口感顺滑的苹果“章鱼”、菠菜“小海豚”、番茄“金字塔”以及保持柔滑不结晶的冰淇淋……这些无论是为患有吞咽障碍（Dysphagia）的人群设计的特殊饮食，还是日常餐桌上的美味，都有纤维素纳米晶的助力的身影。
纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals, CNC）作为从天然纤维素中提取的纳米级材料，以天然无毒、可生物降解、生物相容性优异、高强度与低密度等特性，在食品领域展现独特价值。
CNC可从植物纤维、细菌纤维素或藻类中通过酸解等工艺提取，去除非晶区域后形成高度结晶的纳米结构。事实上，纤维素衍生物早已在食品工业中作为增稠剂、膳食纤维补充剂及低热量填充剂应用。以下详细解析CNC如何切实提升饮食体验：
吞咽困难饮食的需求正在迅速增长。吞咽困难会增加进食时食物误入气道或窒息的风险，因此，这类饮食通过调整食物的质地、黏度和形态，使食物更易于咀嚼和吞咽。根据不同的吞咽障碍程度，吞咽困难饮食通常分为不同的质地等级，例如流质、泥状或软固体，以减少进食时的窒息和呛咳风险。这种饮食方案常用于老年人、神经系统疾病患者（如中风、帕金森病等）或某些手术后的康复患者。由于大多数食物都变成了糊状，这在视觉上并不吸引人，会降低患者的食欲，带来营养不良的风险。三维食品打印技术的出现，有望为吞咽障碍患者提供更优质的解决方案，使食品既具吸引力的外观，又能量身定制营养成分。三维打印（three-dimensional printing）又称增材制造（additive manufacturing, AM），是通过逐层构建方式制造高度复杂几何形状定制部件的技术。近年来，研究人员将AM技术拓展至食品生产领域，即“三维食品打印”，其主要通过基于挤压的工艺（如熔融长丝制造）、直接墨水写入（direct ink writing, DIW），以及烧结和粘合剂喷射等方法实现。其中，直接墨水写入（DIW）3D打印因具备成本优势和材料选择广泛的开放框架特性，成为可食用3D打印领域的热门技术选择。然而，由于许多潜在可食用原料（如食品泥）的粘度过低，限制了适合 DIW 3D 打印的食品范围。对此，研究人员通过将食材与食用的流变改性剂结合，来增稠食物糊状物，使其可以被挤出并保持特定形状。常见的增稠剂包括胶原蛋白衍生物和马铃薯淀粉。然而，这些添加剂可能会改变打印食品的营养成分，比如马铃薯淀粉会增加碳水化合物含量，明胶则会增加蛋白质含量。此外，这些增稠剂还可能影响食物的风味，并增加营养定制的难度。佐治亚理工学院的康纳·D·阿姆斯特朗（Connor D. Armstrong）及其团队开展了一项关于3D食品打印的深入研究。他们选用了苹果泥、菠菜泥和番茄泥作为可食用打印墨水的基底，旨在通过引入纤维素纳米晶体（CNC）展示食品打印的多样性。团队在食品泥浆中分别加入2.5%、5%和7.5%的冷冻干燥CNC，并使用手动搅拌器预混后，再在磁力搅拌板上搅拌6小时，以确保油墨均匀。实验表明，CNC的添加显著增加了泥浆的黏度，使其具备剪切稀化特性，适合于分层3D打印。团队使用不同喷嘴打印出复杂的结构，并通过冷冻干燥使成品结构稳定不变形。CNC的增粘特性使传统上由于低黏度和高含水量而难以打印的食品泥浆，具备了可食用的DIW 3D打印性能。将生食转化为可打印食用结构的过程。（a）将苹果制成苹果泥，用CNC 混合，产生剪切稀化、可打印的油墨。（b）在切片软件中处理后的章鱼模型的正面和等距视图。（c）用于打印可食用结构的 DIW 3D 打印机。（d）打印后直接在苹果酱中呈现的章鱼模型。（e）用于从冷冻结构中升华冰晶的冻干机。（f）冷冻干燥的最终产品。印刷后的可食用结构（上图）和冻干后的可食用结构（下图）。(a)使用苹果酱（左）、菠菜（中）和番茄（右）油墨印刷的章鱼，CNC 浓度为 5%。(b) 使用 7.5% CNC 浓度的苹果酱（左）、菠菜（中）和番茄（右）油墨打印的章鱼。(c)使用 CNC 浓度为 5%的苹果酱（左）、菠菜（中）和番茄（右）油墨打印的金字塔模型。(d) 使用 CNC 浓度为 7.5% 的苹果酱（左）、菠菜（中）和番茄（右）油墨打印的金字塔模型。(e)展示高粘度番茄油墨（CNC 浓度为悬垂效果的晶格。(f) 从侧面和顶部观察，在纯数控（12.5%）凝胶层（白色）中含有 7.5% 数控苹果酱油墨（黄色）的多材料印刷食品 “豆荚”。(g) 冻结干燥后的相同多材料结构。结合实验和图像分析，研究人员对所制食品油墨的可打印性进行了量化验证，并打印出多种复杂形状，充分展示了CNC的增粘效果和应用潜力。CNC不仅改善了食品的3D打印性能，还额外提供膳食纤维。研究结果表明，CNC作为一种新型流变改性剂，为可食用3D打印开辟了更广泛的应用前景。最近，蒙特利尔理工学院的张博士（Chi Zhang）和其他研究人员发现，CNC 可提高各种蛋白质/多糖支架的热稳定性，并提高油墨的粘度、屈服应力和自支撑能力。打印效果的提高（包括更高的形状保真度和保留率）归因于纤维素纳米晶体与蛋白质/多糖之间的氢键增强了 3D 网络。通过 CNC 添加和不同的后沉积温度可以调节打印食品支架的质地特性。
