为3D打印制备天然红藻提取物：黄原胶和槐豆胶的流变协同效应

《Algal Research》：Structuring native red seaweed extracts for 3D printing: Rheological synergies with xanthan and locust bean gums

红海藻提取液与XG/LBG协同增强凝胶特性及3D打印性能研究。采用Chondrus crispus、Gelidium corneum和Gracilaria gracilis的天然提取物，通过流变学、质地分析和3D打印评估发现，添加LBG或XG显著提升凝胶强度（如C. crispus G25℃提升至30 kPa），优化高温形态稳定性，并降低打印温度至30-40℃。生命周期评估表明G. corneum的琼脂最环保。

　　在当前的食品工业与可持续材料开发领域，利用天然来源的多糖进行3D打印技术的研究正逐渐成为热点。本研究聚焦于三种红藻提取物——**Chondrus crispus**、**Gelidium corneum** 和 **Gracilaria gracilis**，探讨它们在添加木糖醇（XG）或洋槐豆胶（LBG）后的凝胶化行为与3D打印性能。红藻因其广泛分布、易于适应恶劣生态环境以及其多糖成分的独特性，被认为是开发新型可持续材料的重要资源。这些多糖，如琼脂和卡拉胶，具有形成凝胶或粘稠分散体系的能力，而它们的结构特性决定了其在不同条件下的凝胶性能。

**Chondrus crispus** 以其丰富的卡拉胶含量著称，这使得其天然凝胶性能尤为突出。研究发现，其在25℃时的凝胶模量（G'）约为30 kPa，显示出较强的结构稳定性。然而，这种天然凝胶在高温下的表现并不理想，当温度升高到80℃时，其凝胶模量下降明显。通过添加LBG，研究者发现其凝胶模量显著提升，达到36.54 Pa，这表明LBG在增强卡拉胶凝胶结构方面具有显著作用。LBG与卡拉胶之间的相互作用主要通过氢键和聚合物缠结来实现，从而改善了凝胶网络的形成，增强了其机械性能。这一结果对于开发具有更高结构强度的生物墨水具有重要意义，尤其是在需要在高温环境下保持稳定性的应用场景中。

相比之下，**Gracilaria gracilis** 的天然凝胶模量在25℃时约为447 Pa，这表明其本身具有一定的凝胶能力。但与卡拉胶不同的是，**Gracilaria gracilis** 的凝胶性能在高温下得到了显著提升。当添加XG后，其凝胶模量从447 Pa提升至3897 Pa，显示出XG在增强该类多糖凝胶性能方面的潜力。这一现象可能与XG的结构特性有关，其分子链中的带电侧链能够与多糖主链形成更多的相互作用，从而提高凝胶的稳定性。此外，XG的添加还改善了凝胶在高温下的行为，使其能够在较高温度下保持结构完整性，这对于3D打印过程中的温度控制具有重要指导意义。

**Gelidium corneum** 的天然凝胶模量在25℃时为1600 Pa，这表明其本身也具备良好的凝胶能力。然而，研究发现，其在高温下的凝胶性能与**Gracilaria gracilis** 相比稍逊。通过添加XG或LBG，**Gelidium corneum** 的凝胶模量得到了不同程度的提升。其中，XG的添加效果更为显著，显示出其在增强凝胶结构方面的优势。这可能与XG的分子结构有关，其带电侧链能够与多糖主链形成更强的相互作用，从而提高凝胶的机械强度。同时，XG的添加也改善了凝胶的流变行为，使其在3D打印过程中更容易被挤出并保持形状。

在3D打印性能方面，研究者评估了不同配方的凝胶在挤出行为、形状保持性和凝胶恢复能力方面的表现。结果显示，添加XG或LBG后的凝胶在形状保持性方面表现出显著提升，分别提高了45%至60%。这一现象可能与添加物对凝胶网络的增强作用有关，使得凝胶在挤出过程中能够更好地保持其结构，从而提高打印的精度和质量。此外，研究还发现，打印温度对凝胶性能具有重要影响，最佳打印温度范围为30℃至40℃。这一温度区间能够平衡凝胶的流变性能与形状保持性，使其在挤出过程中既不会过于粘稠，也不会在冷却后迅速失去结构稳定性。

