《Food Hydrocolloids》：Preparation of soybean protein isolate-rice bran oil bigels and their 3D printing potential for dysphagia foods
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摘要3D打印技术作为一种有前景的技术，可用于开发能满足吞咽障碍患者需求的营养食品。然而，单一的水凝胶或油凝胶无法满足3D打印的严格性能要求，而双凝胶则通过结合两种凝胶的优点，成为理想的打印墨水。本研究以大豆分离蛋白和米糠油为原料，按照30:70、40:60、50:50、60:40
摘要
3D打印技术作为一种有前景的技术，可用于开发能满足吞咽障碍患者需求的营养食品。然而，单一的水凝胶或油凝胶无法满足3D打印的严格性能要求，而双凝胶则通过结合两种凝胶的优点，成为理想的打印墨水。本研究以大豆分离蛋白和米糠油为原料，按照30:70、40:60、50:50、60:40以及70:30的油凝胶/水凝胶比例制备了双凝胶。通过共聚焦激光扫描显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、差示扫描量热法、流变学分析、质地分析、低场核磁共振、液体结合能力检测、氧化稳定性测试、国际吞咽障碍饮食标准化倡议组织标准测试，以及使用3D打印笔进行手工挤出试验，对样品进行了表征。油凝胶含量的增加促使相结构从水包油型转变为双连续相及油包水型，增强了氢键相关的光谱变化和结晶度，同时降低了自由水的流动性。所有配方都表现出剪切变稀特性以及以弹性为主的网络结构。其中，BG6（60:40）的性能最为均衡，具有最高的热稳定性（Tpeak=55.17℃）、极高的液体结合能力（98.68%）、相对较慢的脂质氧化速度，符合IDDSI 5级标准，且在手工挤出后形成的F型、Z型和立方体结构在视觉上也很稳定。这些结果表明，在所测试条件下，大豆分离蛋白-米糠油双凝胶，尤其是BG6，具有作为用于制作针对吞咽障碍患者的3D打印食品的植物基可食用墨水的潜力。
引言
全球人口老龄化趋势日益明显。根据联合国的统计预测，到2050年，亚太地区的老年人数量将翻一番，达到13亿，约占全球总数的四分之一。（Nations，2024）随着生理功能逐渐衰退，吞咽障碍成为老年人常见的并发症，导致他们营养摄入不足、免疫力下降，进而更容易出现吸入性肺炎和窒息等危及生命的状况，严重影响老年人的生活质量和健康状况（Gallego等人，2022）。目前，饮食干预是解决这一问题的主要方法。将食物质地调整为柔软、光滑的凝胶状或糊状，可在最大程度上降低吞咽风险（Qin等人，2026）。因此，如何开发既易于吞咽又富含营养的老年食品，是一个亟待解决的难题。
3D打印技术凭借其精确定制、多尺度质地控制以及精准输送营养物质的优势，为针对吞咽障碍的创新食品设计提供了全新的解决方案（Lorenz等人，2022；M. Wang, Jiang等人，2025）。最新研究表明，用于制作吞咽障碍相关3D打印食品的性能不仅取决于墨水的流变学性质和质地特性，还与挤出速率、喷嘴尺寸、打印速度以及逐层沉积行为等打印参数密切相关。因此，在为吞咽障碍食品设计基于凝胶的墨水时，需同时考虑材料配方和打印参数（Jia等人，2026；Yang等人，2026）。3D打印出来的结构的成型效果和吞咽适应性在很大程度上取决于打印墨水的流变学性质和质地特征（Guedes等人，2025）。