《Foods》：Development of 3D Food Printing Ink Based on Germinated Brown Rice Modified by Dry Heat and High-Pressure Steam
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高营养特性与良好打印性兼备的全谷物原料对于推动3D食品打印技术的发展至关重要。发芽糙米（GBR）富含γ-氨基丁酸（GABA）这一关键生物活性化合物，使其成为适用于3D食品打印的全谷物材料。然而，天然的GBR基凝胶在3D打印过程中存在尺寸精度差的问题，严重限制了
高营养特性与良好打印性兼备的全谷物原料对于推动3D食品打印技术的发展至关重要。发芽糙米（GBR）富含γ-氨基丁酸（GABA）这一关键生物活性化合物，使其成为适用于3D食品打印的全谷物材料。然而，天然的GBR基凝胶在3D打印过程中存在尺寸精度差的问题，严重限制了其实际应用。为解决此问题，本研究采用绿色热处理方法来改善GBR的营养价值和3D打印性能。研究人员先将糙米发芽获得GBR，随后通过干热处理（90–150 °C）或高压蒸汽处理（5–25分钟）对其进行改性。系统表征了两种处理方式对GABA保留率、淀粉重交联、凝胶流变性、质构、微观结构及打印精度的影响。结果表明，发芽显著将GABA含量从糙米中的47.66 mg/kg提升至GBR中的104.85 mg/kg，但未改性的GBR凝胶在打印“字母W”和“安卓机器人”模型时，其相对尺寸偏差分别达到9.01%和18.70%。适度的热改性能够保留甚至进一步提升GABA的生物活性，同时促进淀粉重交联，形成均匀多孔的凝胶网络。最优组（GD-135和GS-15）的打印偏差显著降低（p < 0.05），最大偏差减少超过93%。综上，干热和高压蒸汽改性能够同步提升GBR的GABA保留率和3D打印精度。这项工作为应用于个性化3D打印食品的全谷物原料提供了一种非化学、节能的绿色改性方法。
论文解读
1. 研究背景、现存问题与研究意义
3D食品打印作为一种变革性的数字制造技术，能够根据计算机辅助设计（CAD）模型，通过精确逐层沉积可食用材料来定制三维食品结构。该技术在减少浪费、实现现场生产、满足个性化营养需求方面潜力巨大。在此背景下，开发兼具优异营养特性和良好打印性的全谷物原料至关重要。
糙米（BR）保留了麸皮和胚芽，富含膳食纤维、矿物质、γ-氨基丁酸（GABA）等生物活性物质，但其粗糙质地限制了直接消费和加工。发芽糙米（GBR）通过控制发芽，利用内源酶分解大分子聚合物，富集了酚类、生育酚和GABA等功能成分，是一种更具营养价值的全谷物原料。然而，现有研究多集中于GBR的发芽工艺优化和营养强化，对其3D打印适用性的研究较少。未经改性的GBR基凝胶在3D打印中存在严重的尺寸精度差、易塌陷等问题，这主要是由于其凝胶网络结构松散、黏弹性不足所致。因此，亟需一种绿色高效的改性方法来同时提升GBR的营养功能和3D打印性能。
为此，研究人员提出采用干热处理和高压蒸汽处理这两种绿色物理改性方法，旨在：（1）探究两种热改性方法对GBR生物活性、理化性质、凝胶流变学、质构、微观结构和3D打印性能的系统影响；（2）阐明热改性对GBR凝胶结构和打印性能的调控机制，确定最佳改性参数；（3）揭示淀粉多尺度结构变化与打印保真度之间的构效关系。此项研究为开发高营养全谷物3D打印墨水提供了理论基础和技术指导，并为发芽糙米的高值化利用提供了绿色高效的改性途径。
2. 主要关键技术方法
为开展本研究，研究人员采用了以下关键技术方法：
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样品制备与改性：将糙米在30°C、≥95%相对湿度下发芽24小时，获得发芽糙米（GBR）。随后，对GBR粉末分别进行干热处理（90、105、120、135、150°C，20分钟）和高压蒸汽处理（115°C，5、10、15、20、25分钟）。
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3D食品打印与评估：配制25%（w/w）的GBR悬浮液，经水浴糊化后制成打印墨水。使用FOODBOT-S2PRO食品3D打印机，在喷嘴内径0.84mm、打印温度25°C、喷嘴移动速度70mm/s的参数下，打印“W形”和“安卓机器人”两种模型，通过计算相对尺寸偏差来评估打印精度。
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理化与营养特性分析：采用高效液相色谱法（HPLC）测定GABA含量；通过离心法测定持水力（WHC）和持油力（OHC）；使用快速粘度分析仪（RVA）测定糊化特性。
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结构与流变学表征：利用旋转流变仪进行动态频率扫描测试，获取储能模量（G'）、损耗模量（G''）和损耗因子（tanδ）；采用质构仪进行质构剖面分析（TPA）；运用低场核磁共振（LF-NMR）分析凝胶中水分状态与分布；通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析短程有序结构；借助X射线衍射（XRD）分析晶体结构；并使用扫描电子显微镜（SEM）观察粉末颗粒和冻干凝胶切面的微观形态。
3. 研究结果
