淀粉生物合成中的基因修饰对大米淀粉3D打印性能的影响

《Food Chemistry》：Impact of genetic modifications in starch biosynthesis on 3D printing performance of rice starches

　　

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  be2b中直链淀粉含量较高，形成的凝胶具有致密的多孔结构和结晶结构。
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  SSIIa^TT中含有更多DP为6–12的支链淀粉，这使得凝胶的稳定性随时间提升。
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  SSIIa^GC中含有更多DP为12–24的fb1支链淀粉，导致凝胶的柔韧性降低。
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  be2b和SSIIa^GC在3D打印中的中期打印性能最佳。
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  SSIIa^TT在3D打印中的初始及长期打印性能最优。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是一种重要的主粮作物，既可作为食物被广泛食用，也被应用于多个行业。在食品领域，三维（3D）打印技术作为一种新兴技术，相较于传统制造方法具有诸多优势，比如能够制造出复杂的形状、实现营养内容的个性化定制，还能拓展可使用的食品原料范围。淀粉作为一种可再生且成本较低的生物聚合物，因其能够形成具有良好流变学和力学性能的凝胶，而被视为3D食品打印的理想材料（Cisneros, Zevillanos, & Cisneros-Zevallos, 2009; Moo-Huchin et al., 2015; Zeeman, Kossmann, & Smith, 2010）。当淀粉受热时会发生糊化反应，从而形成在打印后仍能保持形状和稳定性的淀粉凝胶，这一特性使得淀粉极为适合用于精确的3D食品打印应用（Rong et al., 2022）。对于基于挤出法的3D食品打印而言，稻米淀粉更具吸引力，因为其颗粒通常尺寸较小，脂质和蛋白质的干扰较低，而且其分子结构可调控，包括特定的直链淀粉含量以及支链淀粉链长分布，这些因素都会显著影响淀粉的糊化、糊化后状态以及凝胶的流变性能（Bhardwaj & Saini, 2025; Jain, Winuprasith, & Suphantharika, 2019; Wani et al., 2013）。在稻米淀粉中，含有较多短链支链淀粉（fa：DP 6–12和fab1：DP 13–24）的情况，会导致糊化温度降低，结晶区域结构较为松散；而较长的支链淀粉链则有助于增强链与链之间的结合力，提高凝胶强度（Fei, Han, Yu, Gong, & Jing, 2023; Li & Gong, 2020）。直链淀粉链长分布的不同会影响到稻米淀粉的糊化温度范围以及回生行为，中等长度的直链淀粉链与更窄的糊化范围以及更强的凝胶网络形成相关（Li, Hu, & Li, 2021）。此外，稻米淀粉经过热处理后可以形成均匀细腻的糊状物，这有利于连续挤出和精细的丝状沉积。这些结构与加工特性使得稻米淀粉成为研究淀粉分子结构如何影响3D打印性能的理想模型系统（Feng, Wang, Li, Zhou, & Meng, 2018; Y. Liu et al., 2020; Punia, Sandhu, Dhull, & Kaur, 2019; Zhang et al., 2020）。

对于基于挤出法的3D食品打印而言，材料的打印性能主要取决于挤出过程中的流动性与沉积后的稳定性之间的平衡（Chen, Zhang, Sun, & Phuhongsung, 2022; Qin et al., 2025; Zeng, Chen, Chen, & Zheng, 2021）。因此，屈服应力、表观粘度、剪切变稀行为、粘弹性以及结构恢复等流变参数是决定打印性能的关键因素（Li, Liu, & Li, 2016; Sweeney, Campbell, Hanson, Pantoya, & Christopher, 2017）。在稻米淀粉凝胶中，这些性质与分子的组成和链结构密切相关。直链淀粉会影响分子间的结合力、凝胶的硬度以及回生现象，而支链淀粉的细微结构，尤其是短链和中间链的相对含量，则会影响分子的移动性、保水能力以及剪切后的网络恢复能力（Li et al., 2021）。在稻米淀粉中，这些效应尤为重要，因为天然存在或通过育种获得的淀粉生物合成基因变异，可能会大幅改变直链淀粉的含量以及支链淀粉链长分布（Hu et al., 2025; Miura et al., 2018; Okpala, Aloryi, An, He, & Tang, 2022）。这类差异不仅会影响淀粉的糊化过程和凝胶结构，还会影响挤出行为、层堆叠效果以及存储过程中的打印精度。不过，目前关于基于淀粉的3D打印的研究大多集中在收获后的改性处理上，比如水热处理、化学/酶法改性，或是添加水溶性胶体，而通过调整淀粉自身的生物合成来改善打印性能的研究则相对较少（Chen, Zhang, et al., 2022; Qin et al., 2025）。

