CN116583196A - 用食物水胶体为吞咽困难患者进行新鲜蔬菜的3d食物打印 - Google Patents
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Abstract
本文中公开了一种用于吞咽困难患者消费的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其包括：蔬菜泥和/或水果泥，其中蔬菜泥和水果泥不是冷冻干燥的，并且包含一种或更多种水胶体；或者蔬菜泥和/或水果泥，其中蔬菜泥和水果泥不是冷冻干燥的，其中一种或更多种水胶体中的每一者以基于蔬菜泥和/或水果泥的10重量％或更少的量存在。还公开了一种形成可食用且可3D打印的植物基油墨成分的方法。该方法包括：提供蔬菜和/或水果的泥；将泥过筛，以去除堵塞3D打印机的喷嘴的任何固体颗粒；以及，将泥冷却到室温，以供3D打印。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年10月26日提交的、号为10202010613X的新加坡专利申请的优先权，出于所有目的，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种用于吞咽困难患者消费的可食用且可3D打印的植物基油墨成分。本公开还涉及一种形成可食用且可3D打印的植物基油墨成分的方法。
背景技术
三维食物打印(3DFP)允许通过逐层地添加食物来创建菜肴，以根据数字设计构建可食用的三维(3D)结构。3DFP可以提供几个优点，包括具有对健康有益的个体化营养的个性化饮食、增强替代蛋白质源的视觉吸引力、自动化食物制备以及减少食物浪费。3DFP可以利用七种已建立的添加制造工艺中的四种，它们是材料挤压、材料喷射、粘合剂喷射和粉末床熔融。最流行的3DFP技术可以涉及基于挤压的3D打印。用于基于挤压的打印的食物油墨可能必须展现出剪切稀化的流变特性和足够的机械强度，以维持沉积食物结构的结构完整性。与非天然可挤压油墨(例如肉)相比，由巧克力、水凝胶、奶酪、乳制品制成的天然可打印油墨可能已经得到了更广泛的研究。3DFP可能够处理并满足消费者的食物购买考虑，诸如成本、味道、便利性、营养和体验。3DFP可以针对普通大众以及特定群体，如产消者(生产的消费者)、有特殊营养需求的人(例如医院和护理机构、运动员)以及国防和航空航天工业，并且3DFP可以引领数字美食学。这些群体的一个示例可以是患有吞咽困难的患者。
吞咽困难是指在吞咽食物方面困难，表现为在吞咽期间、在移动呈食物团、固体或液体形式的食物时的异常延迟。衰老和影响运动或神经功能的潜在医学疾病，诸如帕金森病、中风、痴呆、头颈癌，都是与吞咽困难相关联的风险因素。口咽吞咽困难(OD)导致咳嗽、窒息和吞咽开始时的困难，是因为食物残渣留在口腔中。因为患者摄入的食物较少，因此所有这些疾病都可能导致营养不良、脱水和重量减轻。报告表明，高达41％的OD患者在用餐期间感到焦虑，这些患者中的36％避免与他人吃饭，导致孤立感和社会剥夺感，这显著影响了他们的生活质量。为了防止患者营养不良和脱水，食物最好做得足够软，以咀嚼和安全吞咽。这通过更改食物的质地特性来实现，例如，制作柔软且易于吞咽的泥状食物，或者改变流体的粘弹特性来使其变稠，以供更好地摄取。然而，这些泥状的、切碎的、潮湿的和捣碎的食物在视觉上不吸引人，且因此对患者(例如吞咽困难患者)来说是没有食欲的，即提供足够的营养丰富且安全的饮食成为相当大的挑战。可能必须努力帮助这些患者有尊严地进食，以显著改善他们的进餐时间体验，并使他们能够社交并且对看起来、感觉和味道上都像普通食物的膳食消费。已经表明，在这些患者中，与日常食物的相似性导致消费的意愿。
由所有以上内容，尽管目前使用模具和铸模为患者成形泥的实践可以提供在美学上令人愉悦的菜肴，但是这种实践对受过专门训练的人力设置了高要求。虽然3DFP可以解决这一限制，但迄今为止的可行性研究可能限于巧克力、面团、肉、糖和凝胶，而不是专门针对吞咽困难患者的营养食物。例如，大多数3DFP研究使用脱水和冷冻干燥的食物粉末进行基于挤压的打印。冷冻干燥的食物承受了维生素C、维生素E和叶酸的损失。冷冻干燥期间水含量大大降低，导致每单位质量的高热量含量。冷冻干燥是具有高资本成本的能源密集型工艺。因此，这是一种仅适用于高价值和低体积食物的技术。由于冰晶的形成增加，冷冻干燥倾向于破坏蔬菜和水果的细胞壁。此外，冷冻干燥可能需要使用保护剂，以减少冷冻对食物质量的影响，从而维持原料稳定性并保留食物颜色。
此外，具有冷冻干燥的3DFP可能特别适用于具有高水含量的食物，而不适用于具有低碳水化合物和脂肪的食物，由于低碳水化合物和脂肪的流变特性，针对单独的3DFP，具有低碳水化合物和脂肪的食物可能是困难的。
因此，需要提供一种解决上述限制中的一个或更多个限制的解决方案。
发明内容
在第一方面，提供了一种用于吞咽困难患者消费的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，所述可食用且可3D打印的植物基油墨成分包括：
蔬菜泥和/或水果泥，其中所述蔬菜泥和所述水果泥不是冷冻干燥的，并且包含一种或更多种水胶体；或者
蔬菜泥和/或水果泥，其中所述蔬菜泥和所述水果泥不是冷冻干燥的；
其中所述一种或更多种水胶体中的每一者以基于所述蔬菜泥和/或所述水果泥的10重量％或更少的量存在。
在另一方面，提供了一种形成在第一方面的各种实施例中描述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分的方法，所述方法包括：
提供蔬菜和/或水果的泥；
将所述泥过筛，以去除堵塞3D打印机的喷嘴的任何固体颗粒；以及
将所述泥冷却到室温，以供3D打印。
附图说明
附图不一定按比例绘制，相反，重点通常放在示出本公开的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述了本公开的各种实施例，其中：
图1A示出了针对豌豆、胡萝卜和白菜的食用油墨(油墨1至油墨5)的粘度对比剪切速率的图。
图1B示出了豌豆、胡萝卜和白菜的食物油墨(油墨1至5)的屈服应力的图。*p≤0.05。
图1C示出了通过随时间更改剪切速率测量粘度来回收食物油墨。
图2A示出了一种食物油墨类型的五种配方的3D打印形状的代表性图像，其周围画有方框的图像代表油墨的优化配方。
图2B示出了由菜园豌豆、胡萝卜和玉米的3D打印设计组成的图片。
图2C示出了针对胡萝卜油墨4的、表示为所施加的振荡剪切应力的函数的存储模量(G’，三角形)和损耗模量(G”，正方形)，黑色箭头描绘了线性粘弹性区域(LVER)。根据G’和G”的交叉点计算屈服应力。
图2D是指示通过精度和形状稳定性评估的食品油墨的适印性的表。
图3A示出了展示食物油墨的散布的图，从食物油墨渗漏的液体在滤纸上所覆盖的面积中测量该散布，*p≤0.05。
图3B示出了描绘脱水收缩的胡萝卜油墨1和胡萝卜油墨2的代表性图像。
图3C示出了胡萝卜油墨的散布。1×1平方厘米的红色正方形用作用于测量液体散布覆盖的面积的参考。
图4A是描绘菜园豌豆油墨1(图像i、ii)和油墨5(图像iii、iv)的四个图像的面板。图像(ii)和(iv)分别是图像(i)和图像(iii)(500×)的放大图像(1500×)。图像(i)和图像(iii)中的比例尺表示50微米，并且图像(ii)和图像(iv)中的比例尺表示10微米。
