近年來，食品3D打印技術因其可定制設計和營養調控特性，能夠滿足消費者多樣化需求，在全球食品工業中廣受關注。在各種3D打印方法中，擠出式打印憑借設備簡單、成本低廉、操作便捷且與傳統食品原料兼容性高等優勢，成為食品領域最常用的打印方式。作為全球第四大糧食作物，馬鈴薯因其剪切變稀的假塑性流體特性，已被廣泛應用于食品3D打印。然而，研究發現土豆泥在擠出打印過程中存在擠出困難和噴嘴堵塞問題，嚴重影響打印精度。添加外源添加劑是解決上述問題的簡便有效方法。多酚作為一類植物次生代謝物，既可通過疏水作用進入直鏈淀粉螺旋空腔形成V型復合物，也能通過分子間氫鍵與淀粉形成非包容性復合物。這些相互作用具有改善植物基原料流變特性并調控其3D打印性能的潛力。此外，多酚的加入還能提升3D打印食品的營養價值。阿魏酸、單寧酸和蘆丁是常見的多酚類物質，分別代表酚酸、單寧和類黃酮三大酚類亞型。目前關于多酚對淀粉理化特性和3D打印性能影響的研究大多集中于單一酚類與淀粉的相互作用，而不同類型多酚對淀粉基食品結構、理化性質和3D打印性能影響的系統性研究仍較缺乏。
本研究系統探索了三種多酚化合物（阿魏酸、單寧酸和蘆丁）在0%-7.5%（w/w）添加濃度范圍內對馬鈴薯泥理化特性的影響。研究采用5 g馬鈴薯凍干粉與35 mL去離子水充分水合形成懸浮液，隨后將阿魏酸、單寧酸和蘆丁以0、1.5%、4.5%和7.5%（w/w）的比例分別加入該分散體中并充分混合，80℃水浴加熱12 min，膠凝化后冷卻至室溫，制備成3D打印墨水。主要研究了這三種多酚對馬鈴薯泥結構特性、3D打印性能、水分分布、流變學特性、糊化和消化率的影響，并探索了相關機制。這項研究為多酚在3D打印馬鈴薯食品領域的開發和應用提供了創新的見解和數據支持。
研究亮點
??多酚可以調節馬鈴薯泥的3D打印性能。
??三種多酚均通過非共價氫鍵與馬鈴薯淀粉相互作用。
??多酚類物質影響馬鈴薯泥凝膠網絡結構的形成。
??多酚類物質的添加降低了馬鈴薯泥的體外消化率。
??單寧酸對馬鈴薯泥的抗消化作用和擠壓調控效果最佳。
研究結論
（1）加入0%~4.5%（w/w）的多酚類物質可以有效地改善材料的擠出性能，使打印產品的表面更光滑。然而，在7.5%（w/w）的添加量下，打印產品的自支撐能力顯著減弱，導致結構坍塌和打印精度下降。
（2）多酚與淀粉通過非共價氫鍵形成非包合復合物，這種相互作用破壞了馬鈴薯淀粉的短程有序結構和雙螺旋結構，降低了馬鈴薯泥-多酚復合物的結晶度。
（3）多酚在提高馬鈴薯泥的水溶性和持水能力的同時，降低了其粘彈性和膨脹勢，抑制了淀粉回生，并提高了儲存穩定性。
（4）多酚通過抑制α-淀粉酶的活性降低了馬鈴薯泥的體外淀粉消化率，從而增加了抗性淀粉的含量。 （5）多酚與馬鈴薯泥的相互作用可能受多酚濃度和酚羥基數量影響，效果表現為單寧酸＞蘆丁＞阿魏酸。在所有馬鈴薯泥-多酚復合物中，分子量最大的單寧酸對馬鈴薯泥的特性影響最顯著，且表現出最優的抗消化能力。
（6）綜合考慮3D打印性能和抗消化特性，含有4.5%（w/w）單寧酸的馬鈴薯泥最適宜用于制備低消化率的3D打印馬鈴薯產品。
（7）本研究為多酚在3D打印馬鈴薯基食品領域的開發應用提供了創新見解和數據支持。
（8）未來研究應著重分子水平的作用機制解析和體內驗證，以推動多酚-淀粉體系在3D打印功能性食品制造中的應用。
圖文賞析
圖1.?以（a）”三葉草”和（b）”棋盤”為模型制備的馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的3D打印產品圖像。
圖2.?以”三葉草”為模型制備的馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的3D打印產品的（a）長度、（b）寬度、（c）高度和（d）打印精度。
圖3.?馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的掃描電鏡圖（500 ×）：A：馬鈴薯泥，B1：阿魏酸-1.5%、B2：阿魏酸-4.5%、B3：阿魏酸-7.5%，C1：單寧酸-1.5%、C2：單寧酸-4.5%、C3：單寧酸-7.5%，D1：蘆丁-1.5%、D2：蘆丁-4.5%、D3：蘆丁-7.5%。?
