《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Nozzle extrusion-induced structural modulation and bioaccessibility in 3D printed bigels under fixed printing settings
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摘要在个性化营养领域，双胶体系在营养物质包封及三维食品打印方面展现出巨大潜力，但挤出过程引起的结构变化与生物活性物质可利用性之间的机制关联仍需进一步研究。本研究中，研究人员使用了由κ-卡拉胶-黄原胶水凝胶与蜂蜡油凝胶构成的油包水型双胶，探讨在固定打印参数下，不同喷嘴尺寸带来的挤出
摘要
在个性化营养领域，双胶体系在营养物质包封及三维食品打印方面展现出巨大潜力，但挤出过程引起的结构变化与生物活性物质可利用性之间的机制关联仍需进一步研究。本研究中，研究人员使用了由κ-卡拉胶-黄原胶水凝胶与蜂蜡油凝胶构成的油包水型双胶，探讨在固定打印参数下，不同喷嘴尺寸带来的挤出和沉积过程如何影响多尺度结构，以及这些结构变化如何影响3D打印的精度以及被包封生物活性物质的可利用性。与窄喷嘴条件（0.2–0.4毫米）相比，宽喷嘴条件（1.2–1.4毫米）通常能提升打印后产品的稳定性以及在肠道中的可利用性。具体而言，1.4毫米喷嘴所对应的维生素C和β-胡萝卜素的肠道可利用性最高，分别为63.79±0.85%和63.21±1.26%，而1.2毫米喷嘴则更有利于保持打印精度。流变学分析及共聚焦激光扫描显微镜检测表明，宽喷嘴条件能减少挤出过程中造成的微观结构破坏，维持更均匀的微观结构，同时更好地保留局部凝胶网络结构和水凝胶颗粒形态。这种结构上的保留有助于提高储存后的生物活性物质保留率以及肠道可利用性，而窄喷嘴条件则会导致更大的结构破坏，进而降低储存后的保留率。这些研究结果表明，3D打印双胶体系中包封生物活性物质的可利用性并非仅受喷嘴尺寸影响，还与不同喷嘴条件下的挤出过程引起的结构变化密切相关。这一发现为设计具有功能性 的可打印食品提供了重要参考。
引言
三维打印技术已成为食品行业尤其是个性化营养领域中越来越重要的工具。该技术能够精确控制食品的结构、质地和营养成分，从而为满足个体需求定制个性化的饮食方案（Bhat等人，2021；Tian等人，2021）。通过调控原料的微观结构，精准食品打印技术还能进一步拓展这一应用潜力，帮助设计出具有特定营养功能的食品（Matas-Gil等人，2025）。将生物活性物质融入3D食品打印技术中，还为开发含有维生素、营养强化剂及其他健康相关成分的功能性食品提供了可能（Kurapkien?等人，2024；Matas-Gil等人，2025）。然而，尽管3D打印技术具有巨大潜力，但在保持生物活性物质的保留率、输送效果及营养功能方面仍面临诸多挑战，因为材料差异、加工条件变化以及沉积行为都可能影响打印食品的结构质量和功能表现（Feng等人，2024）。
近年来，由水凝胶相和油凝胶相组成的混合体系——双胶，因其在个性化营养领域的3D打印应用前景而受到越来越多的关注（Qiu等人，2022）。由于其双相结构，双胶能够同时携带亲水性和疏水性成分，因此成为包封和稳定敏感生物活性物质的理想载体。当与食品3D打印技术结合使用时，尤其是通过双挤出沉积方式，双胶有助于改善打印产品的结构组织，调控被包封生物活性物质的释放行为，这对于实现个性化营养目标具有重要意义。先前的研究已经证明，食品级双胶能够包封多种生物活性物质，包括β-胡萝卜素、姜黄素和表没食子儿茶素没食子酸酯，从而提高这些物质在加工和储存过程中的稳定性（Lu等人，2022；Zheng等人，2020）。当与双挤出3D打印技术结合时，这类系统有望进一步提升这些化合物在功能性食品中的应用效果（Bürck等人，2026）。许多天然生物活性物质对加工条件和胃肠道环境较为敏感，这就需要具备保护功能的输送系统，以维持其稳定性并调控其释放行为（Zeng等人，2023）。虽然现有研究已证实双胶在配方设计、食品应用及3D打印领域中的可行性和多样性，但不同喷嘴尺寸下的挤出过程如何引发结构变化，进而影响打印后生物活性物质的保留率及其肠道可利用性，这一问题仍需进一步研究。