长期以来，由于乳液和凝胶具有出色的流变调节能力，一直是3D打印吞咽障碍食品研究领域的热点（Ji等人，2026；Lv等人，2026；Tong等人，2026；H. Wang, Jiang等人，2025；J. Wang, Jiang等人，2025）。但在实际3D打印过程中，这类材料仍存在结构稳定性不足、自支撑能力较差等问题（Wen等人，2026）。而由水凝胶相和油凝胶相组成的双相凝胶平台——双凝胶，则能为平衡挤出性能、结构保持性、润滑效果以及营养物质输送功能提供更好的调控可能性（Srivastava & Singh，2025）。
双凝胶是通过将水凝胶和油凝胶混合而成的双相系统。它兼具两种凝胶系统的优点，不仅具有较高的结构稳定性，还能同时输送亲脂性和亲水性生物活性成分（Mao & Meng，2024）。因此，双凝胶能够在保持可调机械性能的同时，输送亲水和亲脂性的生物活性成分。在针对吞咽障碍的应用中，人们通过调整胶原蛋白浓度以及油凝胶/水凝胶的比例，制备出了具有剪切变稀特性的、富含蛋白质的半固体产品，即胶原蛋白/巴西棕榈蜡双凝胶（Eisinait?等人，2023）；此外，以瓜尔胶为基础的双凝胶也被调整为符合IDDSI 4级或5级质地的产品，同时还提升了姜黄素的生物利用度（Jin等人，2026）。还有研究指出，由蜡类物质、油凝胶剂共同构成的双凝胶可作为在吞咽障碍食品中同时输送亲水性和亲脂性化合物的递送系统（L. Yang, Wang等人，2026），而负载姜黄素的双凝胶也被应用于为老年人制作的3D打印食品中（Kurapkien?等人，2024）。在已报道的食品级双凝胶中，水凝胶基质通常由乳清蛋白、淀粉以及多糖构成，而油凝胶相则多为经过蜡类物质、单甘酯或乙基纤维素处理后的结构化脂类或食用油（Dimakopoulou-Papazoglou等人，2025；Ghiasi & Golmakani，2022；Li等人，2025）。但由于乳清蛋白成本较高，且淀粉和多糖凝胶的血糖生成指数偏高，不适合老年人食用，因此有必要开发低成本、低糖分的植物基蛋白水凝胶。大豆分离蛋白是一种来源丰富且营养价值极高的植物基胶体成分（Peng等人，2025）。它含有全部八种必需氨基酸，经过热固化或诱导固化后能够形成三维凝胶网络（Cao等人，2025；Hu等人，2025），这种凝胶网络不仅具有出色的凝胶强度，还具有良好的生物相容性，为构建双相凝胶带来了广阔的应用前景。不过，单组分大豆分离蛋白水凝胶的机械强度有限，难以稳定承载活性成分，这限制了其在3D打印领域的应用。一种简单有效的解决方法就是将其与油凝胶混合来增强其性能。最近有一项关于大豆分离蛋白-蜂蜡双凝胶的研究进一步表明，喷嘴尺寸能够影响打印出的食品质地、IDDSI等级以及生物活性成分的生物利用度，这进一步证明了基于大豆分离蛋白的双凝胶在用于制作便于吞咽的3D打印食品方面的应用价值（Qiu等人，2024）。目前，油凝胶的制备主要采用大豆油（Tian等人，2024），以及葵花籽油和玉米油（Xie等人，2023）。与这些油脂相比，米糠油富含亚油酸和α-生育酚等不饱和脂肪酸（Sportiello等人，2025），同时还含有多种生物活性成分，具备抗氧化和调节血脂等潜在生理活性（Kammeekum等人，2025）。因此，将大豆分离蛋白水凝胶与基于米糠油的油凝胶相结合，有望为制作针对吞咽障碍患者的食品提供一种植物基双凝胶平台。
