《Sustainable Food Technology》：Research progress on plant-based protein materials in food 3D printing: forming mechanisms, stabilization mechanisms, and applications
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这篇综述系统探讨了植物蛋白材料在食品3D打印（BJT/挤出/喷墨）中的成型与稳定机制。聚焦粉末-粘合剂界面润湿、乳状凝胶剪切稀化/触变性、水凝胶压电喷射性等核心科学问题。综述阐明了通过分子修饰（如酶解、交联）和多尺度结构设计优化打印性能的策略，并展示了在全切肉类似物、个性化吞咽障碍膳食等功能载体中的创新应用。最后，文章前瞻了多材料共挤出、4D打印和AI驱动的逆向配方设计在加速产业化的巨大潜力。
食品3D打印中的植物蛋白“魔术”
随着全球人口增长、资源压力和环境问题日益严峻，开发可持续、个性化、高效的未来食品解决方案成为当务之急。植物蛋白因其来源广泛、营养价值和环境友好性，被视为关键资源。而3D打印（增材制造）技术，凭借其精准构筑复杂三维结构的能力，为实现食品的个性化定制和高价值利用提供了革命性路径。本综述旨在系统梳理植物蛋白基材料在三种主流食品3D打印技术——粘合剂喷射打印、挤出打印和喷墨打印中的研究进展，深入剖析其背后的形成与稳定机制，并展望未来挑战与机遇。
不同食品3D打印方法的特性表征
目前，食品领域的3D打印技术主要包含粘合剂喷射打印、挤出打印和喷墨打印。每种技术对原料的性质要求迥异，决定了其独特的应用场景和挑战。
粘合剂喷射打印
该方法通过将液体粘合剂选择性喷射到粉末床上，粘结植物蛋白等粉末颗粒，逐层构建三维结构。其成功与否，核心在于粉末与粘合剂之间的相互作用。
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粉末特性：植物蛋白粉末的流动性是确保铺粉均匀的关键。评价指标包括静态流动性（如卡尔指数CI、豪斯纳比HR）、休止角以及动态流动性。未改性的植物蛋白粉末常因颗粒形态不规则、静电强、吸湿性高而导致流动性差，需要借助流动助剂或造粒工艺进行改善。采用双峰粒径分布策略（即粗细颗粒搭配）可有效提高粉末床的堆砌密度。
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粘合剂特性：粘合剂的“可喷射性”至关重要，通常用无量纲数Z值（Z = 1/Oh， 其中Oh为奥内佐格数）来评估，适合打印的范围是1 < Z < 10。针对植物蛋白粉末疏水表面导致的润湿性差问题，常在粘合剂中添加表面活性剂（如吐温20/80）以降低表面张力，并加入多糖（如阿拉伯胶）以调节粘度，增强粘结强度。
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打印品评价：最终产品的质量从机械性能（硬度、抗压强度）、尺寸精度和微观结构（通过扫描电镜SEM、微计算机断层扫描μ-CT观察孔隙与固体桥）三个维度进行综合评估。
挤出3D打印
这是目前食品制造中应用最广泛的技术，尤其适合处理植物蛋白基的膏体、乳状液或凝胶。
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打印方法：主流是压力辅助微注射打印，在室温或受控温度下，依靠气压或机械活塞将具有粘弹性的“墨水”挤出喷嘴。墨水在沉积后依靠自身的屈服应力和触变性或后沉积凝胶化来维持形状。
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墨水特性：墨水的“可打印性”依赖于其流变性能。理想的墨水应具有显著的剪切稀化行为（流动指数n < 1），以便在喷嘴内顺利流动；挤出后又能迅速恢复结构强度，表现为储存模量(G′)大于损耗模量(G″)，即G′ > G″，以确保能支撑后续层而不塌陷。
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打印品评价：宏观上通过尺寸精度（打印保真度）和质构特性（硬度、弹性、咀嚼性等）来评估。微观上，则利用SEM和共聚焦激光扫描显微镜观察蛋白质凝胶网络的形成、油滴分布以及因剪切作用导致的蛋白质纤维排列情况，这对于模拟肉类纤维质地至关重要。
喷墨打印
该方法借鉴传统图形打印原理，通过压电按需滴落技术将可食用的“墨水”以微滴形式逐层沉积成型。它要求墨水具有极低的粘度（通常<20 mPa s）以确保顺利喷射，同时依赖沉积后的快速固化（如离子诱导凝胶、pH变化）来稳定结构。
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打印挑战：植物蛋白基水凝胶面临着流变悖论：低粘度利于喷射，但不利于形状保持；高粘度则相反，且易堵塞喷嘴。解决方案是构建蛋白质-多糖复合体系，利用蛋白质的营养和表面活性功能，结合多糖的凝胶特性，并通过外部触发实现快速溶胶-凝胶转变。
