2026年4月3日，河南科技大学食品与生物工程学院段续教授团队在JCR分区一区期刊International Journal of Biological Macromolecules （IF:8.5）上在线发表了题为“Effects of microwave freeze drying on the shape fidelity, anti-digestion and physicochemical properties of 3D-printed chlorogenic acid-sweet potato starch”的研究型论文。
3D打印技术通过精准的材料堆积实现高精度食品成型，在营养定制和个性化设计中推动功能性食品创新。通过调控原料和结构，可适配特定人群需求，如针对吞咽障碍人群的蛋白改性配方、面向儿童的营养强化零食，以及适用于肥胖人群的抗消化型食品。当前研究主要集中于通过物理改性和成分添加来优化食品墨水的功能性。
然而，3D打印食品因水分流失易发生结构变形且易腐败，需通过干燥等后处理提升其稳定性。传统干燥方法可能破坏热敏成分，而真空冷冻干燥（FD）虽能保护成分却能耗较高。微波冷冻干燥（MFD）结合微波快速加热与冷冻升华优势，在多项研究中显示出高效节能、更好保留活性成分的特性，因此具有作为3D打印食品固化后处理技术的潜力。
多酚-淀粉络合是调控淀粉消化特性的有效策略。前期研究表明绿原酸（CA）可提升CA-红薯淀粉（CA-SPS）制品的打印精度和抗消化特性，但其高效固化仍面临挑战。目前MFD参数对CA-SPS制品品质的调控机制尚不明确。
本研究旨在探究MFD功率密度对3D打印CA-SPS样品品质特性的调控作用。具体而言，配制含1.0 wt% CA的20 wt% SPS悬浮液，在80°C水浴中糊化后，采用喷嘴直径0.84 mm、挤出温度60°C、打印速度15 mm/s、填充密度30%的参数，通过3D打印机制备25×25×6 mm的长方体网格结构样品。打印后样品于-80°C冷冻，用于比较MFD与真空冷冻干燥（FD）两种干燥方法对样品理化性质的影响。通过测定干燥后样品的尺寸保真度评估干燥过程的结构维持效果，分析干燥曲线和干燥速率曲线表征水分脱除特性，利用扫描电子显微镜和显微-CT扫描观察微观结构并量化孔隙率，结合傅里叶变换红外光谱与X射线衍射图谱解析化学结构与结晶性质，最后比较不同干燥样品中CA的保留率及其抗消化特性。本研究旨在为淀粉基功能食品的高效干燥及3D打印个性化营养应用提供理论依据。
研究亮点
• 微波冷冻干燥（MFD）处理显著缩短了绿原酸-红薯淀粉（CA-SPS）打印制品的干燥时间。
• MFD处理提高了CA-SPS打印制品的硬度和脆度。
• 0.5 W/g MFD处理可保留CA-SPS打印制品的高钙含量和抗氧化活性。
• MFD可保留CA-SPS打印制品与真空冷冻干燥样品相当的抗消化特性。
研究结论
（1）与真空冷冻干燥（FD）相比，0.5 W/g 微波冷冻干燥（MFD）处理将干燥时间显著缩短了79%。
（2）微波功率密度与绿原酸-红薯淀粉（CA-SPS）产品的结构变形呈正相关，4.0 W/g功率下的变形较0.5 W/g高4.30%。
（3）0.5 W/g MFD样品形成类似蜂窝的多孔结构，孔隙率达19.63%，与FD样品相当。
（4）MFD显著提升了CA-SPS制品的硬度和脆度，其中4.0 W/g处理的样品分别达到最大值13.53 N和13.40 N/mm。
（5）0.5 W/g MFD样品与FD样品在绿原酸含量和ABTS自由基清除活性方面无显著差异。
（6）4.0 W/g MFD样品与FD样品的相对结晶度无显著变化。
（7）除2.0 W/g处理外，其余MFD样品的抗性淀粉、慢消化淀粉和快消化淀粉含量均与FD样品相近。
（8）在适宜功率密度下，MFD可作为FD的替代方法，以提升CA-SPS打印产品的多孔性与质构特性，并保持与FD相当的抗氧化活性和抗消化特性。
（9）本研究为低升糖指数淀粉基3D打印食品的高保真后处理方法提供了参考。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 微波冷冻干燥的机械设备示意图。
图3. (A) 3D打印的绿原酸-红薯淀粉（CA-SPS）样品与模型的外观对比、(B) 干燥后3D打印样品的外部形态。
图4. 经微波冷冻干燥样品（MFD）的干燥特性：(A) 干燥曲线、(B) 干燥速率曲线。
图5. 不同干燥方法处理3D打印样品的微观结构分析：(A) 扫描电镜和显微-CT图像、(B) 孔隙率统计。
图6. 不同干燥方法处理样品的应力-应变曲线。
图7. 不同干燥方法处理3D打印样品的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X-射线衍射（XRD）图谱：(A) FT-IR光谱、(B) FT-IR光谱分峰拟合、(C) XRD曲线。
图8. (A) 不同干燥方法处理的3D打印绿原酸-红薯淀粉（CA-SPS）样品中的绿原酸含量以及(B) 抗氧化活性。
图9. 不同干燥方法处理的3D打印样品的消化特性曲线。
作者简介
段续，河南科技大学教授，博士生导师，先后入选中原科技创新领军人才、河南省高校科技创新人才、河南省青年骨干教师等。主要研究方向为农产品与食品干燥技术与装备。主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家重点研发计划子课题等国家级/省部级教学科研项目20余项。发表学术论文270余篇，授权国家发明专利12件，出版著作6部。研究成果获得河南省科技进步奖二等奖、三等奖各1项，成功入选2025年度“全球前2%顶尖科学家”榜单。