混合挤压印刷作为一种新颖的策略，用于制备结构复杂的基于挤压技术的肉类仿制品，同时实现了液体释放功能的提升

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Hybrid extrusion printing as a novel strategy to engineer structurally complex extrusion-based meat analogues with enhanced liquid release

　　摘要
肉类替代品的重要性不断提升，然而复制整个切割肉制品仍然面临重大挑战，尤其是在质地和多汁性方面。在这项研究中，我们引入了混合挤出打印（HEP）技术，这是一种基于共挤出的新方法，它使用了一种专门设计的双流分离板系统来生产高水分肉替代品（HMMA）。该系统将挤出机的螺杆部分的蛋白质物质分成单独的流道，同时在这些流道之间分配次要的粘合剂流。我们在模型系统上对大豆蛋白分离物作为蛋白质物质和明胶作为粘合剂流进行了可行性评估，考察了不同的工艺参数，如温度和粘合剂流速。采用光学和机械方法来评价所得产品的性能。此外，还在与挤出相关的条件下阐明了流变性能，包括粘度和松弛时间，以便更好地理解工艺，重点关注流动稳定性。研究结果表明，HEP技术在生产复杂结构的蛋白质基食品系统方面具有巨大潜力。虽然提高蛋白质物质的温度可以增强相邻宏观纤维的结合，从而将各向异性降低四倍，但粘合剂流将蛋白质物质温度的影响与纤维间的结合分离。此外，添加粘合剂流后，无论蛋白质物质温度如何，压缩液体释放量都有显著增加，最多可达13%的重量百分比。