图4B是描绘胡萝卜油墨1(图像i、ii)和油墨2(图像iii、iv)的四个图像的面板。图像(ii)和图像(iv)分别是图像(i)和图像(iii)(500×)的放大图像(1500×)。图像(i)和图像(iii)中的比例尺表示50微米，并且图像(ii)和图像(iv)中的比例尺表示10微米。
图4C是描绘白菜油墨1(图像i、ii)和油墨4(图像iii、iv)的四个图像的面板。图像(ii)和图像(iv)分别是图像(i)和图像(iii)(500×)的放大图像(1500×)。图像(i)和图像(iii)中的比例尺表示50微米，并且图像(ii)和图像(iv)中的比例尺表示10微米。
图5示出了菜园豌豆、胡萝卜和白菜油墨的3D打印样品的质地特性。相对于最高值对值进行归一化，并将值报告为在0与1之间。
图6A展示了根据IDDSI(国际吞咽障碍食物标准行动委员会(InternationalDysphagia Diet Standardization Initiative)，2019年)对软的且一口大小的、食物油墨(豌豆油墨1、胡萝卜油墨2和白菜油墨4)的3D打印样品进行的叉子压强测试。
图6B示出了根据IDDSI(国际吞咽障碍食物标准行动委员会，2019)分别对从上行到下行的图像的、豌豆油墨1、胡萝卜油墨2和白菜油墨4的食物油墨进行的勺子倾斜测试。
图6C示出了根据IDDSI(国际吞咽障碍食物标准行动委员会，2019)对不同食物油墨的、软的且一口大小的3D打印样品进行的叉子压强测试。
图6D示出了根据IDDSI(国际吞咽障碍食物标准行动委员会，2019年)对不同食物油墨进行的勺子倾斜测试。
图7A示出了使用豌豆油墨的3D打印结构，左图中的对照(具有80％水含量的豌豆泥)对比右图中的油墨5(具有80％水含量以及0.3％ XG和0.3％ KC的豌豆泥)。
图7B示出了五种食物油墨配方，其中油墨1(顶行)：具有WC＝80％的豌豆泥；油墨2(第2行)：具有WC＝85％的豌豆泥；油墨3(第3行)：具有WC＝90％的豌豆泥；油墨4(第4行)：具有XG和KC＝0.1％重量/重量的豌豆泥；油墨5(第5行)：具有XG和KC＝0.3％重量/重量的豌豆泥。示例12A中也描述了油墨的成分细节。
图8A示出了粘度相对于剪切速率的图，并比较了针对菜园豌豆的食品油墨的剪切稀化。示例12A中描述了油墨的成分细节。
图8B示出了针对图8A中不同豌豆食物油墨的屈服应力的图。
图9A示出了使用沃特曼4级滤纸对菜园豌豆食用油墨的脱水收缩测量。示例12A中描述了油墨的成分细节。
图9B是针对脱水收缩测量的表，其中对于图9A的豌豆油墨，以厘米为单位测量水的距离散布。
图10A示出了不同胡萝卜油墨配方的3D打印品，包括对照打印品(油墨1——左侧图像)对比配置的打印品(油墨2、油墨3——中间图像和右侧图像)。示例12A中描述了油墨的成分细节。
图10B示出了五种食物油墨配方，其中油墨1(顶行)：具有WC＝90％的胡萝卜泥；油墨2(第2行)：具有XG＝0.3％重量/重量的胡萝卜泥；油墨3(第3行)：具有XG和KC＝0.3％重量/重量的胡萝卜泥；油墨4(第4行)：具有XG＝0.5％和KC＝0.5％重量/重量的胡萝卜泥；油墨5(第5行)：具有XG＝0.7％和KC＝0.7％重量/重量的胡萝卜泥。示例12A中也描述了油墨的成分细节。
图11示出了使用沃特曼4级滤纸对胡萝卜油墨的脱水收缩测量。示例12A中也描述了油墨的成分细节。
图12是示出了针对图11的胡萝卜油墨的、以厘米为单位测量的、水的距离散布的表。
图13A示出了粘度对比剪切速率的图，并比较了胡萝卜油墨的剪切稀化。示例12A中描述了油墨的成分细节。
图13B示出了针对图13A的不同胡萝卜油墨的屈服应力的图。
图14示出了不同白菜油墨的3D打印品。示例12A中描述了油墨的成分细节。
具体实施方式
以下具体实施方式参考了附图，这些附图通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体细节和实施例。
在实施例的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。虽然在其他实施例中没有明确描述，但实施例的上下文中描述的特征可以相应地适用于这些其他实施例。此外，如针对实施例的上下文中的特征描述的添加和/或组合和/或替换可以相应地适用于其他实施例中的相同或相似的特征。
本方法涉及三维食物打印(3DFP)，通过针对消费者对营养定制和视觉吸引力的具体要求，对数字美食学提供了进步。吞咽困难，即难以吞咽，可能在老年人和患有衰弱性疾病的患者中是普遍的。吞咽困难的饮食往往需要质地改变，以使它们对于吞咽而言变得柔软且安全。此外，饮食可能需要在视觉上令人愉快，以帮助更多的食物摄取，并防止患者营养不良。到目前为止，3DFP只利用冷冻干燥的蔬菜粉末来成形3D设计。然而，本公开提供的饮食不仅包括冷冻蔬菜，还包括新鲜蔬菜，这些蔬菜提供了更好的营养概况和低成本。基于使三种不同种类的蔬菜可打印所需的水胶体(HC)的数量，可以使用这三种不同种类的蔬菜。选择菜园豌豆、胡萝卜和白菜作为每个类别中的代表，它们可以分别不需要HC、需要一种HC、和需要两种HC。在本公开中，可以通过添加HC，例如黄原胶(XG)、κ-角叉菜胶(KC)和刺槐豆胶(LBG)，来制备食物油墨来进行质地改变。检查油墨的流变、质地、微观结构和脱水收缩特性。能够进行国际吞咽障碍食物标准行动委员会(IDDSI)测试来评估本油墨对于吞咽困难饮食的潜力。本油墨配方具有优异的3D适印性、最小的渗水性，并且具有最少量HC的致密微观结构。有利的是，能够包括新鲜蔬菜，而不仅仅依赖于冷冻干燥食物，从而像真正的食物一样保留风味和营养。这反过来又使至少蔬菜的3DFP更接近于在医院和疗养院的厨房中所采用。
现在下面描述本食物油墨成分和方法的各种实施例的细节，以及与各种实施例相关联的优点。
在本公开中，提供了一种供吞咽困难患者消费的可食用且可3D打印的植物基油墨成分。为简便起见，植物基油墨成分在本文中可互换地称为“食物油墨成分”、“油墨成分”、“油墨配方”、“食物油墨”，或简称为“油墨”。术语“植物基”在本文中指的是本食物油墨不含肉、海鲜和乳制品。
本植物基油墨成分的优点在于：它能够维持其打印结构至少15分钟。换句话说，在本公开的上下文中，如果植物基油墨成分的打印结构能够维持至少15分钟，则认为该植物基油墨成分是可3D打印的。
可食用且可3D打印的植物基油墨成分可以包括蔬菜泥和/或水果泥。蔬菜和/或水果分别直接从新鲜蔬菜和/或水果制成泥。换言之，该蔬菜和/或水果不含粉末状或加工过的蔬菜和水果。蔬菜泥和水果泥不是冷冻干燥的。蔬菜泥和水果泥可以包含至少50％的水、80重量％的水、至少85重量％的水、至少90重量％的水、至少95重量％的水等。本文中的术语“冷冻干燥”与“冷冻”不同之处在于：冷冻干燥涉及除水，而冷冻不涉及除水。
在各种非限制性实施例中，可食用且可3D打印的植物基油墨成分可以不含水胶体。在各种非限制性实施例中，可食用且可3D打印的植物基成分可以包括一种或更多种水胶体。一种或更多种水胶体中的每一者可以以基于蔬菜泥和/或水果泥的10重量％或更少、5重量％或更少、3重量％或更少、2重量％或更少、1重量％或更少、0.7重量％或更少、0.5重量％或更少、0.3重量％或更少等的量存在。换句话说，这样的重量百分比指的是水胶体在蔬菜和/或水果泥中的浓度。在各种非限制性实施例中，可食用且可3D打印的植物基油墨成分可以包括蔬菜泥和/或水果泥，其中，蔬菜泥和水果泥不是冷冻干燥的并且包含一种或更多种水胶体，其中，一种或更多种水胶体中的每一者可以以基于蔬菜泥和/或水果泥的10重量％或更少的量存在。