(a) 使用蛋白质/多糖混合凝胶墨水的单一材料和 (b) 使用两种不同蛋白质/多糖混合凝胶墨水的多材料 DIW 3D 打印过程的示意图这不仅能够适当控制和个性化食品质地和营养以满足吞咽困难饮食要求，而且能够实现吸引人的食品设计，从而潜在地改善患者的食欲。该研究的结果为使用 3D 打印技术塑造具有蛋白质/多糖混合系统的吞咽困难食品配方提供了指导，这些配方适用于医院、空间站甚至家庭厨房。此外，研究人员还将进一步探索结构和形状设计（如填充百分比和填充类型）对食物质地的影响，以充分挖掘 3D 食品打印在吞咽困难饮食方面的潜力。所有冰淇淋均含有冰晶，但理想状态下，冰晶颗粒需尽可能细小，才能保证口感柔滑而非硬脆。当冰淇淋经历融化再冻结的“重结晶”过程时，问题便会显现：若重新冻结形成的冰晶直径超过50微米，冰淇淋会随时间推移逐渐产生令人不适的糖霜状颗粒质地，显著降低消费体验。因此，精准调控冰晶的形成与生长机制，是保障高品质冷冻食品品质的关键技术要点。美国田纳西大学诺克斯维尔分校的吴涛（Tao Wu）教授团队发现，纤维素纳米晶体可有效抑制冰的再结晶过程。这一创新方法的灵感源自抗冻蛋白——自然界中某些生物能在零度以下环境生存，正是依靠自身产生的兼具亲水与疏水特性的抗冻蛋白。然而，抗冻蛋白因生产成本高昂且供应受限，实际添加至冰淇淋等食品中并不现实。尽管业界常以瓜尔胶等多糖类物质作为替代稳定剂，但效果往往不尽如人意。吴教授指出：“传统稳定剂的稳定性能易受储存温度、时间及其他成分浓度等多因素影响，这导致其在某种产品中可能效果显著，而在另一种产品中却表现欠佳。”与之不同的是，纳米级纤维素晶体同样具备两亲性特质，且可从农业与林业副产品的植物细胞壁中提取，具有成本低廉、储量丰富且可再生的显著优势。该团队对两种纳米纤维素产品进行测试后发现：纤维素纳米纤维（CNF）无法有效抑制最大冰晶的形成，而纤维素纳米晶体（CNC）则能显著抑制冰的再结晶过程。实验数据显示，CNC可通过阻止微小冰晶聚集成大晶体来维持冰淇淋质地——在含25%蔗糖的冰淇淋模型中，初期添加CNC与否对冰晶大小无显著影响，但经过数小时储存后，未处理样品中的冰晶持续增大，而CNC组完全抑制了冰晶生长。
进一步研究揭示，CNC的作用机制与抗冻蛋白高度相似：通过表面吸附效应附着在冰晶表面，阻止冰晶融合生长。这种纳米级晶体凭借两亲性结构（兼具亲水与疏水特性），如同天然抗冻蛋白的“人工替代物”，在冷冻体系中构建起抑制晶体生长的物理屏障。
研究人员冷冻了蔗糖溶液，以观察纤维素纳米晶体（CNC）是否能减缓冰晶的生长。一周后，含有 CNC 的溶液（右图）中的冰晶没有不含 CNC 的溶液（左图）中的冰晶大。
当样品经历温度波动（如冰淇淋在超市储存后被带回家的场景）时，CNC的保护效果显著优于现有稳定剂。研究团队还发现，这种添加剂既能抑制冰晶再结晶，又能减缓冰晶融化速率，可用于开发慢融型冰淇淋产品。值得关注的是，该稳定剂在食品应用所需浓度下具备安全性，但作为食品添加剂仍需通过监管审查。
随着研究深入，CNC未来不仅可能用于更多食品的品质保护，还有望在生物医学领域拓展应用，如细胞、组织及器官的低温保存场景。
Reference:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0144861711009258
https://www.sciencenews.org/article/ice-cream-crystals-grainy-nanocrystals-cellulosehttps://www.chemistryviews.org/details/news/11345267/Cellulose_Nanocrystals_Prevent_Recrystallization_in_Ice_Cream/https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0268005X21004276
来源：as科学艺术研究中心
编辑：亦山
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