2026年1月5日，南京农业大学食品科技学院周光宏教授和叶可萍教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Hydrocolloid （IF:12.4）上在线发表了题为“Construction and mechanism of mycoprotein-based meat analogue fibrous structures under the coupled effects of sodium alginate, 3D printing, and freezing”的研究型论文。
在全球人口增长、资源与环境压力日益严峻的背景下，开发可持续蛋白质资源已成为重要发展方向。真菌蛋白以其高蛋白含量、均衡氨基酸组成和天然纤维结构，在模拟肉类质地方面具有突出优势。目前，冷冻诱导质构化是提升人造肉质构的常用工业方法，其通过冰晶形成促进纤维结构构建，但也存在破坏蛋白质网络、降低持水力及纤维取向有序性不足等局限，因此克服这些缺陷是真菌蛋白基产品研发的关键方向。
3D食品打印技术可通过剪切力诱导纤维定向排列，有效模拟肌肉结构，在实现纤维有序性方面优于冷冻法。现有研究已通过不同途径构建真菌蛋白纤维结构，其中冷冻法依靠相变调控宏观形态，而3D打印则通过剪切诱导实现微观有序排列。二者在作用机制上具有显著差异与互补性，在多尺度协同构建纤维结构方面潜力突出，但其在实际配方与工艺条件下的相互作用机制仍有待深入探索。
在此背景下，本研究以全配方真菌蛋白体系为对象，系统耦合海藻酸钠添加、挤出式3D打印诱导的剪切取向和冷冻处理三个关键调控因素，旨在阐明加工条件、结构演变与功能特性之间的内在关联，从而为结构稳定性高且适配冷链加工的真菌蛋白基人造肉的理性设计提供机制依据。具体而言，研究以真菌蛋白为主要基体，复配蛋清蛋白、小麦面筋等辅料，设置0.4%–0.8 wt%的五个海藻酸钠浓度梯度，经混合、干燥与比例调控，使体系最终含水率统一为78%，制备得到真菌蛋白全配方打印墨水。系统研究了海藻酸钠对打印墨水流变行为和3D打印性能的影响；评估了后续冷冻处理对结构稳定性、质构与水分分布的作用并阐明了其潜在机制—包括氢键增强、疏水相互作用强化、离子键重排和二级结构重组；进一步通过各理化性质间的相关性分析，系统揭示了多尺度结构-功能关系。本研究为基于3D打印技术和真菌蛋白的人造肉在冷链条件下的优化提供了理论依据与实践指导。
研究亮点
• 海藻酸钠可增强体系的流变性能，实现真菌蛋白纤维的稳定3D打印。
• 3D打印结合冷冻技术构建出具有层级结构的类肌肉纤维组织。
• 氢键、疏水相互作用和离子重排共同调控了纤维结构的稳定性。
研究结论
（1）0.6-0.8 wt%的海藻酸钠显著增强了打印墨水的黏弹性与结构恢复能力，从而赋予打印样品更优的形态保持与空间堆叠稳定性。
（2）挤出过程诱导了真菌蛋白菌丝沿剪切方向取向排列，而海藻酸钠辅助的凝胶化作用进一步促进了平行类肌肉纤维结构的形成。
（3）冷冻处理表现出双重效应：在低海藻酸钠含量、凝胶支撑弱、结构完整性较差的组别中，冷冻强化了纤维结构的宏观形貌；而在高海藻酸钠组别中，冷冻主要调控水分分布，同时较好地维持了已形成的纤维连续性与质构特性。
（4）在较高海藻酸钠水平下，冷冻处理未显著降低质构强度，但伴随着局部孔隙增大与水分迁移加剧，导致持水力部分下降，而机械完整性未受明显影响。