在各种实施例中，蔬菜泥和/或水果泥可以包括淀粉类蔬菜、根类蔬菜或叶类蔬菜。换言之，从其直接获得蔬菜泥的蔬菜能够依赖它们的水含量和淀粉含量被分成三个类别。每个类别可以进行不同的处理以被配置或增强成各种形状的3D适印性。有利的是，本植物基食物油墨优于用于为患者成形泥的传统模具，这是因为本植物基食物油墨提供了3D打印食物，该3D打印食物在美学上看起来并感觉令人愉悦，具有更高的可复制性，不损害安全性，所需更少的工时，因此是模制食物的更好替代物，而不管蔬菜的类型如何。这三类蔬菜可以是(1)具有低水含量和高淀粉含量的淀粉类蔬菜，例如土豆、玉米、豌豆、甘薯，(2)具有高水含量和适中淀粉含量的根类蔬菜，例如胡萝卜、甜菜、芜菁，以及(3)具有最高水含量和最低淀粉含量的绿叶类蔬菜，例如白菜、菠菜、甘蓝。这种分类方法可以应用于水果。本植物基油墨成分不限于上述蔬菜，并且其他蔬菜和水果可以配置成本植物基油墨成分。
在各种实施例中，一种或更多种水胶体可以包括黄原胶、κ-角叉菜胶和/或刺槐豆胶。
在某些非限制性实施例中，蔬菜泥可以包括豌豆(例如，菜园豌豆)，并且一种或更多种水胶体可以包括黄原胶和/或κ-角叉菜胶。在某些非限制性实施例中，黄原胶和κ-角叉菜胶可以分别以基于蔬菜泥(例如豌豆泥)的0.1重量％至0.3重量％的量存在。例如，黄原胶和κ-角叉菜胶可以分别以基于蔬菜泥的0.1重量％、0.2重量％或0.3重量％的量存在。
在某些非限制性实施例中，蔬菜泥可以包括胡萝卜，并且一种或更多种水胶体可以包括黄原胶和/或κ-角叉菜胶。在某些非限制性实施例中，黄原胶和κ-角叉菜胶可以分别以基于蔬菜泥(例如胡萝卜泥)的0.3重量％至0.7重量％的量存在。例如，黄原胶和κ-角叉菜胶可以分别以基于蔬菜泥的0.3重量％、0.4重量％、0.5重量％、0.6重量％或0.7重量％的量存在。
在某些非限制性实施例中，蔬菜泥可以包括白菜，并且一种或更多种水胶体可以包括黄原胶和/或刺槐豆胶。在某些非限制性实施例中，黄原胶和刺槐豆胶可以分别以基于蔬菜泥(例如白菜泥)的0.5重量％至2重量％的量存在。例如，黄原胶和κ-角叉菜胶可以分别以基于蔬菜泥的0.5重量％、0.6重量％、0.7重量％、0.8重量％、0.9重量％、1.0重量％、1.5重量％、2.0重量％等的量存在。
在各种实施例中，可食用且可3D打印的植物基油墨成分可以具有从20帕至360帕、从24.8帕至355帕等范围的屈服应力。
在各种实施例中，可食用且可3D打印的植物基油墨成分可以具有随剪切速率增加而降低的粘度分布。也就是说，当剪切速率增加时，粘度降低。在各种实施例中，这样的粘度分布可以展现有在0.001秒-1至1000秒-1的范围内的剪切速率。粘度分布可以包括1000帕.秒至100,000帕.秒、2900帕.秒至16700帕.秒、2992.1帕.秒至16607.47帕.秒等粘度范围。
本公开还提供了一种形成在第一方面的各种实施例中描述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分的方法。针对第一方面的植物基油墨成分描述的实施例和优点能够类似地对本文中随后描述的本方法有效，反之亦然。由于上面已经描述了各种实施例和优点，并且在本文中展示了示例，因此为了简洁起见，将不重复它们。
本方法可以包括：提供蔬菜和/或水果的泥；将泥过筛以去除可能堵塞3D打印机的喷嘴的任何固体颗粒；以及，将泥冷却到室温(例如20℃至30℃、22℃至26℃等)，以供3D打印。
在各种实施例中，提供泥可以包括：煮或蒸蔬菜和/或水果，以及在煮或蒸之后共混蔬菜和/或水果以形成泥。共混可以通过手工混合或使用机械食物共混器来进行。
在各种实施例中，该方法可以进一步包括将泥与一种或更多种水胶体混合。在某些非限制性实施例中，一种或更多种水胶体可以包括多于一种的水胶体(例如两种水胶体)。在各种实施例中，该方法可以进一步包括：在与泥混合之前，将多于一种的水胶体干混。换言之，在接触蔬菜泥或水果泥之前，可以直接混合两种或更多种水胶体，而不添加任何液体。
在各种实施例中，该方法可以进一步包括在65℃至75℃(例如70℃或72℃、70℃至75℃)的温度下温育混合物，其中混合物可以包括泥和一种或更多种水胶体，并且其中一种或更多种水胶体可以包括κ-角叉菜胶。在各种实施例中，该方法可以进一步包括在85℃至95℃(例如90℃、90℃至95℃)的温度下温育混合物，其中混合物可以包括泥和一种或更多种水胶体，并且其中一种或更多种水胶体可以包括刺槐豆胶。温育可能花费大约20分钟到40分钟(例如30分钟)。这样的温育可以有利地使水胶体水合，改善其凝胶效果，并控制3D打印的植物基油墨成分的微观结构。
总之，本油墨成分和方法提供了新鲜蔬菜在3D食物打印中的使用。本公开建立了用于配置不同蔬菜类型以进行3D打印的通用方法，其中每种蔬菜类型能够具有不同的水含量和淀粉含量，以形成自支撑3D打印结构。针对吞咽困难饮食，缺乏3D打印新鲜食物油墨配方。本公开广义地将蔬菜识别为三种不同的类别，而不是针对吞咽困难患者的3D打印食物的特定蔬菜。本油墨成分和方法利用新鲜蔬菜而不是蔬菜粉末，因此提供了各蔬菜的更多营养益处。添加最少的添加剂或不添加添加剂(水胶体除外)来使食物可3D打印。例如，在某些情况下，本菜园豌豆的油墨成分(具有更低水含量和更高淀粉含量)甚至能够在不使用水胶体的情况下进行3D打印。在某些情况下，可以仅使用一种水胶体来防止脱水收缩(例如，具有高水含量和中等淀粉含量的胡萝卜油墨)。在某些情况下，可能只需要两种水胶体来防止脱水收缩，并且这两种水胶体提供结构稳定性(例如，相对具有最高水含量和最低淀粉含量的白菜油墨)。
本方法能够应用于具有相似淀粉含量和水含量的其他蔬菜和水果。菜园豌豆可以代表在本公开中选择的食物的淀粉含量最高的蔬菜，作为非限制性示例，该非限制性示例用于展示具有大约80％的最低水含量的蔬菜的3D打印。如在下文的示例中进一步展示的，可以在煮、研磨并调节水含量后通过FOODINI打印机打印豌豆，以形成漂亮和稳定的形状，而不使用任何稳定剂或增稠剂。观察到打印品上的水渗漏最小，并且粘度也适合打印。
在本方法中，对具有约90％的固有较高水含量的胡萝卜进行不同地配置。添加防止脱水收缩的黄原胶的实验产生了稳定的3D打印品，并且也防止了不具有黄原胶的对照样品的水渗漏。通过添加两种水胶体，例如黄原胶和κ-角叉菜胶，也可以实现理想的打印品，但是仅通过添加黄原胶就能够消除对额外的HC的需要。
在白菜油墨的情况下，即使当水含量非常高(≥96％)时，本方法仍然能够将白菜油墨配置为可3D打印的。这通过添加两种不同的水胶体(例如分别为1重量％的黄原胶和刺槐豆胶)实现。
词语“基本上”不排除“完全”，例如，“基本上不含”Y的成分可以完全不含Y。必要时，词语“基本上”可以从本公开的定义中省略。
在各种实施例的上下文中，关于特征或元件使用的冠词“一(a)”、“一个(an)”和“所述/该(the)”包括对特征或元素中的一者或更多者的引用。
在各种实施例的上下文中，应用于数值的术语“大约/约”或“近似”和符号“≈”涵盖精确值和合理的变化。
如本文所用，术语“和/或”包括相关联列出项目中的一者或更多者的任何和所有组合。
除非另有说明，否则术语“包括”和“包含”及其语法变体旨在表示“开放的”或“开放式”语言，使得它们包括所列举的元素，但也允许包括额外的、未列举的元素。
示例
本公开涉及食物油墨成分，该食物油墨成分是植物基的。本公开还涉及一种加工新鲜蔬菜和/或水果的方法。食物油墨成分和方法考虑了新鲜蔬菜和/或水果的淀粉含量和水含量，使得至少是可消费的(例如，对于吞咽困难患者)可3D打印油墨使用最少的食物添加剂，同时保留风味和营养。蔬菜和/或水果能够分类为三种类别，并且即使当基于这些类别时，本食物油墨和方法仍然是通用的，这是因为在用水胶体加工方面能够采用不同的方法来提供自支撑的可3D打印形状。
