桃棕心粉（Bactris gasipaes）对大豆分离蛋白基3D打印食品的可打印性、结构特性、益生菌存活率及胃肠道消化的多功能效应

《Foods》：Multifunctional Effects of Peach Palm (Bactris gasipaes) Heart Powder on the Printability, Structural Properties, Probiotic Viability, and Gastrointestinal Digestion of Soy Protein-Based 3D-Printed Foods

　　

桃棕（Bactris gasipaes）心是一种可持续的、富含纤维和多糖的原料，在植物基食品结构化方面具有潜在应用价值。本研究考察了桃棕心粉（PPHP）作为功能性共配料在大豆分离蛋白（SPI）基 extrusion-based 3D食品打印墨水中的应用，重点研究了流变学特性、可打印性、微观结构、分子相互作用、质构特性及体外消化性。随着PPHP浓度的增加，表观黏度和复数黏度、储能模量（G′）、抗变形能力及结构恢复性均增强，同时保持了较强的剪切稀化行为，打印性能得到改善；其中PPHP8组显示出最低的尺寸偏差（0.25%）和最高的形状保真度（100.25%）。PPHP逐步嵌入SPI基质中，主要通过非共价相互作用形成更致密的蛋白质-多糖网络，这一结论由微观结构分析和SDS–PAGE分析所证实。PPHP降低了硬度、胶黏性、咀嚼性和回弹性，但保持了弹性，从而实现质构调控；FTIR/PCA分析显示蛋白质构象从α-螺旋向富含β-折叠的结构转变，与氢键增强相一致。模拟消化过程中的蛋白质水解程度及长双歧杆菌长亚种（B. longum subsp. longum）的存活率未因PPHP的掺入而受到显著损害。这些发现表明，PPHP可被策略性地掺入以调控SPI基3D打印墨水的流变和质构特性，且不损害营养功能性，支持其作为下一代植物基打印食品的可持续结构化配料的潜力。

论文解读

一、研究背景与意义

3D食品打印作为一种新兴的精准食品制造技术，能够实现可食用材料的逐层精确沉积，从而制备个性化营养食品、老年友好型食品及植物基产品。然而，该技术的成功应用高度依赖于食品墨水的流变行为：材料必须具备足够的剪切稀化特性以保证顺利挤出，同时在沉积后需快速恢复结构以维持形状保真度。如何在可挤出性与沉积后结构稳定性之间取得平衡，是该领域面临的核心挑战。

大豆分离蛋白（SPI）因其高蛋白含量、均衡的氨基酸组成和凝胶形成能力而被广泛应用于3D打印食品，但单独的SPI往往缺乏精确打印所需的机械强度和结构稳定性。为此，研究者常通过添加黄原胶、卡拉胶、海藻酸钠、果胶、纤维素衍生物及淀粉等亲水胶体来改善墨水的黏度和凝胶强度。已有研究表明，多糖的掺入可通过氢键、静电相互作用及物理缠结等方式与蛋白质分子发生作用，从而提升SPI基墨水的可打印性。

桃棕（Bactris gasipaes）是泰国新兴的经济作物，其心部及副产物富含纤维素和半纤维素等结构性多糖，干重中约含34%纤维素和21%半纤维素，是功能性膳食纤维的潜在来源。然而，将桃棕心粉（PPHP）这一纤维丰富的原料应用于3D食品打印等先进加工技术的研究仍十分有限。此外，膳食纤维和多糖成分可能通过与蛋白质相互作用改变凝胶网络结构、水分分布和机械性能，进而影响消化过程中酶的接触性和蛋白质水解动力学。然而，PPHP掺入对3D打印蛋白基质结构-消化性关系的影响尚不清楚。因此，本研究旨在系统考察PPHP掺入对SPI基3D打印食品的流变行为、可打印性、结构形成及模拟胃肠道消化的影响，评估其作为可持续纤维丰富食品配料的潜力。

二、主要技术方法

研究人员采用了多项关键技术手段开展研究。流变学测量使用旋转流变仪，涵盖稳态剪切、应变扫描、频率扫描及温度扫描，以表征墨水的流动行为和黏弹性。打印性能通过CAD建模设计立方体结构，使用挤出式3D打印机进行打印，并以数显卡尺测量尺寸偏差和形状保真度。微观结构通过扫描电子显微镜（SEM）观察冻干样品的内部截面形态。分子相互作用通过SDS–PAGE电泳分析蛋白质谱变化，并结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）及主成分分析（PCA）评估蛋白质二级结构变化。质构特性采用质构剖面分析（TPA）测定硬度、弹性、内聚性等参数。体外消化实验按照INFOGEST静态消化标准方案进行，通过TNBS法测定水解度（DH）。益生菌实验以长双歧杆菌长亚种TBRC 7151为测试菌株，在厌氧条件下评估不同配方中的活菌数。

