《International Journal of Biological Macromolecules》：Modification strategies and multi-scene applications for plant proteins in 3D food printing: A review
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本文系统综述了植物蛋白在3D打印食品中的应用及改性方法，提出基于人工智能的多尺度模拟技术，探讨其在易吞咽食品、植物基肉制品等领域的应用前景，并指出需通过物理、化学或生物手段优化蛋白材料功能特性以满足打印需求。
季志瑞|陈金宇|毕静怡|罗汉辉|郭佳琪|易贤吉|陈进|吴子健
天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津食品生物技术重点实验室，中国天津300134
摘要
3D打印技术在个性化食品的生产中展现出显著的优势。由于植物蛋白具有低成本、环保和健康益处，已成为3D打印食品的常用材料。然而，基于植物蛋白的3D打印仍面临一些挑战，包括原材料选择、结构改性、墨水改进和应用创新等方面。本文系统回顾了可用于3D食品打印的植物蛋白的来源和改性方法，讨论了打印产品的多样化应用，并提出了一种利用人工智能（AI）进行多尺度仿真的过程。同时指出了当前存在的挑战及解决方案。研究结果表明，适合3D食品打印的植物蛋白材料仍需进一步开发。此外，植物蛋白的功能特性尚不足以满足3D打印的要求，需要通过物理、化学、生物或其他手段对其进行改性和增强。探索既能提高质量又能提升效率的方法是提升植物蛋白3D打印性能的重要方向。基于改性植物蛋白的打印产品在易吞咽食品、植物基肉类替代品、细胞培养肉的3D打印支架、精准营养以及4D打印等领域具有广泛的应用前景。此外，AI可以用于模拟和预测3D食品打印过程，从而推动基于植物蛋白的智能制造发展。本文为促进基于植物蛋白的3D食品打印提供了新的视角。
引言
随着消费者对食品需求的不断增加，除了健康和营养要求外，个性化的外观也成为食品行业的新目标。目前，3D打印技术能够满足这些需求。增材制造（3D打印）是一种基于数字坐标的逐层沉积技术。首先需要创建一个三维模型，该模型通过软件被切分成薄层数据。随后，根据切片数据指令将材料以点、线或表面的形式精确沉积。最终，重复沉积过程，直到形成具有复杂形状和结构的三维产品[1]（图1A）。3D打印主要分为四种类型：基于挤出的打印是最常用的方法，特别适合用于食品蛋白基墨水；基于喷墨的打印对墨水的流动性要求极高（粘度非常低，<20?cP），通常用于打印含有大量液体的食品材料（如果汁和酱料）；选择性激光烧结和选择性激光熔化主要用于粉末材料；而生物打印与基于挤出的打印类似，但侧重于含有活细胞的生物墨水[2]。图1A中涉及的打印材料的流变行为主要适用于基于挤出的打印平台，这也是本文的重点。具体来说，在挤出之前，打印墨水应具有较高的粘度。随着剪切率的增加，墨水的粘度显著降低（当剪切率>10?s?1时，η??损耗模量（G″）的关系，其中G′通常高于1000?Pa（超过10?Hz）。这意味着结构具有弹性固体特性，并能在外部干扰下保持形状。此外，打印墨水应具有较高的屈服应力，通常在250–500?Pa范围内，从而支持多层结构的稳定[3]，[4]。当前研究已发现3D打印在生产个性化、精准营养和功能性食品方面的潜力[5]。过去5年3D打印食品的研究热点如图1B所示。
与多糖或脂质相比，蛋白质作为3D打印墨水材料具有独特的优势，包括优异的营养和功能特性[6]，以及构建复杂精细食品结构的能力。蛋白质墨水可以直接提供完整的必需氨基酸谱，并且具有较高的生物可利用性和消化率，特别适合定制营养需求。此外，蛋白质的两亲性（亲水性和疏水性）非常有利于构建乳液或乳液凝胶形式的3D打印食品，从而稳定产品结构并封装亲水/疏水性生物活性成分。然而，随着环境危机的出现和对高质量蛋白质需求的快速增长，传统的食品蛋白供应面临着严峻考验。作为替代蛋白，植物蛋白因其低成本、环保、健康益处、符合素食者需求以及符合清洁标签趋势等优点，逐渐成为3D打印食品的流行材料来源[7]。