与传统的收获后改性方法相比，通过基因调控来调整淀粉结构具有诸多优势，比如能够在源头控制淀粉特性，减少后续加工步骤，还有可能提高重复性。不过这种策略也存在局限性：育种或基因操作需要耗费大量时间，还需要专门的种质资源和技术人才，而且根据生产方式和应用场景的不同，还可能面临监管或消费者接受度的挑战。尽管如此，它依然是一种有助于揭示结构与性能之间关系的有效方法，也有助于开发具有特定功能的淀粉材料。在我们之前的研究中，我们选择了两种籼稻品种——长特福B（LTF B，SSIIaTT/BEIIb）和BP577（SSIIaGC/be2b），这两种品种的淀粉合成酶IIa（SSIIa）和淀粉分支酶IIb（BEIIb）基因型不同。通过分子标记辅助杂交，我们培育出了携带多种等位基因的重组自交系（RILs）（Hu et al., 2023）。我们发现这些材料之间的淀粉结构存在显著差异，推测这些差异会导致3D打印产品的性能出现明显区别。因此，本研究的目的是探讨由育种导致的BEIIb和SSIIa基因差异如何影响稻米淀粉在回生过程中的凝胶微观结构、流变行为以及3D打印性能，从而建立从源头到性能再到打印性能的关联关系。这一研究为分子标记辅助育种作为一种从源头入手的方法，用于开发具有更好且更易预测的打印性能的淀粉材料提供了新的证据。

章节节选

材料

本研究共选择了6种直链淀粉含量（ACs）和链长分布（CLDs）各不相同的稻米淀粉（见表S1）。这些淀粉分别来自籼稻品种长特福B（LTFB）、直链淀粉扩展型突变体BP577，以及由它们杂交得到的4个具有不同表型的品种。这些稻米材料的表观直链淀粉含量（AAC）值以及CLD特征，是我们之前使用相同遗传材料和分析方法测定的

淀粉凝胶的微观形态

本研究共选择了6份淀粉样品，包括2个亲本品种（BP577和LTFB）以及4个杂交品种（BL02、BL03、BL06和BL10）。这些样品分别经过1小时、1天和7天的回生处理，之后再用于3D打印实验。扫描电子显微镜图像（图2A）显示，所有经过冷冻干燥处理并发生回生的淀粉凝胶都呈现出多孔结构，且不同稻米品种的这种结构存在差异。为了进一步分析它们的多孔结构，我们研究了淀粉凝胶中典型的孔隙区域

淀粉的分子结构与凝胶结构之间的关系

淀粉凝胶的蜂窝状多孔结构是在冷冻过程中形成的，此时凝胶中的水分会结晶成冰，迫使淀粉分子网络移至孔壁处（Ahmadzadeh & Ubeyitogullari, 2023）。因此，由淀粉分子聚集而成的网络结构，就成为了淀粉凝胶整体结构的基础。直链淀粉聚集形成网络的速度比支链淀粉快得多（Putaux et al., 2000）。所以，在

结论

本研究利用6种直链淀粉含量（26.85%–33.84%）和支链淀粉结构各不相同的稻米淀粉，研究了基因修饰对与3D打印相关的淀粉凝胶性能的影响。BEIIb基因敲除系（BP577、BL02、BL03）产生的高直链淀粉淀粉，其储能模量和高结晶度更高，而在长时间回生过程中的剪切恢复能力和稳定性更低，因此这类淀粉的中期打印性能（1天后）最佳，但初始打印性能（1小时后）较低

CRediT作者贡献说明

Yaqi Hu：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件应用，方法设计，实验研究，概念构思。Ziliang Qin：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件应用，方法设计，实验研究。Li Ding：写作——审阅与编辑。Xiaoning Liu：写作——审阅与编辑。Xingxun Liu：软件应用，方法设计，概念构思。Deyong Zhu：软件应用，方法设计，概念构思。Jacob Judas Kain Kirkensgaard：形式分析。Tomasz Pawel Czaja：写作——审阅与

利益冲突声明

作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号32372476）的支持。WAXS和SAXS数据是在哥本哈根大学的研究设施中获取的，该设施的部分资金来自FOODHAY（食品与健康开放创新实验室，丹麦研究基础设施路线图）。

Yaqi Hu|Ziliang Qin|Li Ding|Xiaoning Liu|Xingxun Liu|Deyong Zhu|Jacob Judas Kain Kirkensgaard|Tomasz Pawel Czaja|Sheng Chen|Andreas Blennow|Jiyu Yang|Jinsong Bao|Yuyue Zhong