《Food Hydrocolloids》：Balancing lubrication and structural integrity in 3D-printed plant-based meat analogues through partial oil substitution with aloe gel and flaxseed mucilage
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面对3D打印植物基人造肉在挤出打印与结构保持间的配方难题，研究人员开展了一项关于利用芦荟凝胶和亚麻籽黏液作为油脂替代品的研究。他们评估了这两种天然成分在不同替代比例下对打印浆料的打印性能、流变学特性、摩擦学特性以及熟制品质的影响。研究结果表明，通过部分替代油脂，可以成功地平衡浆料的流变行为与润滑性能，在提升3D打印精度的同时，保留了与全油脂配方相当的感官润滑度和关键品质属性。这项研究为开发低脂、清洁标签的3D打印植物肉产品提供了新的配方策略和理论见解。
随着全球人口增长和经济发展，肉类消费持续攀升，引发了诸如土地退化、温室气体排放等一系列环境问题，同时也与心血管疾病等慢性病风险增加相关。为了寻求更可持续、更健康的饮食选择，植物基人造肉（PBM）应运而生。然而，要让消费者真正接受并喜爱上这些“素肉”，一个巨大的挑战在于如何精确地复刻真实肉类的纤维状结构和多汁润滑的口感。这正是食品科学领域的“仿生学”难题。
传统加工方法在塑造复杂结构时面临局限，而新兴的3D打印技术，特别是基于挤出的成型方式，为精准构建类肉纤维结构提供了革命性的途径。它能够像建造房屋一样，一层一层地沉积材料，从而定制出所需的复杂形态，同时减少材料浪费。但这项技术本身也有一道“门槛”：用于打印的“墨水”——即植物蛋白基浆料，必须既具备良好的流动性以便顺利挤出，又要在挤出后能迅速保持形状，维持结构的稳定性。这通常需要添加油脂来改善口感和润滑性，但高脂肪含量又违背了植物肉“更健康”的初衷。如何在降低脂肪的同时，不牺牲打印性能和最终产品的口感质地，成为了一个亟待解决的关键问题。
为此，一项发表在《Food Hydrocolloids》上的研究瞄准了这一痛点。研究人员思考，是否可以用一些天然的植物成分来部分或全部替代油脂，既实现减脂目标，又能优化3D打印过程？他们选择了两种极具潜力的候选者：芦荟凝胶和亚麻籽黏液。这两种物质都富含多糖，具有良好的水合和凝胶特性，理论上可以作为“脂肪模拟物”。研究团队系统性地探究了它们作为油脂替代品，在基于蚕豆蛋白和酿酒谷物（Brewers’ Spent Grain, BSG）的3D打印人造肉浆料中的应用效果。他们不仅关心这些替代品如何影响“打印过程”（如挤出流畅度、成型精度），也密切关注它们对“最终产品”品质（如质地、保水性）以及“口腔感知”相关的润滑性能的影响。
为了全面回答上述问题，研究人员采用了多种关键技术方法。在样本制备上，研究基于固定的蚕豆蛋白和BSG基质，设计了六种不同润滑成分的打印浆料配方，包括全油脂对照、无润滑剂对照、以及不同比例的芦荟凝胶或亚麻籽黏液部分或完全替代油脂的配方。在表征与评估方面，核心技术包括：1) 流变学测试，使用旋转流变仪分析浆料的粘度、屈服应力和储能模量（G’），以预测其打印行为；2) 摩擦学（润滑性能）测试，使用混合流变仪的环-板几何结构测量摩擦系数，评估与口感相关的润滑性能；3) 粒度分析，使用激光粒度仪测定浆料的颗粒大小与分布，揭示其分散状态；4) 3D食品打印与结构量化，使用基于注射器的3D打印机进行实际打印，并通过图像分析软件对打印出的纤维结构的取向指数（OI）和角度标准差（Angle SD）进行量化，评估打印精度和结构清晰度；5) 质地剖面分析（TPA），对蒸熟后的样品进行质构测试，获取硬度、内聚性和咀嚼性等数据；6) 保水能力（WRC）测定，采用离心法评估熟制产品保留水分的能力。