圖4.?（a-f）不同多酚和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的X-射線衍射曲線：（a）阿魏酸、（b）單寧酸、（c）蘆丁、（d）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-阿魏酸復合物、（e）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-單寧酸復合物和（f）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-蘆丁復合物；（g-i）馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的傅里葉變換紅外曲線：（g）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-阿魏酸復合物、（h）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-單寧酸復合物和（i）馬鈴薯泥和馬鈴薯泥-蘆丁復合物。?
圖5.?馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的水分分布和弛豫時間。
圖6.?馬鈴薯泥和不同馬鈴薯泥-多酚復合物的流變學特性：（a）儲能模量（G’）、（b）損耗模量（G’’）、（c）損耗角正切（tan δ）、（d）表觀粘度和（e）相關性熱圖分析。
作者簡介
江昊，博士，西北農林科技大學教授、博士生導師，陜西省青年科技新星，現任陜西省“四主體一聯合”谷物科學工程中心負責人。主要從事農產品加工、果蔬干燥、食品加工新技術研發及特色資源綜合利用等研究工作。主持國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、中國科協青年人才交流計劃等多項科研項目。以第一或通訊作者發表學術論文50余篇，申報專利10余項，制定行業/團體標準2項，出版學術專著2部。研究成果獲中國輕工業聯合會技術發明二等獎和中國商業聯合會科學技術一等獎等獎勵。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2025.144919
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
高內相乳液通常指分散相體積分數超過74%的體系，其高油相濃度和復雜內部結構賦予其獨特的流變特性，在食品工業、多孔材料模板和醫藥等領域展現出廣闊的應用前景。傳統高內相乳液的制備通常需要添加大量常規表面活性劑（5~50 wt%），但隨著環保要求的日益嚴格，這些傳統物質的應用和發展受到了限制。近年來，由生物質膠體顆粒穩定的高內相皮克林乳液（HIPPEs）因其低成本、優異的生物相容性和極低毒性而受到廣泛關注。這類乳液利用固體顆粒在油水界面的不可逆吸附形成機械耐久屏障，有效抑制液滴的聚集與聚并，從而賦予HIPPEs卓越的穩定性和可控的結構特性。此外，HIPPEs的制備過程能耗較低，且對環境友好，使其在綠色可持續制造領域具有重要價值。因此，開發新型環保型HIPPEs基產品不僅具有重要的學術意義，也為工業應用提供了更可持續的解決方案。
多種生物質衍生顆粒已被用作高內相皮克林乳液（HIPPEs）的穩定劑，包括植物蛋白、動物蛋白和明膠等。植物源多糖顆粒因其來源廣泛、可持續性強且成本低廉而極具應用前景，其中，纖維素類材料尤其受到關注。然而，纖維素固有的親水性、微觀尺度調控困難及纖維素納米纖維的自聚集傾向是當前面臨的主要挑戰。現有解決方案如化學修飾和表面活性劑復配雖能提升乳化性能，但可能損害纖維素納米纖維的環保特性與生物相容性。因此，如何在保持纖維素納米纖維固有優勢的前提下，有效增強其界面親和力與乳化能力，成為開發生態友好型乳液的關鍵科學問題。研究發現，電荷特性調控了纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的界面行為，這為開發新型環保乳液提供了重要理論依據。
本研究旨在探究纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物作為HIPPEs穩定劑并應用于食品3D打印的可行性。具體而言，將0.5 wt%維素納米纖維和0.5 wt%納米甲殼素懸浮液按照體積比1:1進行復配，經均質化和pH調節（pH=3）處理后，獲得了HIPPEs的穩定劑。通過預乳化結合梯度補加油相的方法，成功構建了含不同油相（葵花籽油/環己烷）體積分數的HIPPEs體系。通過光學顯微鏡、共聚焦激光顯微鏡、掃描電子顯微鏡和靜態光散射分析儀等設備研究了HIPPEs的液滴形態、尺寸、分布狀態及其三維網絡狀態，通過靜置處理分析了HIPPEs的貯藏穩定性及其相關機制，通過流變特性和模型打印評估了HIPPEs作為3D打印墨水的可行性，通過3D打印結合冷凍干燥技術合成了生物基超輕質多孔材料。本研究為可持續生物基材料在食品增材制造、個性化營養載體及輕量化功能材料等領域的應用提供了新思路。
