高齢者が飲み込みやすい食品製造分野における新しい3Dプリント技術の研究の進展

出典: フレッシュフードリサーチ

食品添加物製造（3D/4D/5Dプリント）研究は、江南大学食品科学工学部の張敏教授チームの主な研究方向の1つです。研究対象には、果物や野菜、穀物や油、魚、藻類、牛乳などの生鮮食品原料のほか、食用コロイド、デンプン、タンパク質、多糖類などの原料が含まれます。近年、彼は最初の完成ユニットとして、新鮮な食品原料に基づく付加製造に関する約100本の論文をSCIジャーナルに発表しました（張敏教授が責任著者です）。 3D 食品プリントでは、食品ゲルシステムを使用して、特定のグループの人々向けに最適化された個別の食事の設計と製造をカスタマイズし、特定のニーズを満たして健康を促進します。ここでは、近年の高齢者向けの飲み込みやすい食品印刷の分野における当チームの新たな技術研究の進捗状況を紹介します。

1. 高齢者向けの飲み込みやすい食品のための3Dプリント技術の研究の進展 協調運動障害、筋力低下、脳卒中、その他の関連疾患による健康状態の悪化により、高齢者の中には食べ物を食べたり飲み込んだりすることが困難になる人もいます。低粘度の食塊は流量の増加をもたらし、硬直した咽頭が長時間閉じることができず、誤嚥につながる可能性があります。一方、高粘度の食塊は飲み込むのに余分な労力が必要となり、咽頭に残留物が残るため、窒息の危険性が高くなります。印刷された材料のレオロジー特性は、材料の印刷性や構造安定性への影響を特徴付けるだけでなく、咀嚼や嚥下の快楽への全体的な影響を示し、嚥下障害のある高齢者にとって快適で安全な食物消化を確保するために使用されます。食感特性（硬さ、凝集性、ゼラチンなど）と国際嚥下障害食事標準化イニシアチブ（IDDSI）が推奨するテスト（グレード4～7に適合）を使用して、嚥下障害患者に対する印刷サンプルの適合性を評価し、印刷された高齢者向け食品の食感のカスタマイズと分類を可能にしました。これを踏まえて、高齢者の嚥下食設計に関する当チームの研究進捗状況を紹介します。

図1. 国際嚥下障害食標準化イニシアチブ（IDDSI）：嚥下食品グレードの試験方法
1.1 親水性コロイドの添加による高齢者向け印刷食品の嚥下性改善に関する研究 コロイド（デンプン、タンパク質、食品添加物）を添加すると、材料のせん断減粘特性が向上し、印刷プロセス中に材料をスムーズに押し出すことができるようになるだけでなく、粘度が低くなるため噛んだときに安全かつ飲み込みやすくなり、患者に心地よい食感を提供します。さらに、食塊の高弾性（G'＞G''）は、嚥下時に舌で食塊を容易に咽頭に押し出すのに役立ち、食塊の逆流を防ぎます。また、降伏応力が高いと、噛んだ食物の急速な変形と流速が遅くなり、食物が適切に食道に入るようになります。張敏教授のチームは、3Dシングルノズル印刷技術を使用して、リンゴとバラを新しい原料として嚥下障害食品を調製しました。リンゴと食用バラの混合物にコロイド（キサンタンガムとバジルシードガム）を適切な組み合わせで加え、嚥下障害やその他の嚥下障害のある高齢者向けの食事を設計するために使用できます。さらに、研究チームは3Dプリントのデュアルノズル技術を使用して、伝統的な中国の食べ物（小豆入りの月餅、緑のおにぎり、蒸しパン）の開発をシミュレートし、ハイドロコロイドを追加することで食べ物の飲み込みやすさを改善しました。

図 2. リンゴと食用バラの混合物を嚥下障害食として 3D プリントする研究図 3. ハイドロコロイドを追加して嚥下障害食として 3D プリントした小豆餡入り緑色ボールを設計する可能性図 4. 油とハイドロコロイドを追加して飲み込みやすい小豆餡入り月餅を設計

