2025年4月23日，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院宋弋副教授團(tuán)隊(duì)在中國(guó)科學(xué)院一區(qū)Top期刊Food Hydrocolloids（IF：11.0）上在線發(fā)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(shù)的迅猛發(fā)展正重塑航空航天、醫(yī)療健康和食品等多個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與制造方式，使過去難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)成為可能。其中，水凝膠作為一種重要的3D打印材料，通過構(gòu)建具有生物相容性和可調(diào)機(jī)械性能的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，基于植物蛋白的水凝膠因其能夠精準(zhǔn)調(diào)控外觀、營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)地和形狀，成為極具潛力的3D打印墨水，有望替代傳統(tǒng)動(dòng)物源食品。這類植物基食品可應(yīng)用于軍事行動(dòng)、太空探索以及需要特殊營(yíng)養(yǎng)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(yíng)養(yǎng)豐富、易消化和低致敏的特點(diǎn)。雖然PPI可通過熱誘導(dǎo)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(yīng)用。值得注意的是，PPI的豐富氨基基團(tuán)能與多酚、多糖等物質(zhì)通過非共價(jià)鍵結(jié)合，目前常通過添加海藻酸鈉、果膠等物質(zhì)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(yōu)異的流變和機(jī)械性能，已廣泛應(yīng)用于食品和材料領(lǐng)域。研究表明，CNC能與多種蛋白質(zhì)協(xié)同作用以改善蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)缺陷，但關(guān)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(yīng)用仍需深入探索。
本研究通過構(gòu)建PPI/CNC復(fù)合水凝膠體系，系統(tǒng)探究了CNC對(duì)PPI水凝膠性能的增強(qiáng)機(jī)制及其3D打印應(yīng)用。具體而言，向PPI體系中添加CNC，制備了不同配比的PPI/CNC復(fù)合水凝膠（PPI:CNC=12:1~12:5）；重點(diǎn)研究了CNC添加量對(duì)水凝膠理化性質(zhì)、相互作用和微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)凝膠性能和3D打印能力的作用機(jī)制；研究采用多種流變學(xué)測(cè)試方法（包括流動(dòng)掃描、階躍應(yīng)變掃描、小/大振幅振蕩剪切等），系統(tǒng)表征了水凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、顆粒運(yùn)動(dòng)特性及其在3D打印過程中的結(jié)構(gòu)演變行為；通過打印線條、立方體和復(fù)雜模型（如字母、動(dòng)物形狀）等，全面評(píng)估了復(fù)合水凝膠的3D打印性能。該研究為開發(fā)高性能植物蛋白基3D打印墨水提供了理論依據(jù)，同時(shí)為功能性植物基支架在細(xì)胞培養(yǎng)和營(yíng)養(yǎng)輸送等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新思路。
研究亮點(diǎn)
??纖維素納米晶（CNC）影響豌豆分離蛋白（PPI）的二級(jí)結(jié)構(gòu)和疏水環(huán)境。
??CNC改變了PPI的聚集狀態(tài)，促使其形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)。
??CNC提高了PPI/CNC復(fù)合水凝膠的黏度、儲(chǔ)能模量和結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。
??當(dāng)PPI與CNC的比例為12:5時(shí)，復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出最高的3D打印精度。
研究結(jié)論
（1）通過添加纖維素納米晶（CNC），成功構(gòu)建了基于豌豆分離蛋白（PPI）的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)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(xiàn)象，促進(jìn)形成更致密的微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
（3）當(dāng)CNC含量較低時(shí)（PPI/CNC-1和PPI/CNC-2體系），復(fù)合水凝膠表現(xiàn)出較低的黏度和儲(chǔ)能模量，擠出時(shí)呈流體狀態(tài)且無(wú)法成型。
（4）提高CNC含量可顯著增強(qiáng)復(fù)合水凝膠的黏度、儲(chǔ)能模量和結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。 雖然PPI/CNC-5復(fù)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(qiáng)了PPI/CNC復(fù)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(qiáng)植物蛋白基水凝膠流變性能的理想添加劑，其復(fù)合構(gòu)建的水凝膠體系在構(gòu)建細(xì)胞培養(yǎng)支架和設(shè)計(jì)營(yíng)養(yǎng)素遞送載體等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)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(fù)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(shí)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(fù)合水凝膠體系的（A）傅里葉紅外光譜、（B）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)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(fù)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(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)形成的作用機(jī)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(fù)合水凝膠體系的（A）流動(dòng)掃描、（B）頻率掃描、（C）階躍應(yīng)變測(cè)試和（D）應(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)雜模型。CNC：纖維素納米晶、PPI：豌豆分離蛋白。
作者簡(jiǎn)介
宋弋，博士，博士生導(dǎo)師，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院副教授。主要從事食品碳水化合物、果蔬加工理論與技術(shù)、食品非熱加工理論與技術(shù)和納米技術(shù)方面的研究。主持或參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家部委其他科技項(xiàng)目等13項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文56篇，總被引次數(shù)超過1300次；獲得授權(quán)專利7項(xiàng)，轉(zhuǎn)化專利3項(xiàng)；先后獲得神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)、中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111477