引言
与工业肉类生产相关的环境和伦理问题推动了肉类替代品的研究和开发。尽管消费者兴趣日益增长，但由于感官和结构上的挑战，尤其是质地和多汁性方面的问题，其接受度仍然有限（Sun等人，2021；Vallikkadan等人，2023；Yan等人，2024）。传统肉类的一个关键特征是其复杂的结构。骨骼肌跨越多个长度尺度，从纳米级的肌纤维到宏观的肌肉束。肌纤维群（直径1-2微米）形成肌肉纤维，这些圆柱形细胞的直径通常为10-100微米（Slayven & Matthews，2024）。多个肌肉纤维组织成不同层次的肌肉纤维束（Albrecht等人，2006）。根据文献，典型的直径范围可以从0.5毫米到几毫米（Hena等人，2017；Wilhelm等人，2025）。然而，必须注意的是，肌肉纤维和肌肉纤维束的大小取决于许多因素，如动物的品种和年龄（Albrecht等人，2006）。重要的是，正如Lillford（2011）所指出的，这种组织层次，而不是单个纤维，很大程度上决定了消费者感知的纤维质地。肌肉纤维和纤维束被富含胶原蛋白的结缔组织层所包裹，分别称为内肌膜和外肌膜，其中外肌膜贡献了超过90%的总胶原蛋白含量（McCormick，1994）。就消费者感知而言，较高的胶原蛋白含量以及更多的胶原交联会导致触感上的硬度增加（Chriki等人，2013；Xie & Grossmann，2025）。在热处理下，天然胶原蛋白会发生降解，大约在50摄氏度左右开始转化为明胶（Duconseille等人，2015；Wang, Tian等人，2022）。作为一种热可逆凝胶，明胶在较高温度下呈液态，并在冷却时通过形成明胶三螺旋结构而固化（Tang等人，2022）。肌肉内脂肪（IMF）影响肉质，并在调节嫩度、多汁性和风味方面起着重要作用，这些通常是通过对感官分析来评估的关键感官属性（Corbin等人，2015；O'Quinn等人，2012；Zhang等人，2022）。IMF主要位于外肌膜中，以脂肪细胞的形式存在（Lawrence等人，2012）。物种、性别、年龄和生长阶段等因素显著影响胶原交联、IMF分布和肌肉纤维的大小，从而影响肉质（McCormick，1994；Slayven & Matthews，2024）。当生产尽可能模仿肌肉肉质纹理特性的肉类替代品时，考虑肌肉的多尺度组织至关重要，包括富含蛋白质和明胶的相。已经开发了多种通过结构化富含蛋白质的植物基原材料来复制肉制品的工艺。其中，高水分双螺杆挤出是最广泛使用的工业方法来生产中间阶段的肉类替代品。在这个过程中，植物基混合物被送入挤出机，在螺杆部分与水混合并在受控的温度和剪切下塑化。然后，所得物质通过适配器传输到连接到螺杆部分的冷却模具中，在那里蛋白质物质固化，形成特有的抛物线形微结构（van der Sman & van der Goot，2023）。结构形成可以受到配方（Q. Chen等人，2022；Dahal等人，2025；Ellwanger等人，2024）和工艺条件（Ellwanger, Pernice等人，2023；Kaunisto等人，2024）的影响，许多研究都证明了这一点。高水分双螺杆挤出在复制单个肌肉纤维级别的肉结构方面具有巨大潜力，因为由此产生的结构具有相似的长度尺度。然而，传统的高水分挤出技术在生成更大的结构以模仿肌肉纤维束方面仍然有限（Wilhelm等人，2025）。此外，在增强植物基替代品的多汁性和香气方面仍存在困难（Godschalk-Broers等人，2022；Oppen等人，2024；Xu & Falsafi，2023）。以前尝试通过在螺杆部分添加油来提高高水分肉替代品（HMMA）的多汁性（Akdogan，1999；Kendler等人，2021；Opaluwa, Lott, Karbstein和Emin，2023；Opaluwa, Deskovski, Karbstein和Emin，2024；Opaluwa, De Angelis, Summo和Karbstein，2025；Saavedra Isusi等人，2023；Wang, Zhang等人，2022）。然而，这可能会对挤出过程的稳定性产生负面影响，并影响所得HMMA的纤维结构和机械性能（Akdogan，1999）。在替代的结构化方法中，3D打印因其宏观结构的高精度而成为一种有前景的工具（Chakravorty & Das，2024；Cheng等人，2024；Lombardi等人，2025）。使用定制的墨水可以有针对性地设计产品性能，如多汁性（Demircan等人，2023；Dom?alska & Jakubczyk，2025）。此外，交替的富含蛋白质和脂肪的相可以模仿大理石花纹结构（Park等人，2023）。然而，逐层沉积的可扩展性仍然是一个主要瓶颈，限制了工业肉类替代品的产量。相比之下，基于挤出的结构化方法提供了高可扩展性，但在生成宏观纤维结构方面传统上受到限制，难以模拟肌肉纤维束的尺寸（Dekkers等人，2018）。最近的研究探索了通过在挤出过程中在螺杆出口加入分离板来实现可控宏观结构的潜力。Zheng等人证明，这种改进的模具设计导致了宏观平行排列的蛋白质纤维的形成，并增强了纹理化程度（Zheng等人，2024）。在我们之前的研究中，我们证明了几何形状不同的分离板可以实现多种宏观结构。我们进一步发现，使用分离板的挤出可以作为一个多尺度结构化过程，在这个过程中，特征性的抛物线形微结构被平行的宏观纤维叠加（Pernice等人，2025）。虽然这两项研究都有效地强调了使用分离板在挤出中促进宏观结构形成的潜力，但在在线过程中增强多汁性的策略仍然有限。本研究介绍了混合挤出打印（HEP）技术，它采用了一种新的基于共挤出的双流分离板系统，用于连续生产多组分肉类替代品。在这种配置中，蛋白质物质被分成单独的流道，同时通过专用通道在蛋白质流之间分配粘合剂流。这种方法同时解决了3D打印的可扩展性限制以及肉类替代品在多汁性和风味方面的常见缺点。