三、研究结果

3.1 SPI-PPHP墨水的流变特性

流变学测量结果表明，PPHP的掺入浓度依赖性地提高了墨水的黏度和黏弹性强度。所有配方均表现出显著的剪切稀化行为，随着PPHP浓度增加，表观黏度、复数黏度、储能模量（G′）和损耗模量（G″）均系统性升高，其中PPHP8组在整个测试频率范围内表现出最高的模量值。G′始终高于G″，表明体系以弹性为主导。温度扫描显示，加热初期模量下降后随温度升高而上升，冷却过程中PPHP掺入组维持较高的模量。结构恢复测试表明，高剪切后所有墨水均能快速恢复至剪切前水平，PPHP掺入组表现出更高的恢复黏度。这些结果表明PPHP增强了墨水的抗变形能力和结构重建能力。

3.2 打印性能与形状保真度

打印性能评估显示，对照组表现出最大的尺寸偏差（宽度4.25%，高度7.00%，总体5.63%），而随着PPHP浓度增加，偏差逐步降低，PPHP8组仅为0.25%。形状保真度方面，对照组为104.25%，表明存在明显的铺展现象，而PPHP8组达到100.25%，接近理想值。打印样品图像显示，PPHP掺入组的边缘更清晰、结构更均匀。这些结果证实PPHP有效抑制了挤出后的铺展变形，其中8%浓度在可挤出性与沉积后稳定性之间达到了最佳平衡。

3.3 微观结构特征

SEM观察显示，对照组呈现连续、互连的蛋白质网络结构。随着PPHP浓度增加，多糖纤维逐渐分布于SPI基质中，形成更异质的微观结构，表明PPHP作为结构填料通过氢键等非共价相互作用与大豆蛋白结合，增强了凝胶网络的稳定性。

3.4 电泳分析

SDS–PAGE结果显示，对照组呈现典型的大豆贮藏蛋白条带，包括β-伴大豆球蛋白亚基（α′、α、β；约47–75 kDa）和大豆球蛋白亚基（酸性约30–40 kDa，碱性约20 kDa）。随着PPHP浓度增加，主要SPI条带强度逐渐减弱，高分子量物质在浓缩胶区域积累。在还原条件下仍观察到条带减弱和残留高分子量物质，表明PPHP与SPI之间的相互作用以非共价结合为主，而非二硫键介导的共价交联。

3.5 质构特性

TPA分析显示，对照组硬度最高（2473.01 g），随着PPHP浓度增加，硬度、胶黏性、咀嚼性和回弹性均数值性下降，而弹性保持稳定（0.641–0.676 mm）。黏附性随PPHP浓度增加而变得更负。这种质构变化可能有利于植物基肉类似物的开发，因为过高的硬度并不理想。PPHP的掺入可使SPI基打印产品向更接近肉类的质构特征转变。

3.6 FTIR分子二级结构

FTIR光谱显示，PPHP掺入使3200–3500 cm^?1区域的O–H/N–H伸缩振动峰变宽，表明氢键相互作用增强。PCA分析解释了53.25%的总方差，区分出7个判别波段。酰胺I区去卷积分析显示，对照组α-螺旋含量最高（36.94%），PPHP掺入后显著降低至最低28.10%（PPHP4组），而β-折叠含量从26.45%增加至30.33–32.04%。这些结果表明PPHP促进了蛋白质从α-螺旋向β-折叠富集构象的转变，反映了蛋白质展开和重排过程。

3.7 体外胃肠道消化性

体外消化实验显示，所有配方的水解度（DH）在胃期和肠期均逐步增加。消化结束时（240 min），对照组、PPHP4和PPHP8的DH分别为41.59%、39.85%和41.41%。双因素方差分析表明，消化时间对DH有显著影响，配方也有显著主效应，但配方与时间的交互作用不显著，说明PPHP掺入未显著改变蛋白质水解的时间模式。PPHP增强的结构并未损害蛋白质的酶可及性，这可能与PPHP凝胶相对开放的微观结构有关。

3.8 长双歧杆菌长亚种的存活率

益生菌实验显示，C-GAM培养基对照组的活菌数最高（7.32 log₁₀ CFU/mL），显著高于所有PPHP配方。在PPHP配方中，PPHP6组表现出最高的存活率（7.16 log₁₀ CFU/mL），与PPHP8组无显著差异，但均显著高于PPHP2和PPHP4组。PPHP2组存活率最低（5.31 log₁₀ CFU/mL）。相对于对照组，PPHP6组提高了0.20个对数单位的活菌数。然而，研究人员明确指出，该实验未包含FOS或菊粉等公认的益生元阳性对照，因此不能据此判定PPHP具有益生元效应，仅能说明不同配方对菌株存活率的影响存在差异。

四、结论

PPHP掺入改善了SPI基3D打印墨水的流变和打印性能，提高了黏度、储能模量、抗变形能力和结构恢复性，同时保持了剪切稀化行为。PPHP通过非共价相互作用与SPI形成复合网络，改变了蛋白质二级结构分布，降低了硬度和咀嚼性但保持了弹性，实现了质构调控。体外消化实验表明PPHP未损害蛋白质消化性，益生菌存活率呈配方依赖性变化。总体而言，PPHP作为纤维丰富的共配料，可用于调控SPI基3D打印食品的流变、结构和质构特性，其中PPHP8组在测试条件下表现出最优的尺寸打印性能，支持其作为下一代植物基打印食品的可持续结构化配料的潜力。