“纽迈杯”江南大学优秀案例解析|油水双凝胶界面调控及吞咽困难膳食3D打印精准设计

近日，“纽迈杯”江南大学案例大赛圆满落幕，涌现出一批将前沿科技应用于食品科学的创新研究成果。其中，《油水双凝胶界面调控及吞咽困难膳食 3D 打印精准设计》案例凭借低场核磁共振（LF-NMR）技术与 3D 打印技术的跨学科融合，为老年吞咽障碍人群的膳食难题提供了突破性解决方案。本期，我们聚焦该案例，看低场核磁（LF-NMR）如何助力科研团队攻克老年吞咽障碍食品个性化定制的重大挑战。

研究背景

2024年初，国务院《关于发展银发经济增进老年人福祉的意见》首次以国家文件形式明确鼓励研发适合老年人咀嚼吞咽和营养需求的食品。这一政策导向直面全球加速老龄化（特别是我国65岁以上人口已超2.17亿）所带来的严峻挑战——吞咽障碍。吞咽障碍不仅严重威胁老年人健康，导致营养不良、吸入性肺炎等风险，也显著降低其生活独立性。传统吞咽障碍食品普遍存在质地单一、感官体验差、难以个性化定制及营养均衡性不足等核心痛点。

3D打印技术凭借其精准营养定制和个性化膳食设计的独特优势，为破解上述难题提供了新路径。然而，该技术应用于吞咽食品开发的核心瓶颈在于如何设计兼具结构稳定性与营养功能的打印材料。

本研究创新性地提出以油水双凝胶作为理想的3D打印基材。双凝胶巧妙地融合了水凝胶与油凝胶的优势，具备共输送亲水和疏水营养成分、热力学稳定性好、控释潜力佳等特性，为构建安全、营养且个性化的吞咽困难膳食奠定了坚实的材料基础。

为精准调控双凝胶性能（特别是油/水界面的水分状态与分布），研究引入了低场核磁共振（LF-NMR）技术。该技术凭借其高效线、无损、检测灵敏的核心优势，广泛应用于食品科学研究，成为深入解析凝胶内部微观结构与水分动力学行为的强大工具。

研究思路

1、结构设计对比： 系统比较双连续型双凝胶与单相包裹型双凝胶（水包油OG-in-HG或油包水HG-in-OG）在结构性能上的差异。

2、水分/油分状态解析：利用低场核磁共振（LF-NMR）技术（纽迈分析核磁共振成像分析仪MesoMR23-060V-I）测量凝胶的横向弛豫时间T2分布。解析半结合水和自由水的状态及比例变化。

3、性能关联： 将低场核磁共振（LF-NMR）获得的水分状态、油水分布数据，与流变学测试结果以及吞咽障碍国际标准IDDSI（通过倾斜试验、叉压测试验证）进行关联。

4、建立模型： 最终构建“双凝胶结构-油水分布-流变特性-3D打印性能”的多维度关联模型，指导材料设计。

研究结果

不同油凝胶-水凝胶比例对双凝胶的水分状态和水分分布的影响：

1、双凝胶样品包括半结合水和自由水，油凝胶和水凝胶比例的变化会影响水的流动性和双凝胶中水类型的分布；

2、T2分布曲线随凝胶/水凝胶比例的减少而向X轴正方向移动，表明水的流动性增加；

3、油凝胶含量增加使T23从1011.64ms减少到410.27ms，使T23的面积从94.93%降低到36.67%。同时，T22的弛豫时间从191.16ms减少到77.53ms,T22的面积比从4.89%增加到63.33%；

4、双连续结构表现出相对稳定的凝胶系统，半结合水与自由水之间的水分分布均匀（56.94:43.06）。

不同油凝胶-水凝胶比例对双凝胶3D打印特性的影响：

1、双连续结构双凝胶显示出最好的打印性能，既适用于小面积单层结构模型（如椎体），也适用于三维堆叠模型（如空心立方体）。双连续结构双凝胶样品的高度和长度与目标形状非常吻合，无显著差异，变形率小于1%。

2、相比之下，OG-in-HG样品油墨在3D打印过程中出现了破损和扩散，导致3D打印产品的外观与设计模型出现偏差（2-8样品变形率超过7%）。

研究结论

1、双连续结构通过协调半结合水与自由水的比例，实现了“低阻力挤出-瞬间结构重建-质地柔韧适配”的功能集成。

2、打印成品顺利通过IDDSI Level5（细碎湿润型）认证，满足吞咽障碍人群的进食需求。

3、该研究为基于油-水界面工程设计个性化吞咽困难膳食提供了新的思路与策略。