1.2 高齢者向けの飲み込みやすい食品の全体的な品質を向上させるための印刷パラメータの調整に関する研究の進捗状況 テクスチャ特性は充填密度（充填率）と密接に関係しており、続いて円周とノズルサイズが続きます。最初の 2 つは多孔度を変更することでテクスチャを変更しますが、ノズルのサイズは多孔度だけでなく堆積層の数も変更するため、間接的にテクスチャ特性に影響を与えます。張敏教授のチームは、マッシュポテト、玄米、ヤムイモ、カボチャなどを印刷材料として使用し、印刷パラメータを調整することで内部設計を変更し、制御可能な食感と高い形状忠実度を備えた3Dプリント食品を得ることができることを証明しました。また、参考として定量的記述のための線形回帰モデルと多項式モデルも提供しました。同時に、張敏教授のチームは、材料の制御された堆積と多様な食感と多様な風味の製品の作成を実現するために、マッシュポテトとイチゴジュースを材料として使用し、マルチプリントヘッドプリンターを使用して、より幾何学的な複雑さと魅力的な外観を備えた非常に魅力的なマルチマテリアル構造を製造しました。

図 5. 印刷パラメータ (充填率、充填パターン、周囲) とテクスチャ特性 (硬さまたはゼラチン) の関係図 6. マルチマテリアル構造の印刷パラメータ (充填率) とテクスチャ特性 (硬さ) の関係 (外側: イチゴジュースゲル、内側: マッシュポテト)
2. 物理的な場を利用した加工技術による高齢者向け嚥下食の印刷特性と総合品質の向上に関する研究の進展

2.1 超音波支援加工 超音波前処理によりデンプンゲルシステムの粘度を下げ、インクがスムーズに押し出されるようにします。同時に、超音波前処理によりデンプンゲルシステムの粘度と膨潤も改善されるため、印刷されたサンプルは長期間安定した状態を保つことができます。研究チームは、すり身印刷材料の解凍を補助するツールとして超音波技術を使用し、解凍時間を13.5%～40.4%短縮しただけでなく、筋原線維タンパク質の二次構造と三次構造へのダメージを軽減し、すり身の3D印刷性能と食感特性（100kHzの周波数で最高の硬さ、弾力性、噛みごたえ）を向上させ、高齢者向けの飲み込みやすい魚肉食品の印刷の基礎を築きました。

図7. 超音波前処理によりすり身の3Dプリント性能と食感特性が向上する
2.2 マイクロ波を利用した処理 マイクロ波はデンプン系の水分を分散させ、デンプンをゼラチン化し、生地の硬度を高めることができます。硬度の増加はシステムの機械的支持性能の向上を反映し、弾性の増加は製品の形状維持と噛みごたえの向上に役立ちます。張敏教授のチームは、イチゴと大豆タンパク質分離物を原料として使用し、塩とマイクロ波処理を利用して、印刷精度とインクシステムの自立性能を大幅に向上させ、低ワット数のマイクロ波の悪影響を最小限に抑えながら、食品の風味成分の最大限の放出を促進しました。研究チームはまた、塩化カルシウムとマイクロ波前処理を使用してソバペクチンゲルシステムを前処理し、30秒でソバデンプンペクチンゲルシステムの粘度を大幅に低下させ、ゲルがノズルから押し出されやすくしました。これにより、印刷精度が向上するだけでなく、粘度が低下することで嚥下障害のある患者に心地よい食感を提供することもできます。研究チームはまた、電子レンジ加熱を利用して、噛みごたえが少なく凝集力が高い3Dプリントの餡パンのデザインを実現し、高齢者向けの飲み込みやすい食品やその他の特別なニーズのある食品の開発に新たなアイデアを提供しました。

図8. 塩化カルシウムとマイクロ波前処理がそばペクチンゲルの特性に与える影響図9. マイクロ波蒸し後の3Dプリント小豆饅頭のテクスチャ分析
チーム紹介「新鮮食品研究」チーム（旧江南大学「新鮮食品加工・保存」研究チーム）は1997年10月に設立され、江南大学食品科学工学学院に所属しています。江南大学の「ダブルファーストクラス」建設の「食品科学と工学」重点分野、江蘇省の「生鮮食品知能加工と品質管理」国際共同実験室、「生鮮食品の加工と保存」シリーズの国際セミナー学術委員会、および中国商工会議所の「生鮮食品の加工と保存」重点実験室を頼りに、チームは生鮮食品分野での探求と開発を続けており、現在までに200人以上の大学院生/ポスドクを育成し、卒業させています。チームの主な研究方向は、(1)生鮮食品の乾燥/冷凍/殺菌/保存/揚げの新しい技術的メカニズムと工学的応用、(2)生鮮食品の品質のインテリジェント検出の新しい技術的メカニズムと応用、(3)新鮮な原材料に基づく食品添加物製造(3D/4Dプリント)の新しい技術的メカニズムと応用です。

張敏教授のチームが最近、訪問中の外国人教授たちと写真を撮った。

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