2025年4月23日，中國農業大學食品科學與營養工程學院宋弋副教授團隊在中國科學院一區Top期刊Food Hydrocolloids（IF：11.0）上在線發表了題為“Enhancement effect of cellulose nanocrystal on the rheological properties and 3D printing performance of pea protein isolate-based hydrogels”的研究型論文。
3D打印技術的迅猛發展正重塑航空航天、醫療健康和食品等多個領域的設計與制造方式，使過去難以實現的復雜結構成為可能。其中，水凝膠作為一種重要的3D打印材料，通過構建具有生物相容性和可調機械性能的親水性聚合物網絡，展現出廣闊的應用前景。近年來，基于植物蛋白的水凝膠因其能夠精準調控外觀、營養、質地和形狀，成為極具潛力的3D打印墨水，有望替代傳統動物源食品。這類植物基食品可應用于軍事行動、太空探索以及需要特殊營養的老年群體。
豌豆分離蛋白（PPI）主要由清蛋白和球蛋白組成，具有營養豐富、易消化和低致敏的特點。雖然PPI可通過熱誘導形成水凝膠，但受限于其低溶解度，其凝膠性能較差，影響了3D打印應用。值得注意的是，PPI的豐富氨基基團能與多酚、多糖等物質通過非共價鍵結合，目前常通過添加海藻酸鈉、果膠等物質來改善其凝膠性能。纖維素納米晶體（CNC）是一種天然納米材料，具有優異的流變和機械性能，已廣泛應用于食品和材料領域。研究表明，CNC能與多種蛋白質協同作用以改善蛋白質的理化性質缺陷，但關于其與PPI的相互作用研究較少，特別是在3D打印水凝膠方面的應用仍需深入探索。
本研究通過構建PPI/CNC復合水凝膠體系，系統探究了CNC對PPI水凝膠性能的增強機制及其3D打印應用。具體而言，向PPI體系中添加CNC，制備了不同配比的PPI/CNC復合水凝膠（PPI:CNC=12:1~12:5）；重點研究了CNC添加量對水凝膠理化性質、相互作用和微觀結構的影響；通過可視化分析CNC與PPI的相互作用及其在凝膠中的分布特征，闡明了CNC增強凝膠性能和3D打印能力的作用機制；研究采用多種流變學測試方法（包括流動掃描、階躍應變掃描、小/大振幅振蕩剪切等），系統表征了水凝膠的結構強度、顆粒運動特性及其在3D打印過程中的結構演變行為；通過打印線條、立方體和復雜模型（如字母、動物形狀）等，全面評估了復合水凝膠的3D打印性能。該研究為開發高性能植物蛋白基3D打印墨水提供了理論依據，同時為功能性植物基支架在細胞培養和營養輸送等領域的應用開辟了新思路。
研究亮點
??纖維素納米晶（CNC）影響豌豆分離蛋白（PPI）的二級結構和疏水環境。
??CNC改變了PPI的聚集狀態，促使其形成更穩定的微觀結構。
??CNC提高了PPI/CNC復合水凝膠的黏度、儲能模量和結構恢復能力。
??當PPI與CNC的比例為12:5時，復合水凝膠表現出最高的3D打印精度。
研究結論
（1）通過添加纖維素納米晶（CNC），成功構建了基于豌豆分離蛋白（PPI）的水凝膠網絡結構，并實現了可定制的3D打印。
（2）CNC通過靜電排斥力、氫鍵和范德華力與PPI相互作用，CNC的添加減少了PPI顆粒聚集或相分離現象，促進形成更致密的微觀網絡結構。
（3）當CNC含量較低時（PPI/CNC-1和PPI/CNC-2體系），復合水凝膠表現出較低的黏度和儲能模量，擠出時呈流體狀態且無法成型。
（4）提高CNC含量可顯著增強復合水凝膠的黏度、儲能模量和結構恢復能力。 雖然PPI/CNC-5復合體系存在相分離問題，但其3D打印效果卻最為理想。
（5）CNC的加入增強了PPI/CNC復合水凝膠的流變性能和3D打印性能，且具有CNC含量依賴性。 （6）CNC是增強植物蛋白基水凝膠流變性能的理想添加劑，其復合構建的水凝膠體系在構建細胞培養支架和設計營養素遞送載體等領域具有重要應用價值。
圖文賞析
圖1.?圖解摘要。
圖2.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的（A）尺寸分布、（B）Zeta?電位、（C）持水能力和（D）T2弛豫時間分布。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。
圖3.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的（A）傅里葉紅外光譜、（B）蛋白質二級結構分析和（C）固有熒光光譜。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。
圖4.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的（A）共聚焦激光掃描顯微鏡圖像和（B）CNC添加量增加對結構網絡形成的作用機理。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。?
圖5.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的（A）流動掃描、（B）頻率掃描、（C）階躍應變測試和（D）應變掃描曲線。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。?
圖6.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的（A）彈性和（B）粘性Lissajous?曲線。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。?
圖7.?基于不同CNC添加量的PPI/CNC復合水凝膠體系的3D打印性能：（A）使用PPI/CNC-3、PPI/CNC-4和PPI/CNC-5打印的立方體模型的視覺圖像和（B）高度偏差；（C）使用PPI/CNC-5打印的復雜模型。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。
作者簡介
宋弋，博士，博士生導師，中國農業大學食品科學與營養工程學院副教授。主要從事食品碳水化合物、果蔬加工理論與技術、食品非熱加工理論與技術和納米技術方面的研究。主持或參與國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、國家部委其他科技項目等13項；發表學術論文56篇，總被引次數超過1300次；獲得授權專利7項，轉化專利3項；先后獲得神農中華農業科技獎創新團隊獎、中國輕工業聯合會科技進步一等獎等獎項。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111477