涉及3DFP的本方法提供了有利的解决方案，以标准化并自动化制备具有高稠度和可重复性的、视觉上吸引人的泥状食物。它提供了通过对质地改变的食物成形来获得有益健康的进餐时间体验的途径。能够通过添加食物添加剂、稳定剂、增稠剂、粘弹性改变剂(如琼脂、结冷胶、刺槐豆胶、果胶、κ-角叉菜胶和黄原胶等)来实现质地改变。
因为本食物油墨和方法能够3D打印未加工的蔬菜(无论是新鲜的还是冷冻的)，因此本食物油墨和方法还解决了使用食物粉末的问题。从新鲜或冷冻蔬菜制备的食物油墨用于自动打印食物，该食物对于吞咽困难患者的消费来说是视觉上令人兴奋且质地上安全的。蔬菜和水果是我们食物中维生素、矿物质、水和抗氧化剂的重要来源，这使它们成为饮食包含物的绝佳和必要选择。然而，由于它们的高水含量以及很低的碳水化合物和脂肪，它们难以打印(非天然挤压油墨)。在本公开中的食物油墨制备的上下文中，蔬菜和水果可以大体分类为三种类别，并且每种类别可以需要不同的处理才可打印。从每种类别中选择一种代表性蔬菜进行展示-具有高淀粉百分比和低水百分比的菜园豌豆(Pisum sativum)、代表中等淀粉百分比和水百分比的胡萝卜(Daucus carota)、以及具有低淀粉百分比和高水百分比的白菜(Brassica rapa)。用水胶体(HC)改变流变特性和质地，水胶体(HC)可以包括但不限于黄原胶(XG)、κ-角叉菜胶(KC)和刺槐豆胶(LBG)。广泛地表征这些油墨的适印性、流变、质地和微观结构特性。执行国际吞咽障碍食物标准行动委员会(IDDSI，2019)测试，以评价油墨配方对吞咽困难患者的适用性。
本食物油墨和方法通过非限制性示例进一步详细描述，如下所述。
示例1：食物油墨的配方
从当地超市购买蔬菜(菜园豌豆、胡萝卜和白菜)，蔬菜在4℃下冷藏(胡萝卜和白菜)最多两天或冷冻(菜园豌豆)直到使用。蔬菜需要时去皮、清洗并人工切丁。清洗菜园豌豆和胡萝卜，并将菜园豌豆和胡萝卜在水中煮15分钟(或允许在热水中放置额外的5分钟)，并将白菜蒸15分钟直到变软。沥干水，并在食物加工机中将煮过/蒸过的蔬菜充分共混5分钟至10分钟，形成泥状稠度。然后，将成泥的蔬菜过筛以避免油墨堵塞打印机的喷嘴，并且，针对所得过筛的泥的水含量(WC)，测量所得过筛的泥。
示例2：水分含量测量
将一克过筛的泥散布在铝箔上，并在对流烘箱中在150℃下对泥干燥，直到重量不再减少。使用数字称重天平测量干燥前后样品的重量，并相应地计算水含量百分比(WC％)。
根据蔬菜类型，针对每种蔬菜，将WC％调整为标准化值，即，将菜园豌豆(Pisumsativum)调整为80％，将胡萝卜(Daucus carota)调整为90％，将白菜(Brassica rapa)调整为≈96％。WC％通过以下公式计算：
从当地食物商店购买食物级HC。将不同量的HC，即黄原胶(XG)、κ-角叉菜胶(KC)和刺槐豆胶(LBG)，以所期望的浓度添加到泥。基于泥的重量测量针对每种配方的HC，如果使用多于一种的HC，则对HC干混，然后将HC添加到泥，并通过手持共混器将HC彻底均匀化。用食物级保鲜膜将含有油墨的烧杯密封，以避免在温育期间由于蒸发而损失水分。然后，针对含有KC和LBG的油墨，分别在72℃和90℃的水胶体凝胶温度下，将烧杯在水浴中保持30分钟。然后，在打印或存储在冷藏室中之前，将油墨冷却到室温，以备将来使用。在实验之前，将所有保持在冰箱中的油墨都置于室温。将通过挤压从生食物原料配制的、用于3D打印的油墨称为食物油墨。制备的不同食物油墨配方在表1中示出。
表1——水含量(WC)和水胶体(HC)不同的菜园豌豆、胡萝卜和白菜的食物油墨配方，水胶体(HC)即黄原胶(XG)、κ-角叉菜胶(KC)、刺槐豆胶(LBG)。
示例3：食物油墨的3D打印
FOODINI(西班牙自然机器)，一种基于挤压的商用3D食物打印机，用于打印不同植物油墨的3D样品。对于这个研究中的实验，使用1.5毫米的喷嘴尺寸。为了评估食物油墨的适印性，将8层的六棱柱打印在盘子上。当打印样品能够维持该结构至少15分钟时，将它们分类为可打印的。打印速度、挤压速率和其他参数在预测试中最终确定。将样品保持30分钟，以观察形状和结构保真度，并使用安卓智能手机对样品拍照。在打印后立即拍摄结构的照片，并按照1(非常差)到5(非常好)的等级对照片视觉评估。术语“保真度”在本文中指打印的3D结构的精确度，该打印的3D结构基于提供给软件的输入，该软件调节/操作：可以如何分配植物基食物油墨以提供打印的3D结构。
在另一台基于挤压的打印机Wiiboox Sweetin巧克力打印机上，使用0.84毫米的喷嘴尺寸，由用胡萝卜、菜园豌豆和玉米油墨打印的3D设计组合成3D画。
示例4：食物油墨的脱水收缩
使用根据滤纸吸收而改变的方法来分析脱水收缩，该方法典型地用于水凝胶的脱水收缩分析。脱水收缩实验通过将1克食物油墨放在一张沃特曼(Whatman)4级滤纸的中心来进行。使泥平坦以覆盖半径为1厘米的圆。将滤纸静置30分钟，让流体渗出，并然后拍照。对流体覆盖的面积以厘米为单位进行测量，并使用自动检测边缘和水环的内部Python程序对该面积进行分析。将1×1平方厘米的红色正方形与滤纸一起拍照，以用作图像分析的参考。每个样品一式三份。
示例5：流变表征
使用振荡流变仪(美国，特拉华州，TA仪器，Discovery混合流变仪DHR-2)研究食物油墨的流变特性。使用直径为20毫米的不锈钢平行板，其截断间隙为500微米或1000微米。挤出并去除过量的样品，以防止边缘效应。通过应用从0.001秒-1到1000秒-1的逐步剪切速率斜坡，对食物油墨进行粘度剪切稀化实验。通过施加从0.1帕至2000帕变化的、恒定频率为1赫兹的应力进行振荡振幅扫描实验，以研究油墨的粘弹特性(例如屈服应力)。所有实验均在25±0.1℃下一式三份进行。进行回收实验是为了模拟油墨在注射器中在挤压之前、挤压期间以及通过喷嘴挤压之后所经历的三个步骤。流动斜坡测试在25±0.1℃下进行，其中施加0.1秒-1至1秒-1的初始剪切速率60秒，随后施加0.1秒-1至200秒-1的高剪切速率2秒，再次施加从200秒-1到最终0.1秒-1的剪切速率。
示例6：质地特性表征
使用texture Pro CT v 1.3Build 15(博勒飞工程实验室公司(BrookfieldEngineering Labs，Inc.))进行双循环压缩测试，以获得力-时间曲线。对于这个测试，使用FOODINI打印了6层的六棱柱样品，并将其稳定地固定在平台的中心。测试参数如下：块状探针的触发载荷为5克，预测试速度为2.0毫米/秒，测试和测试后速度为2.0毫米/秒，以及压缩应变为45％。每个样品，每次测试被重复至少三次。通过相对于对照组中的最高值进行归一化，来报告硬度、咀嚼性、粘合性、胶粘性、弹性和纤维性。
示例7：扫描电子显微镜检查法
通过扫描电子显微镜检查法(JEOL JSM-5600LV)研究食物油墨的微观结构。将样品冷冻干燥，并然后在真空条件下用金对样品溅射涂覆(在10毫安下进行90秒)。图像以500×和1500×的放大倍数处理，其中激励电压为10千伏。
示例8：国际吞咽障碍食物标准行动委员会(IDDSI)测试
IDDSI将质地改变的食物分类为8个级别(0-7)，并设定了一组测试来确定质地改变的食物属于哪个级别(2019年的《IDDSI框架测试方法2.0/2019》(“IDDSI Frameworktesting methods 2.0/2019”)，2019)。采用叉子压强测试，其中用拇指按压打印的样品，直到使用叉子(约17千帕的压强)使其变白，相当于吞咽时使用的舌头压强。对所有油墨配方进行勺子倾斜测试，以测试粘合性和内聚性。