这是第一项研究，在高水分挤出中应用双流分离板来生成复杂结构并提高压缩液体释放的研究。明胶被选为易于加工的热可逆凝胶化剂。这项工作的核心焦点是粘合剂流对最终质地的影响。使用基于成像的方法进行了结构表征，包括低温成像、撕裂图像和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）对选定的样品进行观察。这些定性观察通过定量评估机械各向异性和压缩液体释放来补充。我们假设，在双流分离板下游加入明胶基粘合剂流可以抑制相邻蛋白质物质流的重组，从而促进更加明显的各向异性结构的形成。随着粘合剂流比例的增加，这种分离效果预计会增强，导致机械各向异性逐渐增加。此外，我们提出，通过双流分离板整合明胶基粘合剂流可以提高压缩液体释放量，与不加入粘合剂的对照组相比，液体释放量的增加幅度随着粘合剂比例的增加而增加。这种行为将展示HEP技术在提高肉类替代品多汁性方面的潜力，而不会损害结构各向异性。由于所提出的处理方法的共挤出特性，有三个主要因素会影响流动稳定性：各个流道的流速、流道之间的粘度比以及每个流道的弹性。首先，参与流体的流速在保持稳定共挤出中起着关键作用（Tzoganakis & Perdikoulias，2000）。其次，粘度比可以显著影响稳定性，因为粘度差异大往往会破坏流动的稳定性（Borzacchiello等人，2014；Vynckier等人，2014）。第三，弹性和松弛行为是控制流动稳定性的主要因素（K. Chen，1991；Hinch等人，1992；Martyn等人，2009），它们会影响不同干扰波长下的不稳定性（Su & Khomami，1992），并且根据其他流体和工艺参数可以稳定或破坏流动（Hazra等人，2024）。为了深入了解这些流体的流变行为，可以通过旋转测量剪切粘度???(???)（其中???是施加的剪切率）来补充振荡测量。复粘度∣????(??) ∣可以通过存储模量??′和损耗模量??″使用方程（1）计算得出，??是角频率（Mezger，2020）。对于某些材料，复粘度可以根据Cox和Merz的方程（Cox & Merz，1958）转换为剪切粘度（???(???)=|????(??)|∣???=??）。文献强烈表明，方程（2）不仅适用于经典聚合物（Ellwanger, Georgantopoulos等人，2023），也适用于与高水分挤出相关的浓缩蛋白质系统（Van Der Sman等人，2023）。壁面剪切率???wall表示层流通道中的最大剪切率，可以使用方程（3）估算。这里，??是平均流速，D是内通道直径（Macosko，1994）。材料的特征松弛时间????????????可以根据方程（4）计算，作为角频率的倒数，此时??′等于??″（Mezger，2021）。松弛时间对温度的依赖性可以使用Williams-Landel-Ferry（WLF）方程（方程（5）描述，用于拟合实验松弛时间数据（Mavridis & Shroff，1992；Mezger，2020）。??1和??2是经验确定的参数，??ref是已知松弛时间?????????????(??ref)的参考温度。最后，无量纲Deborah数（De）可以用来量化粘弹性物质的松弛状态，根据方程（6）定义为材料的松弛时间????????????与施加变形的特征时间尺度????????的比值。对于De >?>?1，材料预计表现为类似固体的状态；而对于De?
材料
大豆蛋白分离物（SPI）（干基蛋白质含量90%，水分含量3-6%）由Solae LLC（美国密苏里州圣路易斯）提供。所有实验均使用自来水。明胶（240 Bloom）作为凝胶化剂，从Carl Roth GmbH + Co. KG（德国卡尔斯鲁厄）购买。FSC 22冷冻切片介质（Leica Biosystems GmbH，德国努斯洛赫）用作切片介质。用于样品固定的聚维醇（Mowiol，Carl Roth GmbH + Co. KG，德国卡尔斯鲁厄）。

双流分离板
双流分离板是在研究所自己的车间用不锈钢制成的。它由一个板载体、两个Swagelok连接器、一个密封环以及板1和板2组成，如图1a所示。Swagelok连接器作为进入板载体的入口，每个连接器通向一个贯穿载体厚度的通孔，用于粘合剂相。图1被插入到板材承载器的切口中，而密封环确保了图2与……之间的紧密连接。结果与讨论：为了评估蛋白质-质量温度如何影响双流破碎板下游的结构形成，在90至140°C的温度范围内进行了挤压实验，温度间隔为10K。由于蛋白质-质量温度控制着分子流动性、松弛行为和网络形成，因此它直接影响了蛋白质通过破碎板后的重新组合。此外，粘合剂流速从0毫升/分钟（对照）变化到4毫升/分钟。结论：本研究提出了一种基于挤压的新方法，用于富含蛋白质的基质的复杂结构构建，同时加入粘合剂成分以增强压缩过程中的液体释放。该方法适用于模仿整块肉制品（如戈拉什肉片、烤肉片、肉排或牛排）的应用领域。由于该技术基于挤压工艺，因此有望中期整合到现有的工业生产线中。关于手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明：在准备本工作时，作者使用了ChatGPT、OpenAI来改进语法、可读性和风格。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全部责任。作者贡献声明：Laurids Pernice：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、资金获取、形式分析、概念化；Victoria Fuhl：验证、调查、形式分析；Ulrike S. van der Schaaf：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调；Nico Leister：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。资助：L.P.衷心感谢德国联邦环境基金会（DBU）的奖学金计划提供的 financial support。利益冲突声明：作者声明以下可能的财务利益/个人关系可能会被视为潜在的利益冲突：Laurids Pernice 表示获得了德国联邦环境基金会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。作者列表：Laurids Pernice | Victoria Fuhl | Ulrike S. van der Schaaf | Nico Leister；卡尔斯鲁厄理工学院（KIT），生命科学过程工程研究所，食品过程工程系（LVT），Gotthard-Franz-Stra?e 3，76131 卡尔斯鲁厄，德国。