不论用20 mm或35 mm探头，硬度(hardness)（35 mm探头：16.8 N→72.6 N；20 mm探头：12.3 N→53.8 N）、内聚性(cohesiveness)和咀嚼性(chewiness)均显著升高(p<0.05)；弹簧度(springiness)受外壳影响——含外壳测量时高填充样品弹簧度较低，不含外壳时随填充率升高弹簧度升高。样品蒸煮后重量与硬度呈强正相关（35 mm探头R=0.955, p<0.001；20 mm探头R=0.864, p=0.003）。外壳在中等填充率(60%)对硬度和咀嚼性增强作用明显，但在极低(20%)或极高(100%)填充率下影响不显著。表明infill density通过减少孔隙率和增加材料沉积量系统性强化质构属性。

3.2. Effect of infill densities on the in vivo chewing duration of 3D printed samples（填充率对体内咀嚼时长的影响）

自由咀嚼模式下，infill density由20%增至100%，平均咀嚼时间由24 s显著延长至33 s(p<0.05)。蒸煮后样品重量亦由3.5 g(20% infill)增至4.7 g(100% infill)，且与咀嚼时间极强正相关(R=0.99, p<0.001)。硬度、内聚性、咀嚼性与咀嚼时长均呈显著正相关(R=0.70–0.96, p<0.05)。含外壳测量时弹簧度与咀嚼时间负相关(R=-0.757, p=0.018)，不含外壳则正相关(R=0.822, p=0.006)。说明低孔隙率高复杂度结构及更大单口进食量共同导致更长口腔加工时间。

3.3. Effect of infill densities and chewing duration on the in vitro protein and starch digestibility（填充率与咀嚼时长对体外蛋白及淀粉可消化性的影响）

固定咀嚼时长(29 s)条件下，不同infill density样品经口处理后形成的bolus颗粒尺寸相近，胃相蛋白消化速率常数(k, zero-order)、起始(C₀)及终末(C_f)水解量、肠相蛋白及肠相淀粉消化参数均无显著差异。自由咀嚼时，高infill density样品因咀嚼时间延长致bolus颗粒更细，胃蛋白消化k值由0.37 min^-1(20% infill)升至0.56 min^-1(100% infill)，C₀和C_f（胃相终值）也显著更高；肠相蛋白最终水解量各infill density间仍无差异。淀粉消化方面，固定咀嚼时各infill density的肠淀粉消化k值与C_f无差异，但高infill样品C₀（口腔+胃初段已水解淀粉）偏低，镜检显示bolus中大颗粒偏多；自由咀嚼时高infill样品C₀显著升高（更充分唾液α-amylase作用及更大表面积），但肠相淀粉k与C_f仍无infill密度差异。综上，infill density本身不直接影响消化，而是通过诱导延长咀嚼→改善口腔崩解→加速早期消化；所有组别消化终点蛋白与淀粉总水解量（生物可及性）不受infill density及咀嚼模式影响。

四、讨论与结论翻译

讨论指出：使用无添加剂(clean-label)配方排除了胶体对消化的干扰，明确了填充率经质构改变咀嚼行为进而介导消化动力学，且最终宏量营养素生物可及性得以保留，这对设计质构改良食品（如软质低填充率易嚼食品供咀嚼障碍老年人）同时保证营养充足具应用价值；高填充率通过自然诱发延长咀嚼可加快胃期蛋白水解速率而不损最终吸收，为按特定时间需求（如运动后快释或持续释放）定制蛋白释放提供原理证明。局限为体内口腔加工仅由一名代表性受试者完成，未来需扩大受试者队列（不同咀嚼模式、sAA活性）验证普适性。

结论翻译如下：

使用无添加剂配方使研究人员能在排除添加剂干扰下系统研究蛋白质和淀粉可消化性。本研究表明3D打印中的填充率(infill density)可被策略性用于调控食品质构和咀嚼时长——后者是影响蛋白与淀粉消化的关键因素。较高填充率降低样品孔隙率，形成更复杂结构，需要更长咀嚼时间；这种延长的口腔加工增强了食物基质初期崩解，从而加速体外消化早期阶段蛋白与淀粉的水解。然而这些结构改变未改变宏量营养素的最终生物可及性(bioaccessibility)。上述发现可用于根据特定时间需求（如肌肉蛋白合成、饱腹感调控）定制蛋白或淀粉释放动力学。此外，低填充率3D打印食品提供更柔软质构、所需咀嚼时间短且咀嚼功小，而外壳层在搬运与蒸煮中维持结构完整性，可使咀嚼困难的老年人受益，在提供易摄入植物蛋白来源的同时不损害生物可及性。结果证明3D打印可设计具定制质构特性以调控消化动力学的功能性食品结构。未来研究可在当前无添加剂墨水体系中引入生物活性成分或风味物质，探索其在营养素、风味或生物活性物控释中的应用。