双凝胶的性能取决于其核心组分的协同兼容性以及比例调控效果（Zampouni等人，2024）。研究人员已经开始探究油凝胶/水凝胶比例对双凝胶结构稳定性的影响。例如，在Nutter等人以米糠蜡作为油凝胶基质、海藻酸钠/κ-卡拉胶作为水凝胶基质研究植物基双凝胶时，7:3与8:2的油凝胶/水凝胶比例显著影响了该体系的相分离状态和液体结合能力。8:2的比例由于其更致密的晶体网络，具有更优异的物理稳定性（Nutter等人，2023）。Qiu等人发现，当使用大豆分离蛋白水凝胶和蜂蜡油凝胶来制备双凝胶墨水时，当水凝胶与油凝胶的比例为7:3时，该墨水具有最佳的剪切变稀特性、恢复粘度和屈服应力。此时3D打印出的空心旋转结构的精度可超过99%，远优于其他比例下的成品（Qiu等人，2024）。这些结果表明，不同油凝胶/水凝胶比例制备的双凝胶在各项性能指标上存在显著差异。因此，有必要研究油凝胶/水凝胶比例是如何影响大豆分离蛋白-米糠油双凝胶的结构稳定性与功能特性的，从而判断它们在用于制作针对吞咽障碍患者的食品方面的应用潜力。
本研究以大豆分离蛋白水凝胶和米糠油-蜂蜡油凝胶作为两个相，构建了一种大豆分离蛋白-米糠油双凝胶体系。研究的目的是探讨油凝胶/水凝胶比例如何影响该体系的微观结构、分子相互作用、结晶度、热行为、流变学性质、质地、水分分布、液体结合能力、氧化稳定性、基于IDDSI标准的质地评估结果以及基于挤出工艺的3D打印性能。本研究旨在为开发用作针对吞咽障碍患者食品的改性食品的植物基双凝胶墨水提供配方依据。
章节节选
材料
纯度≥90%的大豆分离蛋白购自中国上海的Aladdin Reagent Co., Ltd.。米糠油购自中国长春的当地超市。食品级蜂蜡购自中国上海的Macklin Biochemical Technology Co., Ltd。尼罗红、异硫氰酸酯、甲醇、正丁醇、异丙醇、异辛烷、三氯乙酸、硫代巴比妥酸、硫氰酸铵、氯化钡以及七水合硫酸亚铁均购自中国上海的Aladdin Reagent Co., Ltd.
双凝胶的外观与微观结构
图1A展示了大豆分离蛋白水凝胶、不同油凝胶/水凝胶比例的双凝胶以及基于米糠油的油凝胶的外观。在25℃环境下，所有样品都处于半固态。所有的凝胶样品都能保持直立状态，没有下垂现象，这证明所有样品都成功形成了具有自支撑能力的凝胶网络（Ren等人，2024）。从外观和手感观察来看，水凝胶呈现出不透明、乳黄色的外观，而双凝胶则呈现出乳白色的光滑表面。随着
结论
在本研究中，我们构建了油凝胶/水凝胶比例在30:70至70:30之间的大豆分离蛋白-米糠油双凝胶体系，系统研究了油凝胶/水凝胶比例对该体系各项性能的调控作用，旨在解决单一组分凝胶在用于3D打印吞咽障碍食品时的性能缺陷。研究结果表明，油凝胶/水凝胶比例是决定双凝胶相结构与功能的核心因素，它会导致体系从水包油型相结构依次发生相转变
作者贡献说明
Shuo Han：正式分析、方法设计、初稿撰写。 Yanan Zhao：概念构思、实验研究。 Herui Zhang：数据整理、实验研究。 Qiufeng Zhang：数据整理。 Boqun Liu：概念构思、研究指导、审稿与编辑工作。 Yang Li：概念构思、研究指导。
利益冲突声明
本稿件尚未以部分或全部形式在其他期刊发表或展示，也未被其他期刊受理。所有作者均已同意发表本研究成果。我们已仔细阅读并了解贵刊的投稿规范，确认本稿件及相关研究内容均未违反这些规定。我们不存在任何需要声明的利益冲突。
Shuo Han|Yanan Zhao|Herui Zhang|Qiufeng Zhang|Boqun Liu|Yang Li
中国黑龙江省哈尔滨市东北农业大学食品科学学院，邮编150030