3.1. 3D打印性能
通过对打印样品的外观和量化分析发现，全油脂配方的样品纤维结构模糊不清，取向指数最低，打印出的物体高度也严重缩水，表明打印性能不佳。相反，完全使用芦荟凝胶或亚麻籽黏液替代油脂的配方，打印出的纤维结构最为清晰、规整，尺寸也最接近设计值，显示出优异的打印精度和形状保持能力。部分替代油脂的配方也表现良好，其打印质量显著优于全油脂配方。这表明芦荟凝胶和亚麻籽黏液中的多糖能够作为天然的结构剂，改善浆料性能，促进精确打印。
3.2. 肉类似物浆料的粒度
颗粒大小分析为打印性能的差异提供了机理解释。全油脂配方显示出最大的颗粒尺寸和较宽的分布，表明油脂引起了蛋白质的聚集，形成了更大、更不均匀的颗粒团簇。而无任何润滑剂的对照组颗粒最小。含有脂肪替代品的配方则呈现出居中的、更均匀的颗粒分布。这说明油脂会通过疏水相互作用促进蛋白聚集，而富含多糖的芦荟凝胶和亚麻籽黏液能通过空间位阻效应稳定颗粒，改善分散均匀性，从而为流畅、一致的挤出流动创造条件。
3.3. 未烹饪肉类似物墨水的流变特性
流变学测试结果与粒度分析相互印证。全油脂配方具有最高的粘度、屈服应力和储能模量（G’），表现为刚性强、难以启动流动，这解释了其挤出困难和打印结构差的原因。完全使用脂肪替代品的配方则表现出更低的流阻和模量，流动性更好，易于挤出和精确沉积。部分替代配方介于两者之间，实现了刚性与流动性的更好平衡。这些流变特性直接决定了浆料在打印过程中的行为。
3.4. 润滑性能
然而，追求极佳的打印性能（低流阻）却带来了另一个维度的挑战——口感润滑度。摩擦学测试显示，全油脂配方表现出完整的斯特里贝克曲线，具备边界润滑、混合润滑和流体动力润滑三种状态，这表明其在口腔中能提供有效的润滑感和多汁口感。完全使用脂肪替代品的配方润滑性能最弱，无法形成有效的润滑膜。至关重要的是，部分替代油脂的配方（例如用5%芦荟凝胶或亚麻籽黏液替代5%油脂）的润滑曲线与全油脂配方非常相似，成功保留了其大部分润滑特性。这表明，部分替代策略能够在不过度牺牲口感的前提下，优化打印性能。
3.5. 质地
对蒸熟后的样品进行质地分析发现，在硬度和咀嚼性方面，全油脂配方数值最高。无论是部分还是完全用芦荟凝胶替代油脂，其产品的硬度和咀嚼性与全油脂配方均无显著差异，表明芦荟凝胶能有效维持类似油脂带来的质构。而完全用亚麻籽黏液替代的配方，其硬度和咀嚼性则有所下降。所有配方的内聚性则基本一致。
3.6. 保水能力
在保水能力方面，全油脂配方的保水率最高。含有芦荟凝胶（无论是部分还是完全替代）以及油脂与亚麻籽黏液部分替代的配方，其保水能力与全油脂配方相当。完全使用亚麻籽黏液的配方保水率稍低，但仍显著高于无任何润滑剂的对照组。这说明这些脂肪替代品，尤其是芦荟凝胶，能有效帮助产品保持水分。
综上所述，这项研究得出明确结论：在3D打印植物基人造肉中，完全使用油脂会导致浆料刚度过大，损害打印精度；而完全使用芦荟凝胶或亚麻籽黏液替代油脂，虽能极大改善打印性能，却会严重削弱产品在口腔中的润滑感。最有效的策略是采用部分替代，即用5%的芦荟凝胶或亚麻籽黏液替代5%的油脂。这种折中方案能够巧妙平衡浆料的流变学性能（利于打印）和摩擦学性能（关乎口感），在实现脂肪含量减半的同时，获得清晰的打印结构、良好的质地和保水性，以及可与全油脂产品媲美的润滑口感。
其重要意义在于，该研究不仅验证了芦荟凝胶和亚麻籽黏液作为清洁标签脂肪替代品在3D打印植物肉中的应用潜力，更重要的是阐明了“油脂-多糖”体系在复杂食品基质中相互作用的机理：油脂通过促进蛋白聚集增加刚性，而多糖通过水化形成柔性网络、改善分散。两者结合可以调和这两种相反效应。这为食品科学家设计下一代定制化、低脂、兼具优异加工性能和感官品质的3D打印植物肉产品提供了一个清晰的配方框架和坚实的理论依据。未来的研究可以在此基础上，进一步通过感官评价和消费者测试来验证这些物理化学指标与实际口感接受度的关联，并借助微观结构表征深入探索分子层面的网络形成机制。