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3.1. 3D食品打印性能：宏观形貌和尺寸偏差结果显示，适度干热处理（如GD-135）和高压蒸汽处理（如GS-15）均能有效改善GBR凝胶的打印性能。其中，干热处理对三维结构的支撑效果更佳，而高压蒸汽处理则有助于提高平面模型的打印精度。GD-135和GS-15组表现出最佳的打印适应性。
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3.2. GABA含量的变化：发芽使GABA含量从47.66 mg/kg显著提升至104.85 mg/kg。干热处理组中，GD-120的GABA含量最高（117.29 mg/kg）。综合考虑营养保留和打印性，GD-135被确定为最优条件，其在保持较高GABA含量（114.02 mg/kg）的同时，打印精度显著优于GD-120。在高压蒸汽处理组中，GS-15在GABA保留和打印性之间取得了最佳平衡。
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3.3. 持水力和持油力：发芽对WHC无显著影响。两种热处理均显著提高了WHC，且干热处理的效果更为显著。过高的温度（GD-150）会显著降低OHC。GD-120、GD-135、GS-10和GS-15样品具有适中的WHC和稳定的OHC，适合用于3D打印原料。
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3.4. 糊化特性的变化：发芽显著降低了GBR的峰值粘度（PV）、低谷粘度（TV）和最终粘度（FV）。两种热处理均能有效恢复这些粘度参数。崩解值（BD）和回生值（SB）的结果表明，GD-135、GD-150、GS-15和GS-20具有优异的热稳定性和剪切抗性，以及较弱的淀粉老化趋势，有利于打印。
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3.5. 3D食品墨水的流变特性：频率扫描测试显示，所有凝胶的G'均大于G''（tanδ < 1），呈弹性主导。适度热处理（如GD-120、GD-135、GS-10、GS-15）显著提高了G'，并保持了适中的G''，实现了弹性和挤出流动性的良好平衡，有利于打印后的形状保持。
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3.6. 质构剖面分析：发芽显著降低了凝胶的硬度。两种热处理均能持续增加凝胶的硬度、胶粘性和咀嚼性。适度的硬度保证了良好的挤出性和自支撑能力。GS-15之后，继续延长处理时间会导致硬度轻微下降。
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3.7. 水分状态分析：LF-NMR结果显示，凝胶中不存在自由水，主要以结合水和半结合水形式存在。热处理促进了淀粉链的重组，形成了更致密的网络，增强了基质的水结合能力，导致弛豫峰左移（弛豫时间缩短），结合水比例上升，从而提升了打印浆料的自支撑能力。
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3.8. 傅里叶变换红外光谱分析：FTIR分析证实两种热处理均为物理改性，未产生新的化学官能团。热处理主要通过调节氢键相互作用，重建了分子间氢键网络。R1045/1022比值增加，表明短程有序度增强；而R1022/995比值降低，表明双螺旋结构部分解旋。
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3.9. X射线衍射晶体学：XRD图谱显示，所有凝胶样品均呈现典型的非晶态结构，仅在2θ=18–20°处有一个宽弥散峰。热处理未改变晶体类型，但随着处理强度增加，衍射峰强度略有增强，相对结晶度轻微增加，表明淀粉分子链发生了重排和聚集。
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3.10. 形态学观察：SEM图像显示，未经处理的GBR淀粉颗粒出现轻微粘连。热处理后，颗粒间聚集程度显著增加，表面粗糙度增大，出现局部凹陷和熔融特征，其中高压蒸汽处理诱导的颗粒粘连更为严重。对于凝胶微观结构，未改性的GBR凝胶网络疏松、孔隙不均。适度热处理（如GD-120、GD-135、GS-15）形成了均匀的三维多孔结构，孔径适中，孔壁连续完整，这有利于提升机械强度和打印形状保持能力。过度热处理则会导致网络破裂和孔隙重新扩大。
4. 总结与结论
总结讨论部分：综合上述结果，研究人员发现，发芽过程虽然富集了GABA，但也降解了淀粉大分子，削弱了凝胶网络结构，导致打印精度差。而适度的干热或高压蒸汽处理，通过促进淀粉分子的重排和分子间交联，修复了因发芽造成的结构损伤。这种结构修复体现在多个层面：恢复了糊化粘度，优化了凝胶的粘弹性（G'和G''升高），增强了凝胶硬度和持水力，并使水分分布更加受限。更重要的是，热处理诱导淀粉双螺旋结构部分解旋，增强了短程有序性，从而重建了一个更致密、均匀且稳定的三维多孔凝胶网络。正是这些优化的理化性质和均匀的微观结构共同赋予了改性GBR材料优异的打印性能。两种处理方法相比，干热处理在提升三维结构支撑力方面效果更突出，而高压蒸汽处理则在形成规则均匀的网络微结构方面更具优势。
翻译研究结论部分：综上所述，有针对性的适度热改性能够同步提升发芽糙米的营养功能和3D打印性。其核心优化机制在于调控淀粉分子的聚集行为、水结合能力和分布以及凝胶微网络结构。本研究阐明了热改性全谷物淀粉体系的“结构-流变-打印性”相关性，并为开发高性能3D打印全谷物食品原料的绿色、无化学改性策略提供了可行的理论基础和技术参考。
