一种新型的4D打印水凝胶制备方法，该水凝胶通过静电纺丝技术制备的玉米醇溶蛋白纳米纤维进行增强，并结合花青素介导的pH值触发颜色变化功能

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：A novel approach to 4D-printable hydrogels reinforced with electrospun zein nanofibers and anthocyanin-mediated pH-triggered color response

　　

摘要

在本研究中，我们提出了一种创新的方法，通过静电纺丝技术将蝶形豆（butterfly pea）中的花青素（BPA）封装起来，并利用这些负载了花青素的纳米纤维来打印出一种具有四维（4D）pH响应性的水凝胶。制备了不同浓度BPA的花青素纳米纤维：不含BPA的zein溶液（浓度30%，记为C）、含1% BPA的zein溶液（Z30B1）、含5% BPA的zein溶液（Z30B5）以及含10% BPA的zein溶液（Z30B10），并对其形态、结晶性能和热性质进行了表征。纤维直径在120纳米到280纳米之间，XRD和FTIR分析证实了zein与花青素之间的相互作用有限。热重分析显示，随着BPA含量的增加，水凝胶的热稳定性得到了提升。实验表明，含有10% BPA的纳米纤维样品具有最高的DPPH抗氧化活性；酚类物质和花青素的含量也呈现类似的趋势。所有配方均表现出剪切变稀的特性，流动性能指数（n）从C组的约0.376降低到Z30B10组的约0.296，稠度指数（K）则从约719升高到约1110 Pa·s。含有8%羧甲基纤维素（CMC）和纳米纤维的3D墨水成功打印成了水凝胶结构，在不同pH条件下观察到明显的颜色变化。纳米纤维对pH值的敏感性使其在酸性（pH 2）、中性（pH 7）和碱性（pH 11）缓冲液中分别显示从粉色到蓝色再到绿色的颜色变化。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，3D打印结构从表面光滑致密（C组）逐渐变为纤维状（Z30组），最终形成高度多孔的结构（Z30B10组）。这进一步表明，含有BPA负载纳米纤维的4D打印水凝胶有望作为智能包装材料或用于新鲜食品和蔬菜的活性包装。

引言

3D打印是一种创新技术，可用于制造各种功能性食品产品，在食品工业中因其优势而受到关注，例如能够实现个性化食品和营养设计、针对不同年龄段人群的专用食品以及优化供应链（Feng, Zhang, & Bhandari, 2025; F. Yang, Zhang, & Bhandari, 2017）。更进一步的是4D食品打印技术，与3D打印不同，4D打印依赖于智能材料，可以实时观察食品的颜色、形状和营养成分的变化。这些变化可由外部刺激引起，如pH值、温度、湿度变化、光线等（He, Zhang, & Guo, 2020a）。

Zein是一种从玉米中提取的蛋白质，由于含有亮氨酸、脯氨酸和丙氨酸等氨基酸，在水中不溶（Neo, Ray, Easteal, Nikolaidis, & Quek, 2012）。它的生物相容性、无毒性、易获取性、疏水性和可生物降解性使其成为静电纺丝纳米封装技术的理想选择（Jaski et al., 2022）。迄今为止，zein已被广泛应用于食品和生物化学领域，如食品包装、药物递送以及生物医学用途的功能涂层。先前的研究探索了zein用于封装红甘蓝花青素（Khalafi, Gharachorloo, Ganjloo, & Yousefi, 2024; Prietto et al., 2018）、蓝莓花青素（Wang et al., 2025）、 jamsbolan果中的花青素提取物（dos Santos et al., 2023）和紫色甜薯中的花青素（Wang et al., 2025）等。

Clitoria ternatea（俗称蝶形豆或蓝豆）是一种多年生豆科植物，是花青素的重要来源，其中包含被称为“ternatins”的多酰化delphinidin 3,3′,5′-triglucoside衍生物（Chandrajith, Gamage, & Choo, 2023; Chandrajith, Gamage, Lim, & Choo, 2021）。蝶形豆中的花青素根据pH值的不同会呈现不同的颜色：pH<3.2时为红色；pH 3.2–5.2时为紫色至蓝色；pH 5.2–8.2时为浅蓝色；pH 8.2–10.2时为深绿色（Bragueto, Wen, Zhang, Deliberali, & Granato, 2020）。这使得它们成为4D食品打印中作为智能材料或指示剂的理想选择（Hasanah, Azman, Rozzamri, Hanani, & Abedin, 2023）。直接使用BPA可能会导致颜料快速析出、水分降解和结构不稳定。利用微囊化技术可以解决这些稳定性问题。静电纺丝技术特别适合用于花青素的封装和稳定。该技术不仅能制备出高孔隙率和大比表面积的超细纳米纤维，还能赋予其优异的机械性能（Xue, Wu, Dai, Xia, & States, 2019）。

