2025年4月23日，中国农业大学食品科学与营养工程学院宋弋副教授团队在中国科学院一区Top期刊Food Hydrocolloids（IF：11.0）上在线发表了题为“Enhancement effect of cellulose nanocrystal on the rheological properties and 3D printing performance of pea protein isolate-based hydrogels”的研究型论文。
3D打印技术的迅猛发展正重塑航空航天、医疗健康和食品等多个领域的设计与制造方式，使过去难以实现的复杂结构成为可能。其中，水凝胶作为一种重要的3D打印材料，通过构建具有生物相容性和可调机械性能的亲水性聚合物网络，展现出广阔的应用前景。近年来，基于植物蛋白的水凝胶因其能够精准调控外观、营养、质地和形状，成为极具潜力的3D打印墨水，有望替代传统动物源食品。这类植物基食品可应用于军事行动、太空探索以及需要特殊营养的老年群体。
豌豆分离蛋白（PPI）主要由清蛋白和球蛋白组成，具有营养丰富、易消化和低致敏的特点。虽然PPI可通过热诱导形成水凝胶，但受限于其低溶解度，其凝胶性能较差，影响了3D打印应用。值得注意的是，PPI的丰富氨基基团能与多酚、多糖等物质通过非共价键结合，目前常通过添加海藻酸钠、果胶等物质来改善其凝胶性能。纤维素纳米晶体（CNC）是一种天然纳米材料，具有优异的流变和机械性能，已广泛应用于食品和材料领域。研究表明，CNC能与多种蛋白质协同作用以改善蛋白质的理化性质缺陷，但关于其与PPI的相互作用研究较少，特别是在3D打印水凝胶方面的应用仍需深入探索。
本研究通过构建PPI/CNC复合水凝胶体系，系统探究了CNC对PPI水凝胶性能的增强机制及其3D打印应用。具体而言，向PPI体系中添加CNC，制备了不同配比的PPI/CNC复合水凝胶（PPI:CNC=12:1~12:5）；重点研究了CNC添加量对水凝胶理化性质、相互作用和微观结构的影响；通过可视化分析CNC与PPI的相互作用及其在凝胶中的分布特征，阐明了CNC增强凝胶性能和3D打印能力的作用机制；研究采用多种流变学测试方法（包括流动扫描、阶跃应变扫描、小/大振幅振荡剪切等），系统表征了水凝胶的结构强度、颗粒运动特性及其在3D打印过程中的结构演变行为；通过打印线条、立方体和复杂模型（如字母、动物形状）等，全面评估了复合水凝胶的3D打印性能。该研究为开发高性能植物蛋白基3D打印墨水提供了理论依据，同时为功能性植物基支架在细胞培养和营养输送等领域的应用开辟了新思路。
研究亮点
• 纤维素纳米晶（CNC）影响豌豆分离蛋白（PPI）的二级结构和疏水环境。
• CNC改变了PPI的聚集状态，促使其形成更稳定的微观结构。
• CNC提高了PPI/CNC复合水凝胶的黏度、储能模量和结构恢复能力。
• 当PPI与CNC的比例为12:5时，复合水凝胶表现出最高的3D打印精度。
研究结论
（1）通过添加纤维素纳米晶（CNC），成功构建了基于豌豆分离蛋白（PPI）的水凝胶网络结构，并实现了可定制的3D打印。
（2）CNC通过静电排斥力、氢键和范德华力与PPI相互作用，CNC的添加减少了PPI颗粒聚集或相分离现象，促进形成更致密的微观网络结构。
（3）当CNC含量较低时（PPI/CNC-1和PPI/CNC-2体系），复合水凝胶表现出较低的黏度和储能模量，挤出时呈流体状态且无法成型。
（4）提高CNC含量可显著增强复合水凝胶的黏度、储能模量和结构恢复能力。 虽然PPI/CNC-5复合体系存在相分离问题，但其3D打印效果却最为理想。
（5）CNC的加入增强了PPI/CNC复合水凝胶的流变性能和3D打印性能，且具有CNC含量依赖性。 （6）CNC是增强植物蛋白基水凝胶流变性能的理想添加剂，其复合构建的水凝胶体系在构建细胞培养支架和设计营养素递送载体等领域具有重要应用价值。
图文赏析
图1. 图解摘要。
图2. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的（A）尺寸分布、（B）Zeta 电位、（C）持水能力和（D）T2弛豫时间分布。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
图3. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的（A）傅里叶红外光谱、（B）蛋白质二级结构分析和（C）固有荧光光谱。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
图4. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的（A）共聚焦激光扫描显微镜图像和（B）CNC添加量增加对结构网络形成的作用机理。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
图5. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的（A）流动扫描、（B）频率扫描、（C）阶跃应变测试和（D）应变扫描曲线。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
图6. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的（A）弹性和（B）粘性Lissajous 曲线。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
图7. 基于不同CNC添加量的PPI/CNC复合水凝胶体系的3D打印性能：（A）使用PPI/CNC-3、PPI/CNC-4和PPI/CNC-5打印的立方体模型的视觉图像和（B）高度偏差；（C）使用PPI/CNC-5打印的复杂模型。CNC：纤维素纳米晶、PPI：豌豆分离蛋白。
作者简介
宋弋，博士，博士生导师，中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授。主要从事食品碳水化合物、果蔬加工理论与技术、食品非热加工理论与技术和纳米技术方面的研究。主持或参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、国家部委其他科技项目等13项；发表学术论文56篇，总被引次数超过1300次；获得授权专利7项，转化专利3项；先后获得神农中华农业科技奖创新团队奖、中国轻工业联合会科技进步一等奖等奖项。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111477