3D打印食品的功能性能与打印参数密切相关，如温度、喷嘴尺寸和打印速度等，这些参数都会影响材料的流动特性、沉积行为、最终产品的质量以及营养物质的输送效率（Feng等人，2025；Yu等人，2025）。其中，打印温度尤其会影响油墨的流变性能：较高温度通常会降低黏度，提高流动性，而较低温度则会使黏度上升，有助于保持打印后的形状（Qiu、Liu等人，2024）。喷嘴尺寸决定了挤出过程中材料的几何约束程度以及材料的变形情况，进而影响挤出行为、沉积出的纤维特性以及打印精度。这类结构效应既体现在样品层面，也体现在基质层面：样品层面的结构稳定性指的是打印产品的可打印性、形状保持能力以及尺寸精度，而基质层面的网络完整性则是指双胶系统中凝胶结构的保持程度以及各相的连续性。不过，尽管人们普遍认识到喷嘴尺寸会对打印性能产生影响，但不同喷嘴尺寸下的挤出和沉积过程是如何共同调控宏观结构和微观结构的保持状况的，以及这些多尺度结构变化又如何影响生物活性物质的保留率和肠道可利用性，这些问题目前仍缺乏足够的研究。
本研究采用了0.2、0.4、1.2和1.4毫米四种不同的喷嘴尺寸，在固定打印参数条件下，探究不同喷嘴尺寸下的挤出和沉积过程如何影响同时包封维生素C和β-胡萝卜素的双胶基3D打印系统的结构稳定性、网络完整性、生物活性物质保留率以及肠道可利用性。为此，研究人员结合打印性能观测、流变学分析、低场核磁共振检测、共聚焦激光扫描显微镜观察以及偏光显微镜分析，研究了不同喷嘴尺寸下样品层面的结构稳定性、基质层面的网络完整性、水分状态以及晶体形态。此外，还通过体外消化实验来评估这些生物活性物质的释放行为和肠道可利用性。总体而言，本研究旨在阐明在固定打印参数条件下，不同喷嘴尺寸下的挤出和沉积过程如何影响双胶打印系统的宏观和微观结构特征，以及这些多尺度结构差异如何与被包封生物活性物质的稳定性及输送性能相关联。
章节节选
材料
本研究所使用的脱色蜂蜡（分子量677.20，熔点56–65℃，酸值5–8，酯值80–95，总挥发性物质含量不超过1.00%）、黄原胶（平均分子量为2000.00千道尔顿）以及κ-卡拉胶（平均分子量为277.60千道尔顿）均购自荷兰Zwijndrecht地区的Sigma-Aldrich公司。玉米油则来自中国深圳的益海嘉里食品有限公司。食品级姜黄素（姜黄素类化合物总含量的98%）则购自山西青腾生物技术有限公司。
喷嘴尺寸对双胶3D打印性能的影响
图1展示了在不同喷嘴尺寸下打印出的产品经过12小时储存后的结构完整性、尺寸精度以及颜色稳定性。在窄喷嘴条件（0.2和0.4毫米）下挤出的纤维相对较细，结构稳定性较差，因此在打印过程中容易发生变形，从而导致纤维断裂（用红色箭头标出）。由此可见，窄喷嘴条件会降低垂直方向的打印效果。
结论
本研究结果表明，是喷嘴尺寸相关的挤出条件，而非单纯的喷嘴尺寸大小，通过调控双胶体系的宏观和微观结构特征，影响了其中包封的生物活性物质（维生素C和β-胡萝卜素）的稳定性及其在肠道中的可利用性。与窄喷嘴条件相比，宽喷嘴条件能更好地保持W/O型结构、水凝胶颗粒的形态以及晶体网络的完整性，从而
作者贡献说明
刘卓伟：论文撰写——审稿与编辑、论文撰写——初稿撰写、软件应用、正式分析、数据整理。邱润康：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、正式分析。刘丽雅：方法设计、正式分析。王凯：项目指导、方法设计。王凤忠：方法设计、正式分析。赵雷：论文撰写——审稿与编辑、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。
未引用参考文献
Rado?等人，2023
Tandel等人，2024
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
本研究得到了广东省自然科学基金的支持（项目编号：2024A1515012220）。
Zhuo-wei Liu|Runkang Qiu|Liya Liu|Kai Wang|Fengzhong Wang|Lei Zhao
中国广东省广州市510642，华南农业大学食品质量与安全省重点实验室