从环境可持续性的角度来看，研究通过生命周期评估（LCA）方法对不同配方的凝胶进行了比较。结果显示，**Gelidium corneum** 的琼脂提取物在环境影响方面表现最佳，这可能与其较低的资源消耗和更小的环境足迹有关。然而，这一结论并不意味着其他配方的凝胶在环保方面不具备优势，而是表明在选择原料时，需要综合考虑其凝胶性能与环境影响。此外，研究还指出，使用天然提取物而非化学纯化方法，虽然可能影响多糖的纯度，但能够显著降低生产过程中的污染风险，符合当前可持续发展的趋势。

值得注意的是，尽管XG和LBG在增强凝胶性能方面表现出色，但它们的添加量对最终凝胶的性能也具有重要影响。研究发现，适量添加这些添加剂能够有效提升凝胶的强度和稳定性，但过量添加可能会导致凝胶过于坚硬，影响其在3D打印过程中的可塑性。因此，在实际应用中，需要根据具体的打印需求和材料特性，合理调整添加剂的用量，以达到最佳的性能平衡。

此外，研究还揭示了不同红藻种类在多糖组成上的差异，这些差异直接影响了它们的凝胶化行为和3D打印性能。例如，**Chondrus crispus** 的高卡拉胶含量使其在天然凝胶性能上表现突出，而**Gracilaria gracilis** 的高琼脂含量则使其在高温下的凝胶性能得到了显著提升。这些发现为未来开发基于红藻多糖的生物墨水提供了重要的理论依据和实验数据支持。通过选择合适的红藻种类和添加物，可以实现对凝胶性能的精确调控，满足不同应用场景的需求。

在实际应用中，基于红藻多糖的生物墨水不仅可以用于食品打印，还可能拓展到其他领域，如生物医药、化妆品和环保材料。例如，在生物医药领域，这些生物墨水可以用于3D打印组织工程支架，而在化妆品领域，它们可以作为天然保湿剂或增稠剂使用。此外，由于红藻多糖具有良好的生物相容性和可降解性，它们在环保材料中的应用也备受关注。这些特性使得红藻多糖成为一种具有广泛应用前景的可持续材料。

然而，尽管红藻多糖在3D打印技术中展现出诸多优势，但其应用仍面临一些挑战。首先，天然提取物的纯度可能影响其在实际应用中的性能，尤其是在需要高精度打印的场景中。其次，不同红藻种类的多糖组成差异较大，这可能导致在配方设计和工艺优化过程中需要更多的实验数据支持。此外，红藻多糖的凝胶化行为可能受到环境因素的影响，如温度、湿度和pH值，因此在实际应用中需要对这些因素进行严格控制。

为了克服这些挑战，研究者建议采用更加精细的提取和纯化方法，以提高多糖的纯度和一致性。同时，结合先进的流变学分析技术，可以更准确地预测不同配方在3D打印过程中的表现，从而优化材料性能。此外，开发更加智能化的3D打印设备，使其能够根据材料的流变特性自动调整打印参数，也将有助于提高打印质量和效率。

总体而言，本研究为利用天然红藻多糖开发可持续生物墨水提供了重要的理论和技术支持。通过合理选择红藻种类和添加物，可以有效提升凝胶的结构强度和3D打印性能，同时降低环境影响。这些成果不仅有助于推动食品工业的可持续发展，还可能为其他领域带来新的机遇和应用前景。未来的研究可以进一步探索不同红藻多糖与多种添加剂的协同效应，以及如何通过调整加工条件来优化凝胶性能，从而实现更广泛的应用。