作为流变特性可调的结构性添加剂，大豆蛋白-麦芽糊精复合物用于基于挤压技术的3D食品打印墨水

《Food Hydrocolloids》：Soy protein–maltodextrin conjugates as rheologically tuneable structuring agents for extrusion-based 3D food printing inks

　　

摘要

在基于挤压的3D食品打印中，以大豆蛋白分离物为基料的油墨往往存在较窄的加工窗口，因为很难同时实现剪切作用下的顺畅流动和沉积后的快速结构恢复。蛋白质与碳水化合物的结合为解决这些矛盾提供了可能途径。本研究探讨了SPI与麦芽糊精的结合是否能够调节基于SPI的可打印油墨的流动性与成型性之间的平衡，並将其与热处理及物理混合体系进行比较。研究人员按照SPI:MD比为10:1至10:4的比例制备SPI–MD结合物，以此系统地改变麦芽糊精的掺入量。随着麦芽糊精含量的增加，糖化程度也相应提升。这种结合提高了蛋白质的溶解度，同时降低了吸水能力并提升了最低凝胶浓度，表明其分散性有所改善，但整体保水能力下降。流变学分析显示，所有油墨都具有剪切变稀特性且以弹性为主；不过，经过结合处理的体系比物理混合体系具有更低的流动阻力以及更好的剪切后结构恢复能力。这些流变学变化也体现在打印性能上：纯SPI制成的丝状物粗糙且不连续，而经过结合处理的油墨则能使挤出过程更加顺畅，同时提升形状的精确度。值得注意的是，C-SPI（10:3）表现出最均衡的性能，能够形成连续的丝状物，实现稳定的层叠效果，并具备良好的垂直成型能力。相反，当麦芽糊精掺入量过高（10:4）时，虽然有利于挤出，但却会降低三维结构的稳定性，这说明平面打印性能与垂直结构支撑性之间存在差异。总体而言，SPI–MD结合是一种实用的配方策略，可用于调节植物蛋白基食品油墨的流变特性及打印性能，其中在中等麦芽糊精掺入量时可实现最佳平衡。

引言

作为能够精准控制食品的几何形状、份量及成分的个性化食品制造平台，基于挤压的3D食品打印越来越受到关注（Liu等人，2017）。然而，这项技术的成功应用很大程度上受限于食品油墨的“打印窗口”，这类油墨必须同时满足两个相互矛盾的要求：既要在剪切作用下顺利通过喷嘴，又要在沉积后迅速恢复自支撑结构（Baimaganbetova等人，2024）。在挤压系统中，这种平衡不仅取决于剪切变稀行为，还与低剪切条件下的粘弹性支撑以及变形后的时间依赖性结构恢复有关（Yu等人，2023）。此外，打印过程中油墨会经历反复的变形过程——包括混合、注射、喷嘴剪切、沉积以及静止状态——因此触变性破坏及随后的结构恢复在很大程度上决定了打印层是否能保持连续、稳定且可层层堆叠（Yu等人，2023）。因此，设计出既能实现顺畅挤出又能保持足够成型性的油墨，依然是基于挤压的3D食品打印面临的核心挑战。

在各类候选材料中，植物蛋白分离物——尤其是大豆蛋白分离物——因其较高的蛋白质含量、理想的氨基酸组成以及广泛的工业应用前景，成为用于制作可打印食品的理想原料（Choi等人，2024）。然而，以SPI为基料的浆料往往具有狭窄且不稳定的打印窗口。根据加工方式和浓度不同，SPI可能会形成不均匀的聚集结构，这类结构具有较高的流动阻力且变形容忍度较低，从而导致挤出过程不连续、表面粗糙或喷嘴堵塞（Xie等人，2025）。相反，当分子间相互作用不足以在静止状态下形成自支撑网络时，沉积的丝状物可能会扩散、塌陷或融合，进而导致打印产品的分辨率和尺寸精度下降（Park等人，2017）。这些限制表明，仅通过调整固体含量是无法确保油墨的打印性能的。因此，以SPI为基料的油墨需要采用特定的配方策略，在挤出过程中尽量减少过度聚集，同时保持足够的网络连接性以确保沉积后的结构稳定性。在这种背景下，通过碳水化合物与SPI发生相互作用来对其进行定向修饰，被认为是一种极具前景的策略，因为这种方法能够同时改变蛋白质的水合状态、空间稳定机制以及蛋白质间的结合行为（Ma等人，2022）。

美拉德反应型的蛋白质-碳水化合物结合已被广泛用于调控蛋白质的功能性（Choi等人，2023）。在糖化过程中，碳水化合物基团会改变蛋白质的表面性质以及局部的水合环境。与简单的多糖物理混合不同，这种结合方式能够更稳定地改变蛋白质与碳水化合物之间的相互作用，从而实现对蛋白质溶解度、界面行为以及流变特性的调控（Ma等人，2022）。对于SPI而言，有研究指出，通过控制糖化过程，可以利用空间位阻效应和水合作用来提高分散稳定性，进而抑制蛋白质间的过度聚集（Choi等人，2023）。这些效应与基于挤压的3D打印工艺密切相关，因为在打印过程中，油墨不仅需要能够在剪切作用下流动，还必须在沉积后具备重新构建支撑结构的能力。