示例9：数据分析
在GraphPad Prism软件上绘制数据，并且在微软Excel上绘制用于质构分析的雷达图。使用GraphPad Prism通过单向ANOVA-Kruskal Wallis测试分析了文章中显示的平均值和SD。将显著性报告为p值≤0.05。
示例10A：结果——食物油墨的流变特性
对从冷冻菜园豌豆、新鲜胡萝卜和新鲜白菜制备的食物油墨表征，以评价它们的剪切稀化特性、屈服应力和恢复行为。每种蔬菜具有五种油墨配方，如上表1中所示。三种油墨配方由水百分比增加的豌豆制成，即油墨1(WC＝80％)、油墨2(WC＝85％)和油墨3(WC＝90％)。豌豆油墨4含有各自为0.1％(重量/重量)的XG和KC，并且豌豆油墨5具有各0.3％(重量/重量)的XG和KC。对于胡萝卜，对照泥，即油墨1，具有90％的WC，且其余的胡萝卜油墨具有相同的WC％但不同量的HC。胡萝卜油墨2仅具有0.3％(重量/重量)的XG，油墨3具有各自为0.3％(重量/重量)的XG和KC，油墨4含有分别为0.3％和0.5％(重量/重量)的XG和KC，并且油墨5具有最高浓度的HC以及0.3％(重量/重量)的XG和0.7％(重量/重量)的KC。白菜油墨1是具有WC≈96％的对照泥，油墨2具有1％(重量/重量)的XG，油墨3具有0.7％(重量/重量)的XG和0.5％(重量/重量)的LBG，油墨4含有各自为1％(重量/重量)的XG和LBG，且油墨5含有分别为1％和2％(重量/重量)的XG和LBG。
控制WC和HC以使得食物油墨具有不同的流变特性。由于HC的改变食物的流变特性的能力，因此已经使用了HC。油墨在打印期间在高剪切应力下容易流动以及在打印后维持结构完整性的能力可以影响成功的3DFP。所有食物油墨配方都表现出所期望的剪切稀化假塑性行为。在0.001秒-1至1000秒-1之间，所有食物油墨的粘度随着剪切速率的增加而降低(图1A)。
在相同剪切速率下，分别具有85％和90％的WC的菜园豌豆油墨，油墨2和油墨3，显示出比具有80％的WC的对照油墨1略低的粘度。由于XG和KC的添加，豌豆油墨4和油墨5具有更高的粘度。针对油墨5(XG、KC＝0.3％重量/重量，WC＝80％)获得最高的粘度，而针对油墨3(WC＝90％)观察到最低的粘度。
所有胡萝卜油墨配方的WC为90％，在低剪切速率下的初始粘度是可比较的，并且所有油墨都显示出剪切稀化行为。在胡萝卜油墨2中观察到有趣的效果，其中与对照胡萝卜油墨1相比，油墨的粘度随着XG的添加而略微降低(图1A)。在添加的XG的情况下粘度下降的现象可能是由于XG对其他原料的影响。具有两种HC的其余胡萝卜油墨配方比胡萝卜油墨1和油墨2具有更高的粘度。
所有白菜油墨的WC≈96％，并表现出剪切稀化特性。对照泥(油墨1)不可打印，因为它表现得像非粘性流体(图2A)。在低剪切速率下，白菜油墨1和油墨2表现出较高的起始粘度，这可能归因于相分离。当剪切速率接近交叉点(油墨的屈服，图2C)，与白菜油墨1和白菜油墨2相比，具有两种HC的组合的白菜油墨，即油墨5(XG＝1％、LBG＝2％)，具有更高的粘度。
进行振荡振幅扫描测试，以确定食物油墨的屈服应力(图1B)。油墨的机械强度依赖于存储模量(G’)，存储模量是指示材料的弹性响应并确定打印后形成自支撑结构的能力的参数。另外，由损耗模量(G”)表示粘性响应。在对模拟挤压前静止阶段的油墨的低正弦振荡应力进行施加时，观察到线性粘弹性范围(LVER)，其中G’保持恒定并保留油墨的内部结构(图2C)。随着剪切应力的增加，油墨的微观结构崩溃，导致类似液体的流动，即油墨的屈服导致G”变得大于G’，并且油墨展现出粘性流动的特性。通过取G’和G”的交叉点处的应力值来确定屈服应力，即破坏油墨的微观结构并使其在挤压期间流动所需的最小应力(图1B)。
如所描绘的，豌豆油墨的屈服应力随着WC％的增加而降低。与不含HC的油墨3相比，向豌豆油墨5添加HC(0.3％重量/重量的XG、KC)显著增加了屈服应力。豌豆油墨1的屈服应力高于油墨2和油墨3的屈服应力，这意味着豌豆油墨1可以更好地维持打印结构的形状(图2A)。
对于胡萝卜，与油墨1相比，油墨2的屈服应力值降低，这也证实了在图1A中观察到的降低的粘度。与仅含XG的油墨2相比，使用两种HC的组合的胡萝卜油墨3的屈服应力显著增加。
对于白菜油墨，随着XG的添加，观察到类似的趋势。单独的XG降低了屈服应力，并且添加两种HC增加了屈服应力。这种现象可以解释为单独的XG不可以形成凝胶，而XG和LBG一起形成柔软的弹性凝胶。白菜油墨4的屈服应力明显高于仅含XG的油墨2的屈服应力。具有最高HC浓度(3％重量/重量)的白菜油墨5具有最高的应力值。必须考虑屈服应力，以实现针对打印结构的足够的机械稳定性，同时不对挤压工艺产生不利影响。
食物油墨的另一个期望特性是粘度的可逆性。使用三种油墨配方进行实验，三种油墨配方为菜园豌豆的油墨1、胡萝卜的油墨2和白菜的油墨4(图2A)。这些油墨经受三个应力水平，这三个应力水平模拟基于挤压的打印的三个阶段，即油墨无压强存储在注射器中、在施加剪切应力时通过喷嘴挤压、以及在去除挤压压强时沉积后重组油墨。这三种油墨的粘度展现出高的可逆性。在打印后去除剪切应力后，粘度恢复到几乎与初始阶段相同的水平，表明食物油墨能够在打印后维持结构完整性(图1C)。
示例10B：结果——3D打印结构
基于脱水收缩、形状保真度和结构完整性来评价食物配方的适印性。基于改变的打印评分系统，从1到5对打印物进行评分(1＝非常差、5＝非常好)。对于豌豆油墨，油墨1和油墨4给出了最高的打印分数(见下表2)。
表2——通过形状保真度和形状稳定性评估食物油墨的适印性
如图2A中所示，豌豆油墨配方2和豌豆油墨配方3展现出脱水收缩，其中在打印结构的底部有可见的流体积聚。通过以80％(油墨1)使WC保持低或通过在油墨4和油墨5中分别以0.1％和0.3％(重量/重量)的浓度添加XG和KC，来消除这种脱水收缩。豌豆油墨1、豌豆油墨4和豌豆油墨5显示出良好的打印评分，但仍认为油墨2和3是3D可打印的(图2D)。虽然认为食物HC是安全的，但老年患者的普遍看法是，HC可能会带来毛茸茸/不自然的味道，这可能会阻碍3D打印食物的消费和接受。因此，在具有相同打印分数的油墨中，选择具有最少量HC的油墨作为食物类型的配方(参见上面的表2)。豌豆油墨1能够在不需要任何添加剂的情况下形成稳定的自支撑结构。因此，最好的菜园豌豆油墨是不含HC的油墨配方1。豌豆代表了三个定义类别中淀粉含量最高的蔬菜。淀粉本身被用作增稠剂，因此，解释了没有任何HC添加的豌豆油墨1的良好打印结果。在不同品种皱皮豌豆中，豌豆的淀粉含量的范围为从44.11％至46.70％。淀粉颗粒具有在加热时膨胀并在接近沸点时破裂的能力，导致明显的增稠。
