羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）憑借“優(yōu)異的黏結(jié)性、流變調(diào)控性與熱穩(wěn)定性”，成為3D打印食品擠出加工中的關(guān)鍵輔料。其擠出加工技術(shù)核心是通過調(diào)控它的添加量、配方配伍及擠出參數(shù)，解決3D打印食品“擠出流暢性差、打印后易坍塌、質(zhì)構(gòu)不均”等痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從“流體原料”到“精準(zhǔn)成型結(jié)構(gòu)”的轉(zhuǎn)化，適配個(gè)性化、定制化食品生產(chǎn)需求。

一、在3D打印食品擠出加工中的核心作用：從流變調(diào)控到結(jié)構(gòu)支撐

在3D打印食品擠出體系中，羧甲基纖維素鈉的功能貫穿“擠出前流變調(diào)節(jié)、擠出中形態(tài)保持、打印后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”全流程，是保障打印成功的“多功能調(diào)節(jié)劑”。

（一）流變特性調(diào)控：讓原料兼具“擠出流暢性”與“塑形穩(wěn)定性”

3D打印食品原料需同時(shí)滿足“擠出時(shí)低黏度易流動(dòng)，擠出后高黏度保形態(tài)”的矛盾需求，羧甲基纖維素鈉通過分子鏈的“剪切稀化效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)這一平衡：

擠出前（高剪切狀態(tài)）：當(dāng)原料在擠出機(jī)螺桿中受到高剪切力（轉(zhuǎn)速 30-60r/min）時(shí)，羧甲基纖維素鈉的長分子鏈會(huì)沿剪切方向定向排列，分子間作用力減弱，原料黏度從 10000-20000mPa・s 降至 3000-5000mPa・s，確保能順暢通過噴嘴（直徑 0.4-1.2mm），不堵塞、不斷料；

擠出后（低剪切狀態(tài)）：原料擠出到打印平臺(tái)后，剪切力消失，羧甲基纖維素鈉分子鏈重新舒展，通過氫鍵與原料中的水分、淀粉等成分形成三維網(wǎng)絡(luò)，黏度快速回升至 8000-15000mPa・s，使打印出的線條（如 0.5mm 直徑的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)）能立即可靠塑形，不坍塌、不變形。

例如，在馬鈴薯淀粉基打印原料中添加 1.5%羧甲基纖維素鈉，其剪切稀化指數(shù)（n 值）從 0.35（純淀粉）提升至 0.52，既保證擠出流暢性，又使打印的“立體花朵”結(jié)構(gòu)在室溫下放置2小時(shí)無明顯變形。

（二）黏結(jié)與保水：提升原料均勻性，避免打印層間開裂

3D打印食品常因原料顆粒分散不均、水分流失快，導(dǎo)致層間黏結(jié)力不足、出現(xiàn)開裂，羧甲基纖維素鈉可通過“黏結(jié)”與“保水”雙重作用解決：

黏結(jié)作用：它的羧甲基（-COONa）基團(tuán)可與淀粉、蛋白質(zhì)等原料中的羥基（-OH）形成氫鍵，將分散的顆?！梆ず稀背删鶆虻哪z體體系，避免原料中出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚（如面粉基原料中添加 1%羧甲基纖維素鈉，顆粒均勻度提升 40%），確保擠出的線條連續(xù)、無斷點(diǎn)；

保水作用：它的三維網(wǎng)絡(luò)能鎖住原料中的自由水（保水率可達(dá)自身重量的 50-100 倍），減少擠出后水分快速蒸發(fā)導(dǎo)致的原料干縮（如在果蔬泥打印原料中添加 0.8%羧甲基纖維素鈉，打印后2小時(shí)水分流失率從 15%降至 5%），避免層間因干縮產(chǎn)生裂縫，提升打印結(jié)構(gòu)的完整性。

（三）熱穩(wěn)定性保障：適配后續(xù)加熱處理，不影響打印形態(tài)

部分3D打印食品（如烘焙糕點(diǎn)、蒸煮面點(diǎn)）需在打印后進(jìn)行加熱（100-180℃），羧甲基纖維素鈉的熱穩(wěn)定性可確保打印結(jié)構(gòu)在加熱后不坍塌：

羧甲基纖維素鈉在 200℃以下不易發(fā)生熱降解，其形成的三維網(wǎng)絡(luò)在加熱時(shí)（如 180℃烘焙 10分鐘）仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免原料因淀粉糊化過度、蛋白質(zhì)變性導(dǎo)致的形態(tài)坍塌；

例如，在小麥粉基3D打印餅干中添加 1.2%羧甲基纖維素鈉，烘焙后餅干的立體花紋（如 0.3mm 深的紋路）保留率達(dá) 90%，而未添加組僅為 65%，且餅干邊緣無明顯收縮。

