《Food Bioscience》：κ-Carrageenan mediated microwave 3D printing of
Spirulina: Realizing immediate curing through temperature-dependent phase transition
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摘要螺旋藻是一种富含营养的微藻，目前主要以粉末形式被使用，这限制了它在食品结构构建中的直接作用。本研究通过引入κ-卡拉胶并运用微波3D打印技术，开发出一种基于螺旋藻的可打印系统，从而实现快速固化与高精度成型。流变学测试表明，κ-卡拉胶不仅能确保浆料在高温下的剪切变稀特性，还能使其
摘要
螺旋藻是一种富含营养的微藻，目前主要以粉末形式被使用，这限制了它在食品结构构建中的直接作用。本研究通过引入κ-卡拉胶并运用微波3D打印技术，开发出一种基于螺旋藻的可打印系统，从而实现快速固化与高精度成型。流变学测试表明，κ-卡拉胶不仅能确保浆料在高温下的剪切变稀特性，还能使其模量随温度降低而增加，进而便于在微波3D打印过程中实现顺畅的挤出和沉积。当κ-卡拉胶含量达到2%及以上、温度高于60℃时，即可成功打印出复杂结构。打印产品的凝胶强度、硬度及粘性等质地性能会随着κ-卡拉胶含量和打印温度的升高而提升。同时，压缩应力也会随着这两个参数的增加而显著上升，在κ-卡拉胶含量≥2%的高温条件下，还会出现明显的屈服行为。低场核磁共振和扫描电子显微镜分析显示，微波作用引发了协同交联效应，进一步增强了水分结合能力及网络交联密度。最后，数值模拟揭示了挤出过程中粘度、温度和剪切场之间的相互作用，阐明了κ-卡拉胶与微波加热共同作用于打印产品快速固化及表面质量提升的机制。
引言
随着生活水平的提高和消费观念的转变，消费者的需求已从基础营养转向对食品结构创新、口感以及外观吸引力的追求，这推动了兼具营养价值与加工适应性的食品配料的发展（Guine等人，2021；Novais等人，2022）。由于具有丰富的营养成分且生产方式可持续，微藻被视为未来食品领域极具潜力的成分（Batista等人，2011）。其中，螺旋藻因其富含优质蛋白质、生物活性多糖及必需氨基酸，同时还具备溶解性、凝胶化、乳化及发泡等功能特性而尤为突出（Lozober等人，2021）。螺旋藻蛋白在受热后会形成凝胶，且在冷却过程中通过分子间相互作用进一步增强，为三维网络的形成提供了基础（Feng等人，2023）。然而，目前螺旋藻的应用主要局限于以粉末形式添加到面团、饮料或片剂中作为营养强化剂，无法参与食品结构的构建。这一限制源于其坚硬的细胞壁，该细胞壁将细胞内成分包裹起来，阻碍了连续网络的形成。为解决这一问题，本研究开创性地提出了在3D食品打印中使用高含量的螺旋藻体系，使这种微藻既能发挥营养作用，又能承担结构功能（Demarco等人，2025）。
3D食品打印通过精确控制配方和加工参数，为食品结构的定制化提供了有效途径，有助于调节食品的微观结构和宏观性能（Lombardi等人，2025）。添加一些基础食品配料能够改善所打印凝胶的流变学性质和营养价值（Wang等人，2023）。不过，作为颗粒体系的微藻粉缺乏连续的交联网络，因此在挤出后难以保持形状（Jia等人，2025）。引入如κ-卡拉胶这类热响应型水胶体是提升其可打印性的有效方法。κ-卡拉胶在高温下呈随机卷曲结构，可降低粘度从而便于挤出，而在冷却时则会形成稳定的双螺旋网络（Liu等人，2022）。这种可逆的相变特性与挤出和沉积过程十分契合，有助于将分散的螺旋藻颗粒包裹在连续的网络中。我们之前的研究已经证明，κ-卡拉胶能够改善基于蛋白质的浆料在微波辅助3D打印过程中的挤出和堆积行为，但其在微藻基配方中的应用情况尚不明确（Xiong等人，2025）。