与菜园豌豆相比，胡萝卜具有相对较高的WC％和中等淀粉含量。已知胡萝卜中的淀粉含量在8-15毫克/克干重的范围内变化，而在冷存储条件下，可能出现胡萝卜中的淀粉含量从152±18毫克/克干重下降到11±7毫克/克干重。这种可变性可以归因于所检验的品种、提取方法以及存储条件的差异。选择WC＝90％的胡萝卜进行以不同浓度添加XG和KC的实验。挤压胡萝卜油墨1，但存在严重的脱水收缩(图3A和图3B)。此外，形状保真度和表面质量比预期的差。含有0.3％(重量/重量)的XG的油墨2在打印质量上具有显著的改善，并减少了脱水收缩。对油墨3(XG、KC＝0.3％重量/重量)报告了类似的观察。在胡萝卜油墨4和胡萝卜油墨5中，XG浓度保持在0.3％，而KC浓度分别增加到0.5％重量/重量和0.7％重量/重量。增加的KC导致过度增稠的油墨，过度增稠的油墨难以挤压(图2A)，尽管仍是可打印的。同样，油墨2和油墨3都具有优异的打印结果，该打印结果具有光滑的表面和清晰限定的形状，在层边缘没有下垂。由于胡萝卜仅需要一种HC(XG)来打印，所以油墨2可以认为是最理想的油墨配方。添加具有弱凝胶作用的XG的实验防止了脱水收缩并导致稳定的3D打印品。当使用XG时，不需要额外的高温活化步骤。由于增加的水相互作用，XG也对油墨2(XG＝0.3％重量/重量)提供了更乳脂状的质地。在使用两种HC——XG和KC(油墨3)时，也可以利用优异的打印分数来实现胡萝卜油墨的良好打印，但是单独添加XG就排除了对额外的HC的需求。
在针对研究所选择的蔬菜中，白菜代表绿叶类蔬菜，其具有最高的水百分比量(WC≈96％)以及最低的淀粉含量。需要两种不同的HC，单独的HC不可以提供结构完整性，也不可以防止打印后的脱水收缩。如图2A中所示，不含HC的油墨1基本上是一种在挤压后散布的液体。因此，这种油墨既不用于质构分析(TPA)也不用于IDDSI测试。具有一种HC(XG＝1％重量/重量)的油墨2能够打印，但具有脱水收缩和不清楚的层，这被认为不能良好的用于3D打印，尽管仍可打印有结构。通过组合两种HC，即XG和LBG(油墨4)，防止了脱水收缩，并且可以分别用1％和2％(重量/重量)的XG和LBG实现很清楚的形状。在白菜油墨4和油墨5之间，油墨4由于更低的HC浓度被认为是最理想的配方。
为了改善吞咽困难患者的生活质量，一顿愉快、营养且安全的膳食是至关重要的。吞咽困难饮食的视觉呈现至关重要，因为在美学上令人愉悦的食物会导致增加的摄入量。在这方面，与广泛使用的硅氧烷模具相比，3D打印能够提供更好的呈现(图2B)。在图2B的照片中，打印了3D中国画，该3D中国画描绘了渔民在其船上，正离开他在山中的家。在WiibooxSweetin打印机上，船、小屋和宝塔是用胡萝卜油墨打印出来的，山是用豌豆油墨打印的，且渔夫的帽是用玉米油墨打印的。Foodini食物打印机无法打印定制设计。使用不同的挤压打印机进一步验证了食物油墨的适印性。
示例10C：食物油墨的脱水收缩(水散布)
脱水收缩指的是水从食物不期望的渗漏，这给予不吸引人的视觉呈现(图3B)。水的散布影响打印食物结构的整体完整性，并导致容易塌陷的不稳定的打印品。在这项研究中，采用了一种方法，通过测量一张沃特曼滤纸上被水润湿的面积来定量确定从3D打印食物渗漏的水量(图3C)。
与对照油墨1(WC＝80％)相比，菜园豌豆油墨2(WC＝85％)和油墨3(WC＝90％)具有更高的脱水收缩。在豌豆油墨4和豌豆油墨5中添加XG和KC降低了脱水收缩。与油墨2和油墨3相比，豌豆油墨5具有明显更少的渗水性。
与其余油墨相比，仅含XG的胡萝卜油墨2显示出较小的润湿面积。在胡萝卜油墨2的情况下，XG充当增稠剂和弱凝胶剂，其足以防止胡萝卜油墨2自身的脱水收缩(图3B)。与对照油墨1相比，胡萝卜油墨2显示出显著降低的脱水收缩。对于其余的胡萝卜油墨(油墨3、油墨4和油墨5)，与油墨2相比，两种HC的组合增加了渗水性，可能是因为KC阻碍了XG的水膨胀能力。
随着HC浓度的增加，白菜油墨展现出较少流体渗出的模式(图3A)。对于白菜油墨，因为已知XG和LBG形成柔软的弹性凝胶导致XG和LBG的协同凝胶作用，因此两种HC(油墨3、油墨4和油墨5)的组合显示出减少的脱水收缩。与对照油墨1相比，白菜油墨5具有明显更少的脱水收缩。
实施例10D：食物油墨的微观结构
不同食物油墨配方的扫描电子显微图突出示出了含HC和不含HC的泥之间的差异(图4A至图4C)。不含HC的菜园豌豆油墨1在SEM图像中显示出附聚物。含有XG和KC的豌豆油墨5显示出在水凝胶中典型观察到的网结构。豌豆油墨1和油墨5都表现出良好的打印质量(图2A)，这表明块结构(可能是由于淀粉含量)足以维持3D打印食物的结构完整性。对于胡萝卜油墨1(不含HC添加剂的对照泥)，观察到纤维和一些孔，层之间没有太多的相互连接。单独向胡萝卜油墨2添加0.3％(重量/重量)的XG，导致纤维相互连接并形成弱的凝胶状结构，这增强了油墨的机械稳定性以维持结构完整性。对于白菜油墨1(不含HC的对照泥)，与胡萝卜油墨相比，在微观结构中观察到的孔明显更大。通过添加XG和LBG，维持了白菜油墨4中的孔密度。然而，孔的尺寸减小，并且观察到纤维和片材的更多的相互连接。这是由于形成明显的凝胶状基质导致的，该凝胶状基质赋予用于3D打印的油墨机械稳定性。
实施例10E：质地特性
对打印的食物样品进行了质构分析(TPA)，且在图5中描绘结果。这些值已相对于组中的最高值进行了归一化。目前，尽管IDDSI提到了吞咽困难饮食在质地特性方面的某些参数，如硬度、粘合性、弹性等，但是关于包含蔬菜的吞咽困难饮食的TPA范围，没有明确的指南。换言之，硬度与内聚性之间没有相互关系，因为这两种质地特性与食物在口中处理的不同阶段相关联。IDDSI主要推荐定性评估，诸如叉子压强测试、勺子倾斜测试、注射器流量测试，以选择合适的吞咽困难饮食。对于豌豆油墨，包含最高浓度的HC(XG、KC＝0.3％重量/重量)的油墨，即油墨5的硬度值最高，并且在油墨3(WC＝90％)中观察到最低硬度。能够以漂亮的3D形状打印的豌豆油墨1具有最高的粘合性和胶粘性。高粘合性可能是豌豆油墨1的优异打印分数的原因。半固体食物由具有低硬度和高内聚性值的胶粘性代表，对于吞咽困难饮食是理想的。油墨1具有最高的胶粘性值。对于胡萝卜，具有最小XG和KC浓度的油墨3具有最高的硬度。仅含XG的油墨2在所有胡萝卜油墨中胶粘性最大，再次表明其适合作为吞咽困难的食物。针对硬度、粘合性、胶粘性、弹性和咀嚼性，白菜油墨5具有最高的值，这些值与最高浓度的HC(XG＝1％、LBG＝2％重量/重量)很好地相关。XG和LBG能够形成柔软的弹性凝胶并以协同的方式起作用。其余的白菜油墨显示类似的模式。认为油墨4是在打印分数方面最好的配方，油墨4具有足够高的硬度的值、胶粘性的值、粘合性的值。
IDDSI将食物分类为8个级别(0-7)：0-3级别用于增稠饮品，并且4-7级别用于泥状的、切碎的且潮湿的、软的一口大小的且易于咀嚼的食物。食物能够通过多次IDDSI测试进行分类。由于泥能够流动，并且3D打印品也与准备用于咀嚼的软食物类似，因此使用IDDSI叉子压强测试和勺子倾斜测试对食物油墨进行了进一步的表征。代表性结果在图6A和图6B中所示，并且完整的测试结果在图6C和图6D中所示。勺子倾斜测试用于确定食物的粘滞性(粘合性)和保持在一起的能力(内聚性)。根据勺子倾斜测试和叉子压强测试，可以得出结论：食物油墨是过渡食物(IDDSI，2019年)，因为它们开始具有柔软和固体3D打印结构，但在施加压强时分解或变平坦。打印的食物也可以在水/唾液接触时融化并变形。然而，要被标记为吞咽困难饮食，这些3D打印的食物需要得到相关监管机构的认证。
示例11：讨论
目前，模具用于成形泥状食物，这需要大量的人力投入、在装盘期间更密集的人工处理、对塑料进行更多的存储和更频繁的利用。本3DFP方法为这些问题中的一些或全部提供了替代的更好的解决方案。在一个示例中，10％重量/重量的XG用于由冷冻干燥的菠菜粉末制备食物油墨供3D打印。也已经3D打印出了西兰花、菠菜和胡萝卜粉末，但使用的HC的量在10％的范围内，这是非常高的，并导致味道变化。香气和味道知觉随着HC浓度的增加而降低。XG的添加已经显示出降低蔗糖、柠檬酸和咖啡因溶液的甜味、酸味和苦味的感知强度。与较软的凝胶相比，对于具有高HC浓度的硬凝胶，感知的风味知觉较低，并且需要更长的时间来建立味道。与现有的由冷冻干燥粉末(除了捣碎的/泥状的土豆)制备植物基食物油墨的方法相比，基于蔬菜泥的本方法能够涉及不超过2％重量/重量的低总使用量的HC。不使用或使用非常少量的HC可以有利于患者使他们对3D打印食物的味道的知觉变化，使食物更可口。