二、擠出加工關(guān)鍵技術(shù)：參數(shù)優(yōu)化與配方適配

要最大化羧甲基纖維素鈉在3D打印食品中的作用，需圍繞“擠出設(shè)備參數(shù)”“CMC-Na添加量”“配方配伍”三大核心維度進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，形成適配不同食品原料的加工方案。

（一）擠出設(shè)備參數(shù)優(yōu)化：匹配羧甲基纖維素鈉的流變特性

3D打印擠出設(shè)備的“螺桿轉(zhuǎn)速、噴嘴溫度、打印速度”需與羧甲基纖維素鈉調(diào)控的原料流變特性精準(zhǔn)匹配，避免擠出不暢或形態(tài)失控：

螺桿轉(zhuǎn)速：需根據(jù)原料黏度調(diào)整，通常控制在 30-80r/min。若羧甲基纖維素鈉添加量高（如 2%），原料初始黏度高，需提升轉(zhuǎn)速至 60-80r/min，增強(qiáng)剪切力以降低黏度；若添加量低（如 0.5%），轉(zhuǎn)速可降至 30-50r/min，避免剪切力過大導(dǎo)致原料過度稀化，擠出后無法塑形。

噴嘴溫度：對含羧甲基纖維素鈉的原料，噴嘴溫度通?？刂圃?/span> 25-60℃（常溫或中低溫）。溫度過高（＞80℃）會(huì)加速原料水分蒸發(fā)，導(dǎo)致噴嘴堵塞；溫度過低（＜15℃）會(huì)使羧甲基纖維素鈉分子鏈運(yùn)動(dòng)減緩，原料黏度升高，擠出阻力增大（如在巧克力基打印原料中，噴嘴溫度 50℃時(shí)，添加 1%羧甲基纖維素鈉的原料擠出阻力比25℃時(shí)降低 30%）。

打印速度與層高等：打印速度需與擠出量匹配，通常為 20-50mm/s，確保線條連續(xù)；層高建議為噴嘴直徑的 50%-80%（如噴嘴直徑 1mm，層高 0.5-0.8mm），層間壓力適中，黏結(jié)更緊密，例如，在添加 1.5%羧甲基纖維素鈉的米糊原料中，打印速度 30mm/s、層高 0.6mm 時(shí)，層間黏結(jié)強(qiáng)度達(dá) 0.2MPa，打印的“多層立方體”無層間開裂。

（二）添加量控制：平衡功能與口感

羧甲基纖維素鈉的添加量需根據(jù)食品原料類型（淀粉類、蛋白質(zhì)類、果蔬類）調(diào)整，過量易導(dǎo)致口感發(fā)黏，不足則無法保障打印效果，通常添加量為0.5%-2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）：

淀粉類原料（如馬鈴薯淀粉、小麥粉）：添加量1%-1.5%。淀粉自身有一定黏結(jié)性，羧甲基纖維素鈉主要起流變調(diào)控作用，如1.2%添加量可使淀粉基原料的打印精度（尺寸誤差）從±0.3mm降至±0.1mm，且口感無明顯發(fā)黏；

蛋白質(zhì)類原料（如乳清蛋白、大豆蛋白）：添加量1.5%-2%。蛋白質(zhì)原料易因水分流失導(dǎo)致干硬，高添加量的羧甲基纖維素鈉可增強(qiáng)保水性與黏結(jié)性，如 2%添加量使乳清蛋白打印的“蛋白棒”結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且口感松軟；

果蔬類原料（如胡蘿卜泥、蘋果泥）：添加量0.5%-1%。果蔬泥水分含量高（通常＞70%），低添加量的羧甲基纖維素鈉即可調(diào)控流變，避免添加過多影響果蔬原有風(fēng)味，如 0.8%添加量可使胡蘿卜泥順利打印“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”，且保留胡蘿卜清甜口感。

（三）配方配伍：與其他輔料協(xié)同增效

羧甲基纖維素鈉需與淀粉、糖、油脂等輔料協(xié)同，才能進(jìn)一步優(yōu)化打印性能與食品品質(zhì)，避免單一使用的局限性：

與淀粉協(xié)同：羧甲基纖維素鈉可延緩淀粉老化，如在玉米淀粉中復(fù)配 1%羧甲基纖維素鈉與 5%蔗糖，打印的糕點(diǎn)在 4℃冷藏7天，硬度僅增加 20%，遠(yuǎn)低于未添加組的 50%，且打印形態(tài)保持完好；

與蛋白質(zhì)協(xié)同：羧甲基纖維素鈉（陰離子）與乳清蛋白（兩性）可通過電荷吸引形成復(fù)合物，增強(qiáng)原料的黏彈性，如 1%羧甲基纖維素鈉+8%乳清蛋白的復(fù)配體系，打印的“立體字母”結(jié)構(gòu)在室溫下放置4小時(shí)，變形率＜5%；