研究亮點
? 0.06%綠色生物基納米顆粒可實現高內相乳液的超高油含量（88%葵花籽油和89%環己烷）。
? 纖維素納米纖絲/納米甲殼素復合物形成的三維網絡結構增強了多尺度可食用材料的成型加工性能。
? 皮克林食品乳液有助于開發可3D成型的食品和超輕質食品基氣凝膠。
研究結論
（1）通過帶相反電荷的纖維素納米纖絲和納米甲殼素復合作為穩定劑，成功制備了可食用的水包葵花籽油的高內相皮克林乳液，向葵花籽油的體積分數高達88%，且該乳液在室溫下可穩定儲存至少60天。
（2）纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物在油滴表面形成堅固保護膜以抑制聚結破裂，同時在液滴間構筑顯著網絡結構以阻礙聚集，這種雙重穩定機制是高內向皮克林乳液卓越穩定性的關鍵。
（3）高內相皮克林乳液憑借可調控的微觀結構和粘彈性特性，能夠通過直寫式3D打印技術精準構建多級多孔結構。
（4）以揮發性油相（環己烷）替代葵花籽油時，其體積分數可達89%，結合3D打印和冷凍干燥技術可制備出生物基超輕多孔材料。
（5）該研究將為未來開發多功能乳液在3D打印食品、食品基超輕氣凝膠等領域的應用提供關鍵理論支撐與技術平臺。
圖文賞析
圖1.?圖解摘要。
圖2.?（a）基于纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物穩定的高內相皮克林乳液（HIPPEs）的制備流程圖、（b）HIPPEs的宏觀形貌、（c）液滴粒徑分布及初始平均直徑(D32)、（d）剪切稀化特性和（e）葵花籽油體積分數為50%~89%時乳液的模量變化。圖(b)中各樣品下方標注對應油相的體積分數，圖(e)中實心與空心符號分別表示儲能模量(G′)和損耗模量(G″)。
圖3.?（a）油相體積分數為50%~88%時高內相皮克林乳液（HIPPEs）的光學顯微鏡圖像，比例尺為100μm；（b）油相體積分數為50%~88%時HIPPEs的共聚焦激光顯微鏡圖像（雙通道）。上排和中排分別為油相和纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的圖像，底排為合并圖像。所有樣品在室溫下儲存24 h后觀察，比例尺為50 μm。
圖4.?（a-b）葵花籽油體積分數為85%時高內相皮克林乳液（HIPPEs）液滴的低溫掃描電鏡圖像，分別顯示（a）低倍率和（b）高倍率形貌；（b）中紅色虛線框標記了更高倍率的觀察區域；（c）含80%環己烷的
HIPPEs經冷凍干燥制備的多孔固體泡沫的掃描電子顯微鏡圖像；（c）中插圖為該固體泡沫放置于綠蘿葉片上的實物照片，紅色與綠色虛線框標記了展示內部多孔結構的放大區域。
圖5.?葵花籽油體積分數為75%~88%時高內相皮克林乳液的共聚焦激光顯微鏡的雙通道圖像。所有樣品均在室溫下儲存60天后觀察。上排和中排分別為油相和纖維素納米纖維/納米甲殼素復合物的圖像，底排為合并圖像。比例尺為100 μm。
圖6.?（a）高內相皮克林乳液（HIPPEs）穩定機制以及直寫成型3D打印的示意圖;（b）葵花籽油體積分數
88%的HIPPEs振蕩流變測試結果，剪切屈服應力由儲能模量與損耗模量交點標示；（c）基于HIPPEs的
3D打印雪花模型，左圖為成型后即刻拍攝，右圖為室溫儲存1天后拍攝；（d）基于HIPPEs的3D打印草莓模型的俯視圖（左圖）與側視圖（右圖）；（e）基于HIPPEs的3D打印字母模型。打印測試所用HIPPEs的葵花籽油體積分數均為88%。
圖7. （a）在不同填充密度下基于高內相皮克林乳液（環己烷體積分數為89%）打印的立方網格的俯視圖。上排為水合狀態物體，下排為干燥結構，比例尺為1 cm；（b）圖（a）黑色虛線框內打印網格交叉處的掃描電子顯微鏡圖像；（c-d）圖（b）內部多孔結構的放大的掃描電子顯微鏡圖像，紅色與綠色虛線框分別標記了放大區域。比例尺依次為300、100和1 μm。
作者簡介
宦思琪，博士，碩士生導師，東北林業大學材料科學與工程學院教授。主要從事靜電紡絲、3D打印等新型成型方法在納米生物基材料的設計、合成及功能化應用方面的研究。主持黑龍江省自然科學基金青年項目、黑龍江省博士后項目、東北林業大學“成棟優秀青年”科研啟動項目、齊魯工業大學國家重點實驗室開放項目等5項；共發表SCI論文78余篇，總被引超過4336次，H-index為34，參與編寫著作1部，申請發明專利3項。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111251