在不需要HC作为稳定剂或增稠剂的情况下，打印三种代表性蔬菜中淀粉含量最高的菜园豌豆(WC＝80％)，并且菜园豌豆表现出最少的水渗漏。由于较高的水含量(90％)，胡萝卜需要一种HC，0.3％重量/重量的XG，以供良好的打印结果，而具有几乎可忽略不计的淀粉含量和最高水含量(≈96％)的白菜需要2种HC，XG和LBG，以打印稳定的形状。这种加工和调节质地特性的方法能够应用于具有相似淀粉和WC％的其他蔬菜。能够像菜园豌豆一样，在不需要HC添加的情况下，加工土豆、玉米、甘薯。能够以与胡萝卜相似的方式处理(仅使用单独的HC)具有中等淀粉含量的甜菜和芜菁，而能够通过添加两种HC的组合对具有低淀粉含量和高水含量的绿叶类蔬菜，如菠菜、甘蓝，加工以供打印。然而，因为每种食物可以具有与HC不同的物理和化学性质相互作用，因此，针对任何食物油墨的理想配方可以根据具体的食物类型、HC和所用的打印机的类型进行相应的配置。
示例12A：利用菜园豌豆、胡萝卜和白菜的、使用其他量的水胶体的进一步示例和
比较
在上面的示例1和示例2中已经描述了这个示例中植物油墨的配方和水含量的测量。
将不同量的水胶体，即黄原胶、κ-角叉菜胶(KC)和刺槐豆胶(LBG)以不同的浓度添加到泥(参见下文)。用手动共混器将泥和这些胶充分混合，并用保鲜膜密封包含油墨的烧杯，以避免水分的损失。然后对于包含KC的油墨和包含LBG的油墨，分别以72℃和90℃将烧杯保持在水浴中30分钟。然后在打印前将油墨冷却到室温或者存储在冷藏室中以备将来使用。这个示例中的油墨与上面表1的不同之处在于：额外测试了来自本示例的胡萝卜油墨4(其包括0.5％的XG)、胡萝卜油墨5(其包括0.7％的XG)和白菜油墨3(其包括0.7％的XG和0.7％的LBG)。
以下配方用于针对菜园豌豆的3D打印测试模型：
a)具有水含量＝80％的豌豆泥(油墨1/对照)；
b)具有水含量＝85％的豌豆泥(油墨2)；
c)具有水含量＝90％的豌豆泥(油墨3)；
d)具有水含量＝80％以及0.1％的XG和0.1％ KC重量/重量的豌豆泥(油墨4)；
e)具有水含量＝80％以及0.3％的XG和0.3％的KC重量/重量的豌豆泥(油墨5)。
以下配方用于针对胡萝卜的3D打印测试模型：
a)具有水含量＝90％的胡萝卜泥(油墨1/对照)；
b)具有水含量＝90％以及0.3％的XG重量/重量的胡萝卜泥(油墨2)；
c)具有水含量＝90％以及0.3％的XG和0.3％的KC的胡萝卜泥(油墨3)；
d)具有水含量＝90％以及0.5％的XG和0.5％的KC的胡萝卜泥(油墨4)；
e)具有水含量＝90％以及0.7％的XG和0.7％的KC的胡萝卜泥(油墨5)。
以下配方用于在WC≥96％时针对白菜的3D打印测试模型：
a)具有0.7％的XG和0.5％的LBG重量/重量的白菜泥(油墨1)；
b)具有1％的XG和1％的LBG重量/重量的白菜泥(油墨2)；
c)具有0.7％的XG和0.7％的LBG重量/重量的白菜泥(油墨3)。
对于植物油墨的3D打印，FOODINI(自然机器)，一种基于挤压的商业3D食物打印机，用于打印不同植物油墨的3D样品。该打印机具有5个胶囊，这5个胶囊能够容纳100毫升的原料和3个喷嘴尺寸，0.8毫米、1.5毫米和4毫米。针对我们的实验，使用了1.5毫米的喷嘴。在预测试中充分设置了打印速度、挤压速率和其他参数，以获得最佳打印品。将样品保持30分钟，以观察形状和结构的保真度，并使用安卓智能手机对样品拍照。
为了脱水收缩表征，通过取1克泥并将其放在沃特曼4级滤纸的中心处来进行水渗漏实验。以厘米为单位测量水覆盖的距离。
对于流变特性测量，通过使用旋转流变仪-Discovery HR-2，即DHR(美国TA仪器)，进行流变实验。使用20毫米的几何形状，其中间隙为1000微米。在0.01秒-1至1秒-1的剪切速率下对食物油墨进行流动斜坡测试。以1赫兹的频率进行振荡振幅实验，以确定油墨的屈服应力。对每个样品进行三次，并表示平均数据。
在graph pad prism软件中绘制数据，并使用t检验进行分析。将显著性结果报告为p值小于0.05。
示例12B：对示例12A中菜园豌豆的讨论
针对食物油墨的3D打印的要求是：挤压通过打印机喷嘴以及沉积后的结构形成，其中沉积层融合并粘附到之前打印的层。形成的结构具有合适的强度以保持打印的形状。制备了五种不同的配方，其中三种具有不同的水含量百分比，没有添加任何增稠剂或水胶体，并且另外两种食物油墨具有两种水胶体组合(图7A)。水含量为80％的对照泥可以打印出漂亮稳定的结构，而不会塌陷或水从侧面渗漏。在对豌豆中水含量研究时，这种配方接近冷冻菜园豌豆中发现的水分百分比。当WC％增加5％和10％时，可以打印模型形状，但是打印品中的层在结构上不良好，并且在打印时，可以观察到脱水收缩，其中从打印模型的侧面出现水渗漏。图9A表示滤纸上食物油墨引起的水的散布(脱水收缩)。随着WC％的增加，食物油墨中存在的水行进的距离增加，并且添加水胶体防止了散布的程度。
为了发生挤压，油墨应该显示剪切稀化特性，即当施加剪切时，油墨应该变稀薄并流动，并且一旦去除剪切，它们就应该形成自支撑结构而没有太大变形。为了发生这一点，油墨在剪切下应具有低粘度，表现出假塑性行为。在施加0.01秒-1至1秒-1的剪切速率时，所有食物油墨配方都表现出剪切稀化行为。针对XG和KC＝0.3％的油墨获得最高粘度，而针对90％ WC的油墨观察到最低粘度(图8A)。
屈服应力是为启动材料的流动而施加的最小量应力，就3D打印而言，该应力应足以允许材料从喷嘴挤压出，并且该应力不会太强，以至于食物油墨无法再次重新形成。较高的屈服应力通常导致良好成形的打印品。测量的豌豆食物油墨1的屈服应力明显高于油墨2和油墨3，这与它可以被均匀挤压并且结构保持其形状的事实有关。在以0.3％重量/重量添加水胶体的情况下，可以挤压油墨，但是打印的模型的质地不光滑(图8B)。
由于水胶体(HC)改变食物的流变特性的能力，即粘度和质地，因此，已经使用了水胶体(HC)，这使得HC能够充当增稠剂和凝胶剂、乳化剂、稳定剂等。大多数HC需要水合步骤才能发挥作用，这涉及在高温下(例如，KC＝72℃、LBG＝90℃)对包含HC的溶液加热约30分钟。
在本文中，展示了在一定的水含量百分比(80％)下，对于煮过的菜园豌豆，不需要添加任何水胶体。3D打印的形状是自支撑的，具有良好的分层结构，稳定超过30分钟，没有太多脱水收缩。因为没有HC，所以不需要额外的双重加热/煮的步骤，从而防止任何水分或营养损失。此外，3D打印食物的味道对于吞咽困难患者来说是最重要的。如果3D打印的泥状食物尝起来像最初的原材料，则它可以在他们的饮食中得到更好地消费，并且消费者知觉也喜欢不添加任何HC。菜园豌豆蔬菜可以通过不同的油墨配方获得最佳的3D打印品。在这种情况下，能够选择具有最少外部改变剂的配方。
示例12C：对示例12A中胡萝卜的讨论