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过程兼容性：植物蛋白质的表面活性可能导致墨水起泡，在压电打印头中吸收声波能量，造成喷射失败。因此，灌装前的真空脱气是必要步骤。此外，墨滴在亲水基底上容易过度铺展，需要通过基底疏水改性或温控诱导即时凝胶来保证打印分辨率。
植物蛋白基3D打印的稳定机制与缺陷探索
粘合剂喷射打印的视角
在粘合剂喷射打印中，稳定机制始于粉末-粘合剂界面的润湿，经历液桥形成、颗粒团聚，最终通过溶剂蒸发形成固体桥。植物蛋白粉末的疏水性是主要障碍，需要通过优化粘合剂配方（添加表面活性剂）来改善润湿性。粉末本身的物理特性（如低堆密度、强静电吸附）也容易导致铺粉时产生拖尾或结块缺陷。通过物理共混（如与糖颗粒混合）、酶法修饰提高蛋白质溶解度，或对蛋白颗粒进行涂层处理（如用多酚或多糖），可以显著改善粉末的流动性和打印性。
挤出打印的视角
对于挤出打印，墨水的稳定机制核心在于流变适应性和界面稳定性。
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流变学角度：通过共价或非共价修饰精确调控墨水的粘弹性。例如，通过表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）共价交联豌豆蛋白，可以构建坚固的凝胶网络（高G′），打印出表面光滑、形状保真度高的结构。通过静电复合（如核桃蛋白与黄原胶）也能有效增强凝胶的结构恢复能力，实现复杂几何形状的打印。
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稳定性角度：植物蛋白作为天然乳化剂可以稳定乳状液，但单独的蛋白凝胶往往刚性不足。通过与不同多糖复合可以强化凝胶网络。例如，带电荷的黄原胶或壳聚糖可以通过静电作用与蛋白质结合，形成坚固的界面层，分别提供高机械恢复力或低变形率，以适应不同保真度要求的打印。
喷墨打印的视角
喷墨打印的稳定机制高度依赖于墨水的快速固化能力。通过高压均质、可控热诱导等预处理手段，可以调控蛋白质结构，制备适合通过窄小喷嘴的均匀分散体。沉积后，通过物理（疏水作用、氢键）或化学（动态共价键）交联，以及外部物理场（如电场诱导排列）触发，实现液滴向稳定凝胶的转变。整个过程必须精细控制固化速度，过快可能导致喷嘴堵塞，过慢则会导致结构塌陷。
不同打印方法在食品领域的应用
三种打印技术因其特性，在食品领域开辟了不同的应用赛道：
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挤出打印 是制造植物基肉类似物 的主力，能够通过多材料共挤出技术，同时打印模拟肌肉和脂肪的不同组分，构建出具有复杂纹理和“大理石花纹”的整切肉替代品。
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粘合剂喷射打印 擅长制造多孔、酥脆的个性化营养零食 和精准营养输送载体。其多孔结构适合吞咽障碍人群，而通过局部粘合剂沉积实现营养素（如维生素）的精准定位，避免了热敏成分的降解。
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喷墨打印 则在表面装饰 和功能性生物活性物质递送 方面独具优势。例如，用植物蛋白水凝胶包裹益生菌进行打印，可以保护其通过消化道；结合pH敏感色素，可以开发出能与食客互变的“4D食品”。
前景、挑战与未来探索
尽管前景广阔，植物蛋白基食品3D打印的产业化仍面临多重挑战。
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标准化与安全性：原料和工艺的多样性导致打印质量差异大，缺乏统一标准。非热加工过程（如PAM、喷墨）和复杂的喷嘴结构增加了微生物滋生和生物膜形成的风险，且多材料打印可能带来过敏原交叉污染，需要建立针对性的安全评估体系和清洁规范。
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法规与消费者接受度：全球监管尺度不一，缺乏跨国统一标准。消费者接受度受产品感官、价格、食品安全认知和文化传统多重因素影响。
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未来功能探索：合成生物学和酶工程可用于设计具有特定功能（如增强屈服应力、保护营养素）的蛋白质组件。人工智能和机器学习能够通过构建“分子结构-流变学-打印质量”数据库，加速墨水配方的逆向设计和工艺优化，推动该领域从经验试错迈向智能预测的新范式。
结论
推动植物蛋白在食品3D打印中的大规模应用，需要从基础科学到工业化层面的协同努力。未来研究应着重于优化植物蛋白的改性工艺，精确调控其流变和凝胶行为；建立涵盖微生物风险和过敏原管理的特定安全标准和法规；并通过开发结合营养功能与打印性能的新型植物基墨水，融合人工智能驱动的工艺控制，最终释放3D打印在个性化营养和可持续食品制造方面的巨大潜力。