最大的挑战在于将负载了BPA的纳米纤维整合到可打印的基质中以实现4D食品打印。目前制备的BPA负载zein纳米纤维呈连续片状，无法直接加入3D墨水中。因此需要将它们切割成短纤维，然后与羧甲基纤维素（CMC）一起加入3D食品墨水中。CMC作为基质选择非常方便，因为它易于获取、溶于水且易于进行化学修饰，从而能够方便地配制3D打印墨水，并确保与zein纳米纤维网络的兼容性（Pettignano, Charlot, Fleury, & Fleury, 2019; Rahman et al., 2021）。静电纺丝与3D打印的结合是一种尚未在食品工业中广泛应用的新方法。之前的研究和综述提出了将纳米纤维引入3D打印墨中的方法，以便利用其纤维结构制作可定制的3D打印模型，这些模型在医疗（如伤口敷料）、医药（如组织工程）和农业（如收获设备）等领域有所应用，但在食品打印领域尚未得到应用（Vaseashta & B?lgen, 2022）。常见的方法包括：将静电纺丝纳米纤维嵌入纳米复合层中（Müller et al., 2013）；使用双头打印机结合挤压喷嘴和同轴静电纺丝喷嘴（Y. Ma et al., 2025）；在墨水中分散短化的纳米纤维（Yard?mc? & Office, 2020）。

花青素作为一种pH响应性色素，已被用于多种智能传感材料：静电纺丝得到的zein-花青素纤维可在酸性到碱性条件下从粉色变为绿色（Prietto et al., 2017），并可用于检测牛奶腐败（Gao et al., 2022）。它们还被用作3D基质中的抗渗漏传感器（Zhai et al., 2022），此外，紫色甜薯提取物在3D打印结构中能产生颜色变化（He et al., 2020a）。zein-BPA纳米纤维分散在CMC基质中形成的3D打印墨水，可在不同pH值下实现颜色变化，这种变化肉眼可见，有望未来应用于实时监测食品新鲜度。

据我们所知，目前尚未有关于纳米纤维与3D食品打印结合的研究。迄今为止，纳米纤维与3D打印的结合仅在生物打印领域有所研究，主要用于细胞、组织和软骨的再生（Kitana, Levario-diaz, Cavalcanti-adam, & Ionov, 2024; Stevens et al., 2019; T. Wu, Mo, & Xia, 2020; Xie, Gao, & Lobo, 2020; D. Yang, Faraz, Wang, & Radacsi, 2022）。因此，本研究旨在配制一种含有BPA负载zein纳米纤维的增强型3D打印墨水，以模拟4D颜色变化。我们将评估复合水凝胶在动态pH环境下的物理相互作用、流变性能、3D打印效果及颜色变化。

章节片段

材料与试剂

干燥的蝶形豆花（BP）由中国临沂银荣贸易有限公司提供。羧甲基纤维素（800-1200 mPa·s，USP标准，CAS：9004-32-4）和没食子酸（纯度99%，CAS：149–91-7）由中国北京Inokai科技有限公司提供。zein蛋白（纯度≥80%）由中国西安华兴生物技术有限公司提供。Folin-Ciocalteu试剂（CAS：M87220–100ML）由中国上海Meryer化学技术有限公司提供。所有其他试剂均为分析级。

静电纺丝溶液的特性

在静电纺丝过程中，粘度和电导率是影响纤维形态的重要因素。粒子与溶剂之间的粘弹性力以及静电力共同决定了纤维的特性。如表1所示，随着BPA提取物的逐渐加入，样品的粘度逐渐增加。其中Z30组（含30% zein的溶液）的粘度最低，为221.33 ± 1.70 cP。当加入1%、5%和10%的BPA后，粘度相应增加。

结论

我们开发了一种双重增强系统，使用静电纺丝得到的zein纳米纤维与BPA结合，制备出了用于3D打印的墨水。这些纳米纤维与BPA交联后表现出良好的水稳定性，适用于CMC墨水。虽然添加zein-BPA纳米纤维后一些流变参数有所改善，但建议进一步优化喷嘴直径以提高打印出的形状精度。

利益冲突声明

本研究中不存在利益冲突需要声明。

致谢

中国国家自然科学基金重点项目（项目编号：W2511020）和中央高校基本科研业务费（项目编号：JUSRP202416005）的财政支持使我们能够完成这项研究。

Anjelina Sundarsingh | Min Zhang | Bhesh Bhandari | Dongcui Fan江南大学食品科学与资源国家重点实验室，江苏省无锡市，中国