在含有κ-卡拉胶的体系中，温度控制对相变行为和成型效果有着至关重要的影响。传统的传导加热方式存在热量传递缓慢、温度分布不均的问题，难以在快速挤出过程中实现精确控制。相比之下，微波3D打印可通过喷嘴处的同轴微波辐射实现整体加热，从而使温度分布更加均匀且迅速（Zhao等人，2024）。除了热效应之外，微波还会引发蛋白质的结构变化。微波处理能够促使螺旋藻蛋白展开，暴露出疏水基团和巯基，增加表面的疏水性，进而通过疏水相互作用和二硫键结合促进蛋白质聚集（Zhang等人，2023）。分子动力学研究显示，微波会破坏蛋白质中的溶剂氢键，同时增强分子间的静电相互作用，从而使蛋白质的三级结构更加紧密，二级结构则几乎不受影响（Hong等人，2025）。此外，微波照射下细胞内水分的快速蒸发可能会产生局部压力，这一压力被认为有助于破坏细胞壁并释放出细胞内的成分（Zeng等人，2014）。这些由微波引发的转变会在挤出之前发生：蛋白质的展开增加了其与κ-卡拉胶相互作用的位点，而细胞结构的破坏则提升了蛋白质和多糖用于构建网络的可用性。综上所述，这些效应共同促进了连续凝胶网络的形成，进而协同提升了螺旋藻粉末的成型性能（Zhu等人，2023）。
本研究开发了一种螺旋藻-κ-卡拉胶复合体系，并系统研究了其在微波辅助3D打印条件下的可打印性及固化行为。研究人员在不同微波功率下，使用不同浓度的κ-卡拉胶配方进行了打印。通过流变学测试、低场核磁共振分析、傅里叶变换红外光谱检测、扫描电子显微镜观察以及数值模拟等方法，分析了该体系的结构演变、成分释放情况以及分子间相互作用。这项研究为个性化螺旋藻基食品的设计奠定了基础，同时也推动了微藻粉在结构化食品体系中的应用。
章节节选
材料
螺旋藻粉购自福清金达尔玛斯螺旋藻有限公司。通过激光衍射分析测定，该粉末的基本理化性质如下：蛋白质含量为65.7%（干基），水分含量为6.41%，粒径（DN50 = 21.49 μm）。κ-卡拉胶则购自上海阿拉丁生化科技有限公司。其他所有化学试剂均为分析级，由默克公司提供。
κ-卡拉胶对螺旋藻浆液流变特性的影响
用于基于挤出技术的3D打印的理想材料应具备剪切变稀特性，这样才能实现顺畅的挤出以及在沉积后快速恢复结构。本研究在不同温度下评估了不同浓度κ-卡拉胶的螺旋藻浆液的流变行为。如图1a所示，由于颗粒和聚合物链在剪切力作用下会发生排列与解聚，所有样品都表现出明显的剪切变稀特性，满足了基本的打印要求。在固定
结论
本研究通过引入κ-卡拉胶并结合微波辅助3D打印技术，开发出一种基于螺旋藻的打印系统，该系统可实现快速固化与高精度成型。流变学测试结果表明，κ-卡拉胶赋予了体系温度响应特性：加热时凝胶网络解体，粘度降低从而便于挤出；而冷却时网络又会迅速重新形成，从而使打印出的线条立即稳定下来。这一响应特性与微波作用机制十分契合
作者贡献说明
张娜娜：文章撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、项目管理。安晓林：方法设计、定量分析、概念构思。颜博文：文章撰写——审阅与编辑、结果可视化、项目监督。范大明：项目监督、资金筹集。程宏远：结果可视化、资源协调、方法设计。张阳：项目监督、资源协调。刘宇：结果验证、项目监督、资金筹集。张恒伟：实验研究、数据整理。赵子龙：文章撰写——审阅与编辑，
利益冲突声明
在本手稿的提交过程中不存在任何利益冲突，且所有作者均同意发表该手稿。我谨代表各位合著者声明，本文所述内容为原创研究，尚未在任何其他地方发表，也不存在部分或全部被其他期刊考虑发表的情况。我们声明，与本研究所涉及的工作无关，我们没有任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。
致谢：
本研究得到了国家“十四五”重点研发计划项目（编号：2025YFE0215300）、江苏省先进食品制造装备与技术重点实验室（编号：FMZ202301）以及江苏省食品安全与质量控制协同创新中心的支持。
Dingxuan Xu|Zilong Zhao|Hangwei Zhang|Xiaolin An|Nana Zhang|Bowen Yan|Yu Liu|Yang Zhang|Hongyuan Cheng|Daming Fan
中国无锡214122，江南大学食品科学与资源国家重点实验室