麦芽糊精因其食品级品质、中性特性、亲水性以及易于获取的特性，非常适合用作此类结合反应中的碳水化合物载体（Kim等人，2025）。因此，SPI–MD结合与其说是一种全新的化学改性方法，不如说是一种实用的配方工具，可用于调控蛋白质的分散性、流动阻力以及剪切后的结构恢复能力。不过，目前大多数关于SPI–MD结合物的研究都集中在静态或轻微变形条件下的传统功能特性上，如溶解度、乳化能力、起泡行为以及热稳定性等（Kim等人，2025）。而SPI–MD结合在调控与打印相关的变形行为方面的作用，尤其是挤出流动性与垂直成型性之间的平衡关系，目前仍缺乏充分的研究。此外，打印性能的评估往往主要基于表观粘度或小幅度粘弹性测量，而剪切作用带来的流动性与剪切后的结构重建之间的平衡关系则较少被关注，尤其是对于美拉德反应型的SPI-碳水化合物结合物而言。

基于以上原因，本研究旨在探究通过可控的SPI–MD结合是否能够调节基于SPI的油墨在基于挤压的3D食品打印中的流动性与成型性之间的平衡关系。研究人员按照SPI:MD比为10:1、10:2、10:3以及10:4的比例制备SPI–MD结合物，逐步增加麦芽糊精的掺入量，进而研究SPI网络连接性与人造麦芽糊精带来的分散效应之间的平衡如何影响油墨的流变特性及打印性能。研究还将纯SPI、经热处理的SPI、物理混合的SPI–MD体系以及经过结合处理的SPI–MD体系进行对比，以此区分加热处理、物理混合以及美拉德反应型修饰所带来的不同影响。最终，研究人员从理化性质、与打印相关的流变特性、剪切后结构恢复能力、微观结构以及实际打印效果等多个方面对所得油墨进行了分析。通过这些研究，可以了解SPI–MD结合是如何在挤压过程中的剪切条件下调控蛋白质网络连接性与物质变形行为之间平衡的。

章节节选

材料

SPI（粗蛋白含量约为89.3%，粗灰分4.3%，粗脂肪0.3%，总碳水化合物含量为6.1%）由韩国首尔的正宇公司提供，而麦芽糊精则由同一家公司的另一业务部门供应。本研究中所使用的其他所有化学品均为分析级产品。

SPI–MD结合物的制备

SPI–MD结合物是通过前期实验确定的优化流程制备的（见图1A）。这些实验是基于这样一个假设开展的，即能够实现最高结合效率的结合时间也

DG值

为了确定通过美拉德反应制备SPI–MD结合物的最佳条件，研究人员监测了DG值随SPI:MD比例以及湿热处理时间的变化情况。在湿热处理的初期，DG值会迅速上升；不过，达到稳定值所需的时间则取决于SPI:MD的比例（见图1A）。对于C-SPI（10:1）和C-SPI（10:2）来说，DG值在最初的1小时内就会急剧上升，1小时时数值约为14–16%。而在1小时到4小时之间，DG值的上升幅度则非常微小，这说明

结论

在本研究中，我们证明了通过美拉德反应对SPI进行改性，可以有效调控基于SPI的油墨的理化性质、流变特性以及与打印相关的性能。随着麦芽糊精掺入量的增加，糖化反应、褐变现象、与碳水化合物相关的FT-IR信号以及蛋白质的溶解度都会相应提升，这些变化都体现了美拉德反应改性作用的进展。与此同时，SPI–MD结合处理降低了水分活度，同时提升了最低凝胶浓度，这表明该处理方式能够减少油墨的总体保水能力，进而

作者贡献说明

Ji-Eun Bae： 文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、方法学研究、实验分析、概念构思。 Sang-Cheol Lee： 可视化处理、实验分析、正式分析。 Hyun Woo Choi： 文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化处理、方法学研究、资金筹集、概念构思。 Jungwoo Hahn： 文章撰写——审稿与编辑、文章撰写——初稿撰写、资源协调、方法学研究、资金筹集、概念构思。 Sang Gil Lee： 方法学研究，

未引用参考文献

O′ Flynn等人，2021年。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国海洋科学技术促进院（KIMST）的支持，该机构隶属于韩国海洋渔业部，相关资助项目编号为RS-2024-00404779和RS-2026-25536513。此外，本研究还获得了韩国农村发展行政部的支持，相关资助项目编号为RS-2026-25509673，以及农业科学与合作研究计划与技术发展项目的资助。

Ji-Eun Bae|Sang-Cheol Lee|Sang Gil Lee|Hyun Woo Choi|Jungwoo Hahn

韩国釜山48513，浦项国立大学食品科学与营养系