與油脂協(xié)同：少量油脂（如 2%-5%）可降低羧甲基纖維素鈉分子間的摩擦力，提升原料擠出流暢性，如在添加 1.2%羧甲基纖維素鈉的面粉原料中加入 3%橄欖油，擠出阻力降低 25%，且打印后結(jié)構(gòu)仍穩(wěn)定。

三、典型應(yīng)用場景：羧甲基纖維素鈉擠出加工技術(shù)的實(shí)際落地

羧甲基纖維素鈉的擠出加工技術(shù)已在“個(gè)性化營養(yǎng)食品”“創(chuàng)意造型食品”“特殊醫(yī)學(xué)用途食品”等場景落地，解決不同場景的核心需求。

（一）個(gè)性化營養(yǎng)食品：精準(zhǔn)調(diào)控成分，適配不同人群

針對嬰幼兒、老年人、運(yùn)動(dòng)員等人群的營養(yǎng)需求，可通過羧甲基纖維素鈉的擠出技術(shù)，將多種營養(yǎng)素（如維生素、礦物質(zhì)、益生菌）均勻分散在打印原料中，實(shí)現(xiàn)“定制化形態(tài)+精準(zhǔn)營養(yǎng)”：

嬰幼兒輔食：將米粉、蔬菜粉、益生菌與 0.8%羧甲基纖維素鈉混合，通過3D打印制成“卡通造型”輔食，它的保水性可避免輔食干硬，益生菌存活率達(dá) 85%（因原料水分穩(wěn)定，減少益生菌失活），且形態(tài)吸引嬰幼兒進(jìn)食；

老年?duì)I養(yǎng)餐：將易消化的米糊、蛋白粉與 1.5%羧甲基纖維素鈉混合，打印成“小塊狀”或“薄片狀”，避免老年人吞咽困難，它的黏結(jié)性確保營養(yǎng)成分均勻，每 100g 營養(yǎng)餐的蛋白質(zhì)含量誤差＜5%，滿足老年人群的營養(yǎng)需求。

（二）創(chuàng)意造型食品：突破傳統(tǒng)形態(tài)，提升視覺價(jià)值

在烘焙、甜品等領(lǐng)域，羧甲基纖維素鈉的擠出技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以完成的復(fù)雜造型，提升食品的視覺吸引力：

3D打印餅干：在餅干面團(tuán)中添加 1.2%羧甲基纖維素鈉，通過擠出技術(shù)打印“立體城堡”“花紋浮雕”等造型，烘焙后花紋保留率達(dá) 90%，且口感酥脆（CMC-Na未明顯影響餅干硬度）；

巧克力裝飾：在融化的巧克力中添加 1%羧甲基纖維素鈉（需加熱至50℃確保溶解），打印“立體花朵”“字母銘牌”等裝飾，它的流變調(diào)控使巧克力擠出流暢，冷卻后形態(tài)穩(wěn)定，可直接用于蛋糕裝飾。

（三）特殊醫(yī)學(xué)用途食品：適配吞咽障礙人群，保障進(jìn)食安全

針對吞咽障礙患者（如中風(fēng)患者、ai癥術(shù)后患者），羧甲基纖維素鈉的擠出技術(shù)可將食品制成“易吞咽、不易嗆咳”的形態(tài)，同時(shí)確保營養(yǎng)充足：

增稠流質(zhì)食品：在米湯、肉湯中添加 0.5%-1%羧甲基纖維素鈉，通過擠出技術(shù)制成“凝膠狀小顆?！保ㄖ睆?5-10mm），顆粒質(zhì)地柔軟，吞咽時(shí)不易黏附在食道壁，且它的保水性確保顆粒在口腔中不易散開，降低嗆咳風(fēng)險(xiǎn)；

定制化營養(yǎng)制劑：根據(jù)患者的病情（如糖尿病患者需低糖、腎病患者需低蛋白），將特定營養(yǎng)素與 1.5%羧甲基纖維素鈉混合，打印成“統(tǒng)一規(guī)格的小塊狀”，每塊營養(yǎng)成分精準(zhǔn)（如每塊含 5g 蛋白質(zhì)），方便患者定量食用，同時(shí)形態(tài)穩(wěn)定，不易變形。

四、總結(jié)與展望

羧甲基纖維素鈉的擠出加工技術(shù)，通過“流變調(diào)控、黏結(jié)保水、熱穩(wěn)定支撐”三大核心功能，解決了3D打印食品的擠出流暢性、形態(tài)穩(wěn)定性與層間黏結(jié)性問題，成為3D打印食品領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)支撐。其核心在于根據(jù)原料類型優(yōu)化羧甲基纖維素鈉的添加量（0.5%-2%），并匹配擠出設(shè)備參數(shù)（螺桿轉(zhuǎn)速 30-80r/min、噴嘴溫度 25-60℃），同時(shí)與淀粉、蛋白質(zhì)等輔料協(xié)同增效。

本文來源于：河南華悅化工產(chǎn)品有限公司http://zgznjdsc.cn/