《LWT》：3D Printing Food Ink Development Using
Auxenochlorella protothecoides: Rheology, Printability, and Fish Texture Simulations
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为解决鱼类资源压力与消费者健康风险问题，研究人员开展了利用白色原壳小球藻（A. protothecoides）开发3D打印食品墨水的研究。研究表明，36%的藻粉浓度可实现最佳打印精度，通过调控喷嘴直径与填充密度，所得打印品的质构可匹配鲭鱼、鲑鱼、比目鱼等真鱼，为可持续、定制化海鲜替代品的生产提供了新方案。
随着全球人口增长与消费升级，海鲜已成为餐桌上的常客。然而，旺盛的需求背后，是过度捕捞、海洋生物多样性丧失以及海产品中可能存在的汞、微塑料等污染物所带来的严峻生态与公共健康挑战。如何既能享受鱼类的美味与营养，又能减轻对海洋生态的压力，成为食品科学家们亟待破解的难题。与此同时，3D打印（Three-Dimensional (3D) Printing）技术的兴起，为食品制造领域带来了革命性的可能，它允许对产品的形状、内部结构和质地（Texture）进行前所未有的精确控制。然而，如何开发出兼具优良打印性能和仿真口感的“墨水”，特别是寻找一种安全、可持续且能模拟鱼肉质构的核心原料，是当前3D打印食品研发的关键瓶颈。
传统的人造鱼（Fish Analogs）多依赖于植物蛋白与亲水胶体的复杂组合，配方复杂。而微藻作为一种可持续的高蛋白来源，尤其是一种名为白色原壳小球藻（Auxenochlorella protothecoides， 文中简称WC）的白色品系，因其蛋白质含量高（干重约65%）、色泽浅、被认定为“一般认为安全”（Generally Recognized as Safe, GRAS），显示出作为清洁标签（Clean-Label）海鲜替代品核心原料的巨大潜力。但将其作为单一成分的3D打印“墨水”进行全面评估的研究尚属空白。为此，来自韩国梨花女子大学的研究团队在食品科学领域知名期刊《LWT - Food Science and Technology》上发表了一项开创性研究，系统探索了以白色原壳小球藻为原料制备食品墨水的可行性，并成功模拟了多种鱼类的质构。
研究人员主要运用了以下关键技术与方法：首先是墨水制备与流变学（Rheology）表征，通过制备不同浓度（32%-40%）的WC水凝胶墨水，利用旋转剪切粘度测试、应变扫描、频率扫描和三区间触变性（3ITT）测试，全面评估其剪切稀化、屈服应力、粘弹性及恢复行为。其次是扫描电子显微镜（SEM）微结构分析，观察墨水冻干后的多孔网络结构。核心部分是挤出式3D打印与可打印性评价，通过设计特定模型，打印并测量成品的尺寸误差。最后是质构剖面分析（TPA），将3D打印样品与蒸熟的鲭鱼、鲑鱼、比目鱼的真实样本进行硬度和内聚性（Cohesiveness）对比，评估其模拟鱼类质构的能力。
研究结果
3.1. 确定白色原壳小球藻的最佳打印浓度
3.1.1. 微观结构：SEM图像显示，所有浓度的WC墨水均呈现多孔网络结构。随着WC浓度从32%增至40%，平均孔径从57.16 μm减小至13.55 μm，表明网络结构更为致密，这有助于提高凝胶强度。
3.1.2. 挤出相关的流动行为和幂律参数：所有墨水均表现出剪切稀化（伪塑性）行为，流动指数（n）随浓度增加而降低，表明挤出性增强。而稠度指数（K）则非线性地显著增加，从133.78 Pa·sn增至2457.15 Pa·sn，预示着高浓度下可能出现喷嘴堵塞风险。
3.1.3. 主导屈服行为和沉积后行为的粘弹性：应变扫描测试显示，屈服应力（τy）随WC浓度增加而显著提高（从25.68 Pa增至425.22 Pa）。频率扫描中，储能模量（G‘）始终大于损耗模量（G“），表明墨水呈固体主导的粘弹性行为，有利于打印后形状的保持。
3.1.4. 基于恢复行为和尺寸保真度的最终配方选择：三区间触变性测试表明，WC 32%-36%的墨水在经受高剪切后能部分恢复粘度，而WC 38%和40%的恢复率极低（<5%）。实际的打印精度评估显示，WC 36%在高度和宽度上的百分比误差均为0%，完美匹配了计算机辅助设计（CAD）模型。WC 32%和34%出现了尺寸偏差，而WC 38%挤出不足，WC 40%则完全无法挤出。因此，WC 36%被确定为兼顾挤出性和形状保持性的最佳浓度。
3.2. 打印参数对3D打印物体的影响
使用WC 36%墨水，研究了喷嘴直径（0.5, 0.85, 1.2 mm）和填充密度（30%, 60%, 90%）的影响。结果表明，较小的喷嘴直径能产生更均匀的挤出线条和表面。填充密度增加使内部结构更致密。然而，较大的喷嘴直径和较高的填充密度会降低在尖锐拐角处的特征保真度。
3.3. 3D打印物体的质构分析：模拟鱼类质构的硬度和内聚性
3.3.1. 硬度和内聚性：质构分析显示，对于所有喷嘴直径，硬度均随填充密度增加而增加，其中0.5 mm喷嘴的变化最为显著。内聚性呈现相似趋势。值得注意的是，对于较大的喷嘴（0.85和1.2 mm），填充密度超过60%后，硬度和内聚性的提升变得有限，表明结构达到了饱和阈值。
3.3.2. 模拟鱼类质构：通过调整喷嘴直径和填充密度的组合，可以使3D打印样品的硬度匹配蒸鲭鱼（575.21 g）、蒸比目鱼（659.77 g）和蒸鲑鱼（788.36 g）的目标值。例如，鲭鱼的硬度可通过0.85 mm喷嘴/30%填充或0.5 mm喷嘴/60%填充实现。在内聚性方面，使用0.85 mm喷嘴和60%填充密度成功复制了鲭鱼的内聚性（0.73）。然而，要匹配鲑鱼（0.42）和比目鱼（0.78）的内聚性则更具挑战性，这可能与后两者独特的肌肉纤维结构和脂肪含量有关。
结论与重要意义
本研究成功开发了基于白色原壳小球藻的食品墨水，并系统论证了其用于挤出式3D打印以模拟鱼类质构的可行性。研究确立了一个从配方、流变学到打印性能的完整评估框架。核心发现是，WC浓度为36%时达到了最佳可打印性窗口。在质构调控方面，研究证实通过协同调整喷嘴直径和填充密度，可以有针对性地匹配不同鱼种的硬度特性，为实现定制化海鲜替代品的质地提供了明确的工艺路径。尽管内聚性的完全匹配更具挑战，但成功模拟鲭鱼质构已证明了该技术的潜力。
这项研究的重要意义在于，它首次将白色原壳小球藻作为一种独立的、单一成分的3D打印食品基质进行系统性评估，为开发清洁标签、成分简单、可持续的海鲜替代品提供了一个极具前景的全新平台。该方法减少了对多种植物蛋白和外来结构化添加剂的依赖，简化了配方。研究不仅为微藻的高值化利用开辟了新途径，也为应对渔业资源可持续性和食品安全挑战提供了创新性的技术解决方案。未来，通过更广泛的参数优化和配方微调，有望制造出质地更加逼真、种类更加多样的3D打印“人造鱼”，推动未来食品向个性化、可持续化方向迈进。