用已经调节水含量为90％的、煮过并烹饪的胡萝卜泥配制五种食物油墨(图10B)。可以打印没有任何HC的油墨1(对照泥)，但是在打印该结构的几分钟内，打印品开始沿着边缘渗漏水(图10A)。在添加作为热稳定的增稠剂的黄原胶(XG不需要高温活化步骤)的情况下，抑制了渗水(脱水收缩)(图11)，并因此观察到打印后结构稳定性增加(图10A)。由于增加了水的相互作用，XG还为油墨提供了更乳脂状的质地。图12示出了脱水收缩测量，由此通过以0.3％重量/重量添加XG，水渗漏在很大程度上得到控制。与如KC的其他HC结合时，与对照相比，水渗漏较少，但不如单独使用XG有效(图12)。
观察到XG添加对胡萝卜油墨(油墨2)的粘度的有趣影响，由此与对照相比粘度降低(图13B)。与对照和油墨2相比，其余油墨配方具有更高的粘度。观察到的最高粘度是XG和KC的双HC组合(油墨5)。就形状和结构完整性而言，胡萝卜油墨2和油墨3获得最理想的打印品(图10A)。随着粘度的增加，很难用相同的压强挤压油墨。XG为0.3％的油墨2的屈服应力显著低于对照。油墨2的粘弹特性使其非常适合3D打印。
示例12D：对示例12A中白菜的讨论
白菜属于具有高水含量的绿叶类蔬菜。通过以不同重量/重量百分比添加三种HC——XG、LBG和LG，来测试三种不同配方的油墨用于打印(图14)。具有LG和LBG的油墨3具有可见的脱水收缩，油墨1和油墨2打印品没有水渗漏，但是油墨2具有相对更好的结构和分层。所以，添加两种HC对于3D打印白菜可能是必要的。
示例13：商业应用及潜在应用
本食物油墨成分和方法提供了由新鲜蔬菜和/或水果制备、用于3D食物打印的食物油墨的分类方法。这至少对于改善吞咽困难患者的饮食要求是有利的。
吞咽困难是一种在吞咽的口咽或食管阶段期间、导致食物的通过异常延迟的疾病，其周期性每年或随每次尝试而变化。其中一个方法可以是通过营养和饮食改变。通过使用硅氧烷模具制成的质地改变的食物形状对感官来说不是很有吸引力，并且往往在再现性、成本、耗时和安全性方面存在问题。本方法涉及3D食物打印，能够采用本方法通过定制食物设计和个性化营养来增加此类患者的食物摄入量。具有改变的质地特性、供老年人安全消费的、增强的视觉吸引力食品是非常有利的。
3D打印的蔬菜在视觉上和营养上为吞咽困难患者带来了全新的用餐体验。相反，现有的蔬菜来源涉及专门加工的蔬菜粉末，该蔬菜粉末需要添加更高含量的水胶体进行3D打印，并且可能被视为“罐装的蔬菜”。当使用现有的方法/技术时，由于混合的结果，新鲜生蔬菜的3D打印可能仍然是挑战。一些蔬菜(如玉米)共混后似乎比许多其他蔬菜更加可打印。在本公开中，针对在共混后的不同流变行为，研究了使用不同的水和具有不同淀粉含量的新鲜蔬菜，导致适印性变化。因此，本方法基于新鲜蔬菜的水含量和淀粉含量将新鲜蔬菜配置成具有针对适印性的流变行为。本方法解决了使用现有技术打印特定蔬菜时的混合结果。
本食物油墨和方法建立了一种对不同蔬菜进行分类的独特方式，每种蔬菜具有不同的水含量和淀粉含量，以使它们能够3D打印。蔬菜的淀粉含量越高且水百分比越低，油墨配方中所需的HC就越少。本食物油墨和方法的显著性之一在于：使用未脱水的蔬菜以及最少量的HC来打印在美学上令人愉悦且可口的食物，同时保留营养和风味。
加工新鲜蔬菜的本方法论能够很好地用于医院、疗养院、日间护理中心，用于患有吞咽困难和其他吞咽障碍的老年人群。换句话说，本食物油墨和方法能够应用于加工新鲜蔬菜，用于针对吞咽困难的人的医院、养老院的安全和营养消费。所有上述原因证明了针对本3DFP使用新鲜和未加工蔬菜是合理的。
虽然已经参考具体实施例特别地示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围的情况下，在本文中可以在形式和细节上进行各种更改。因此，本公开的范围由所附权利要求书来表示，并且，在权利要求书的含义和等效范围内的所有更改因此都将被包含在内。
Claims (15)
1.一种用于吞咽困难患者消费的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，所述可食用且可3D打印的植物基油墨成分包括：
蔬菜泥和/或水果泥，其中，所述蔬菜泥和所述水果泥不是冷冻干燥的，并且包含一种或更多种水胶体；或者
蔬菜泥和/或水果泥，其中，所述蔬菜泥和所述水果泥不是冷冻干燥的；
其中，所述一种或更多种水胶体中的每一者以基于所述蔬菜泥和/或所述水果泥的10重量％或更少的量存在。
2.根据权利要求1所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，所述蔬菜泥和/或水果泥包括淀粉类蔬菜、根类蔬菜或叶类蔬菜。
3.根据权利要求1或2所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，所述一种或更多种水胶体包括黄原胶、κ-角叉菜胶或刺槐豆胶。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，
所述蔬菜泥包括豌豆；并且
所述一种或更多种水胶体包括黄原胶和/或κ-角叉菜胶。
5.根据权利要求4所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，所述黄原胶和所述κ-角叉菜胶分别以基于所述蔬菜泥的0.1重量％至0.3重量％的量存在。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，
所述蔬菜泥包括胡萝卜；并且
所述一种或更多种水胶体包括黄原胶和/或κ-角叉菜胶。
7.根据权利要求6所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，所述黄原胶和所述κ-角叉菜胶分别以基于所述蔬菜泥的0.3重量％至0.7重量％的量存在。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，
所述蔬菜泥包括白菜；并且
所述一种或更多种水胶体包括黄原胶和/或刺槐豆胶。
9.根据权利要求8所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分，其中，所述黄原胶和所述刺槐豆胶分别以基于所述蔬菜泥的0.5重量％至2重量％的量存在。
10.一种形成根据权利要求1至9中任一项所述的可食用且可3D打印的植物基油墨成分的方法，所述方法包括：
提供蔬菜和/或水果的泥；
将所述泥过筛，以去除堵塞3D打印机的喷嘴的任何固体颗粒；以及
将所述泥冷却到室温，以供3D打印。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，提供所述泥包括：
煮或蒸所述蔬菜和/或所述水果；以及
在所述煮或所述蒸后，共混所述蔬菜和/或所述水果以形成所述泥。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：将所述泥与一种或更多种水胶体混合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一种或更多种水胶体包括多于一种的水胶体。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：在与所述泥混合之前，将所述多于一种的水胶体干混。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，还包括：在以下温度下，温育包括所述泥和所述一种或更多种水胶体的混合物：
在70℃至75℃的温度下，其中，所述一种或更多种水胶体包括κ-角叉菜胶；或者
在90℃至95℃的温度下，其中，所述一种或更多种水胶体包括刺槐豆胶。
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