近年来，大豆蛋白分离物和豌豆蛋白被积极开发用于食品3D打印技术，这主要归功于它们丰富的来源和可改性的结构[8]，[9]。蛋白质的流变特性（如剪切稀化行为和屈服应力）是决定基于植物蛋白的3D打印成败的核心因素，直接影响墨水的可打印性和最终产品的结构精度及功能[10]，[11]。然而，由于植物蛋白结构复杂，受环境因素和加工条件的影响，其流变行为难以精确调控。因此，有必要修改植物蛋白的分子结构，以改善其溶解性、流变性、凝胶化和乳化性能，使其更“适合打印”[8]，[12]。此外，探索植物蛋白与其他天然成分的协同效应有助于构建更稳定的网络结构[13]，[14]。
尽管如此，基于植物蛋白的3D打印仍面临许多困难和挑战。从上游角度来看，原材料的选择直接决定了打印的可行性、产品质量以及最终的市场接受度。了解不同植物蛋白的特性并开发更适合3D打印的可食用植物蛋白资源是当务之急。从中游角度来看，先进温和的加工和改性技术以及配方设计可以使植物蛋白材料具备“适合打印”的功能特性[15]，[16]。在这种情况下，不同改性方法的优缺点以及植物蛋白与其他成分的相互作用值得深入讨论。从下游角度来看，通过创新基于植物蛋白的墨水类型和应用场景，可以释放3D打印的个性化和定制潜力，例如开发基于植物蛋白的Bigel墨水和4D打印食品[17]，[18]。
本文回顾了可用于3D食品打印的植物蛋白的来源和改性方法，讨论了打印产品的应用方向（图2），提出了人工智能（AI）辅助打印的潜力，并设想了一种利用AI技术进行多尺度仿真的过程。本文为促进基于植物蛋白材料的3D食品打印提供了新的视角。
部分摘录
大豆蛋白分离物（SPI）
大豆蛋白分离物（SPI）因其高蛋白含量（>90%）和类似动物的蛋白质消化率而在众多植物基食品中得到广泛应用。它具有完整的氨基酸谱，能够弥补其他植物蛋白中必需氨基酸的不足。例如，Barekat和Ubeyitogullari[3]通过将高粱蛋白与SPI混合，开发出了一种赖氨酸和组氨酸含量较高的3D食品打印墨水。此外，SPI还具有优异的...
基于植物蛋白的打印墨水改性
虽然植物蛋白作为3D打印的食用材料具有低成本、可持续性、低过敏性和高营养价值等优点[30]，但其固有的缺点严重限制了其工业应用。例如，大多数植物蛋白具有球状结构，需要变性并展开才能形成凝胶网络或与油滴相互作用。其次，植物蛋白的溶解性较差，导致剪切稀化效果不佳...
吞咽困难食品
随着吞咽困难的老人和儿童以及某些患者的数量增加，食品行业越来越重视易吞咽食品的生产。过去，为了解决吞咽困难的问题，食品通常会被切碎或捣碎以改变其质地，但这与传统食品外观不同，可能会影响患者的食欲[75]。3D打印技术的个性化特点可以应对这一挑战。例如，HIPE...基于植物蛋白的3D打印中的人工智能
人工智能（AI）是指通过计算机系统模拟、扩展和增强人类智能的科学和技术。机器学习是AI的关键部分，它使计算机能够自主从大量数据中学习、模拟和执行任务[99]。成功的3D打印需要墨水具有剪切稀化特性以及良好的自支撑性，而AI提供了预测墨水配方是否可行的潜力...
新植物蛋白资源的开发
- (i)
羽扇豆蛋白（Lupinus micranthus Guss.）的蛋白质含量高达30%–42%，包含所有必需氨基酸，是一种优秀的植物蛋白来源。羽扇豆蛋白富含膳食纤维（约40%）和抗氧化剂，有助于改善肠道健康并清除自由基[101]。此外，羽扇豆蛋白具有良好的乳化和发泡性能，适用于制备HIPEs或HIPE凝胶，用于3D食品打印。
结论
基于植物蛋白的3D打印技术的发展有助于食品行业的创新和进步，同时解决资源短缺问题。然而，大多数植物蛋白的功能特性需要通过物理、化学、生物等方式进行改性和增强。探索既能提高质量又能提升效率的方法是提升植物蛋白3D打印性能的重要方向。
CRediT作者贡献声明
季志瑞：撰写——原始草稿、可视化、数据分析、正式分析、数据管理。陈金宇：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论设计、资金申请、概念构思。毕静怡：数据分析。罗汉辉：验证、软件应用。郭佳琪：验证。易贤吉：可视化。陈进：可视化。吴子健：监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号31701612）、天津市科技计划（编号24ZYCGSN01220）、甘肃省科技计划（编号24CXNA074）以及中国大学生创新创业培训计划（编号202510069007）的支持。图1、图2和图7由BioRender软件制作，所有引用的图像均获得Elsevier授权。
