豌豆-高粱蛋白复合凝胶的3D打印适印性、消化性及构效关系研究

《Food Hydrocolloids》：Evaluating the printability and digestibility of 3D-printed pea-sorghum protein gels

本研究针对亲水性豌豆蛋白与疏水性高粱蛋白因性质不相容难以直接混合应用的问题，创新性地采用双挤出式3D打印技术构建层状复合凝胶结构。研究发现，优化打印参数（喷嘴直径0.52 mm，打印速度10 mm/s）可成功制备具有理想流变特性的豌豆蛋白凝胶（PPG20）与高粱蛋白凝胶（SPG25）。3D打印过程诱导了凝胶界面处蛋白质二级结构的改变（α-螺旋/β-折叠比值从混合凝胶的0.87提升至打印样品的1.82），并显著提高了复合凝胶的体外消化率（水解度提升约10%）。该研究为利用3D打印技术改善植物蛋白消化性及开发新型营养食品提供了新策略。

　　

随着全球对可持续食品系统和健康饮食的关注度日益提升，植物蛋白作为动物蛋白的替代品展现出巨大潜力。然而，不同植物蛋白来源之间存在显著的理化性质差异，例如亲水性的豌豆蛋白和疏水性的高粱蛋白，它们直接混合时往往难以形成稳定的凝胶体系，并且可能导致消化率降低。这限制了它们在高端植物基食品（如肉类似物）中的广泛应用。传统的挤压加工技术虽然能够处理蛋白质混合物，但难以精确控制微观结构，从而影响最终产品的质地和营养特性。三维食品打印（3DFOODP）作为一种新兴的数字化制造技术，能够通过逐层沉积的方式精确构建复杂食物结构，为解决亲/疏水蛋白的不相容问题提供了全新思路。它有望在避免不利分子相互作用的同时，创造出具有定制化营养和质构的食品。本研究旨在探索利用双挤出3D打印技术同步打印豌豆和高粱蛋白凝胶，并系统评估该技术对复合凝胶结构、流变特性及消化性的影响。相关研究成果发表在食品领域权威期刊《Food Hydrocolloids》上。

为开展本研究，研究人员主要运用了几项关键技术。首先，从高粱面粉中提取并纯化了高粱蛋白（SP），并分析了其溶解度、Zeta电位及氨基酸组成。其次，制备了不同浓度（15%, 20%, 25%）的豌豆蛋白凝胶（PPG）和25%浓度的高粱蛋白凝胶（SPG25），并利用流变仪详细表征了它们的剪切稀化行为、粘弹性（储能模量G′和损耗模量G″）以及触变恢复性能。核心实验是使用配备双挤出头的Allevi 2生物打印机，在不同喷嘴直径（0.52 mm和0.64 mm）和打印速度下进行3D打印，评估打印精度和宏观结构。对打印后的样品，通过扫描电子显微镜（SEM）观察其微观结构，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析蛋白质二级结构的变化，并采用体外模拟胃肠消化模型结合邻苯二甲醛（OPA）法测定蛋白质的水解度（DH%）。

3.1. 溶解度和ζ-电位

研究发现，高粱蛋白（SP）在纯水和纯乙醇中均不溶解，其在70%乙醇中的溶解度最高（125 μg/mL）。通过测定不同pH下的Zeta电位，确定了SP的等电点（pI）为3.91，这为后续蛋白质沉淀纯化提供了关键参数。

3.2. 蛋白质含量和氨基酸谱

分析显示，提取的SP和市售豌豆蛋白（PP）的蛋白质含量分别为91.30%和77.50%。氨基酸分析表明，SP富含谷氨酸、脯氨酸和亮氨酸，但严重缺乏赖氨酸（仅0.20%）；而PP则富含赖氨酸（6.01%）和精氨酸。将两者混合后，混合物的氨基酸谱得到显著改善，尤其是赖氨酸含量提升至3.57%，实现了营养互补。

3.3. 流变特性

所有凝胶样品均表现出典型的剪切稀化行为，这对于3D打印过程中的顺利挤出至关重要。SPG25表现出最高的粘度和凝胶强度（G′在2.17 rad/s时为15056 Pa）。在恢复性测试中，SPG25和PPG20均表现出快速的结构恢复能力（恢复率分别为50%和67.3%），这表明它们具有良好的形状保持性，适合层层堆叠打印。

3.4. 豌豆-高粱凝胶的3D打印

打印实验表明，豌豆蛋白凝胶浓度和喷嘴尺寸对打印精度有显著影响。20%浓度的PPG（PPG20）与25%浓度的SPG（SPG25）配合0.52 mm喷嘴在10 mm/s的打印速度下，能获得尺寸最精确（宽度和高度准确度均接近100%）、结构最稳定的层状复合结构。而较大的喷嘴（0.64 mm）或不适直的凝胶浓度会导致挤出过量、层间融合或结构变形。

3.5. 粒径

粒径分析显示，3D打印后的凝胶样品（3D-SPG25和3D-PPG20）其粒径体积平均直径D[4,3]均大于原始蛋白粉末，表明在凝胶化和打印过程中蛋白质发生了聚集。

3.6. 微观结构

SEM图像显示，原始SP呈均匀球形颗粒，而PP则呈现不规则皱缩的球状。经过3D打印后，两种凝胶均形成了多孔的网络结构。在3D-PPG20-SPG25复合凝胶的界面处，可以观察到相对平滑的表面和明显的相分离迹象，这可能是亲/疏水相互作用的结果。

3.7. 蛋白质体外消化

体外消化实验结果显示，PP及其凝胶（PPG20）的水解度（83.1-89.4%）显著高于SP及其凝胶（SPG25）（50.3-51.5%）。最为关键的发现是，经过3D打印得到的复合凝胶（3D-PPG20-SPG25）的水解度（77.53%）比未经打印的简单物理混合物（PPG20-SPG25-mix）的水解度（70.62%）高出约10%。这表明3D打印过程本身诱导的结构变化有利于蛋白质的酶解。

3.8. 傅里叶变换红外光谱

FTIR分析聚焦于酰胺I带（1600-1700 cm^-1），以解析蛋白质二级结构。研究发现，3D打印后的复合凝胶（3D-PPG20-SPG25）其α-螺旋与β-折叠的比值（1.82）高于物理混合物（0.87）。同时，打印样品中β-聚集体的含量有所增加。通常认为，较高的α-螺旋/β-折叠比和更松散的无规卷曲结构有利于消化，而致密的β-聚集体则会降低消化率。本研究结果表明，3D打印可能通过改变蛋白质的二级结构构象，从而正向影响了其消化性。

本研究成功证实，利用双挤出3D打印技术可以有效地将亲水性的豌豆蛋白凝胶和疏水性的高粱蛋白凝胶集成在一起，形成结构稳定的层状复合物。这种打印方式不仅克服了两种蛋白直接混合时的不相容性问题，更重要的是，它通过改变凝胶界面处的蛋白质微观结构和二级结构（如提高α-螺旋/β-折叠比值），显著提升了复合蛋白体系的体外消化率。该研究首次将3D打印诱导的构象变化与植物蛋白消化性改善直接联系起来，为开发高营养价值、定制化质构的新型植物基食品提供了重要的理论依据和技术途径。未来，这种策略可应用于个性化 gluten-free（无麸质）食品或功能性营养成分的递送载体构建，具有广阔的产业化前景。