（5）海藻酸钠增强了氢键与疏水相互作用，并重构了离子键，从而稳定了蛋白质网络；分子间作用力、水分状态与质构特性之间存在紧密关联。
（6）本研究不仅深化了对真菌蛋白体系结构-功能关系的理解，也为3D打印人造肉的理性设计和冷链加工提供了可操作的指导。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 食品级挤出式3D打印机和工作原理示意图，以及仿肌肉纤维结构模型设计。（A）食品级挤出式3D打印机示意图，以及通过3D打印将无序真菌蛋白纤维重构成取向结构的机制示意图。（B）平行层状排列的仿肌肉纤维打印模型示意图，包含三维结构视图（左）及其沿X–Y平面与Z轴的对应俯视图和侧视图（右，X = 3.15 cm、Y = 2.1 cm、Z = 2.1 cm）。
图3.不同海藻酸钠添加量对全配方真菌蛋白3D打印体系稳态剪切行为与应变响应特性的影响。（A）表观黏度-剪切速率曲线、（B）黏度系数变化柱状图、（C）流动指数变化柱状图、（D）储能模量（G′）和损耗模量（G″）曲线、（E）应变扫描响应放大图。
图4. 不同海藻酸钠添加量对全配方真菌蛋白3D打印体系频率依赖性与结构恢复特性的影响。（A）储能模量（G′）随角频率变化的频率扫描曲线、（B）G′幂律常数K′柱状图、（C）G′频率指数n′柱状图、（D）损耗模量（G″）随角频率变化的频率扫描曲线、（E）G″幂律常数K″柱状图、（F）G″频率指数n″柱状图、（G）三区间触变性测试曲线、（H）黏度恢复率柱状图、（I）蠕变阶段的应变响应曲线、（J）恢复阶段的应变恢复率柱状图。
图5. 海藻酸钠添加比例对全配方真菌蛋白3D打印体系结构精度与打印强度的影响。（A）X轴向打印偏差率柱状图、（B）Y轴向打印偏差率柱状图、（C）Z轴向打印偏差率柱状图、（D）打印强度柱状图，以塌陷前最大堆叠高度表示。
图6. 不同海藻酸钠添加比例对全配方真菌蛋白3D打印样品成型外观及其在加热与冷冻处理后的结构稳定性的影响。
图7. 不同海藻酸钠添加比例对全配方真菌蛋白3D打印样品及其对照组在熟化与冷冻处理后的宏观纤维形态的影响。
图8. 不同海藻酸钠添加比例对全配方真菌蛋白3D打印样品在加热后蒸煮损失，以及加热与冷冻处理后持水力、水分分布与低场核磁共振信号特性的影响。（A）不同海藻酸钠添加比例下加热后的蒸煮损失柱状图、（B）全配方真真菌蛋白3D打印样品与非打印样品在加热与冷冻处理后持水力的比较、（C）加热与冷冻处理后，全配方真菌蛋白3D打印样品与非打印样品经低场核磁共振获得的峰面积比（P2b：结合水、P21：不易流动水、P22：自由水）、（D）未经冷冻处理的样品加热后T2弛豫时间分布曲线、（E）冷冻处理后的样品T2弛豫时间分布曲线。
图9. 不同海藻酸钠添加比例的全配方真菌蛋白3D打印样品在熟化与冷冻处理后X轴和Y轴截面明场显微图像对比。
图10. 未添加海藻酸钠的非3D打印样品在加热与冷冻处理后的X轴和Y轴截面明场显微图像，以及与牛肉样品在烹饪前后的对比。
图11. 不同海藻酸钠添加比例的全配方真菌蛋白3D打印样品与非打印样品在加热与冷冻处理后冻干扫描电子显微镜图像（放大倍数：500×和1000×）。
图12. 不同海藻酸钠添加比例的全配方真菌蛋白3D打印样品与非打印样品在加热与冷冻处理后的傅里叶变换红外（FTIR）光谱和蛋白质二级结构组成分析。（A）加热后的FTIR光谱、（B）加热及后续冷冻处理后的FTIR光谱、（C）加热后的蛋白质二级结构组成、（D）加热及后续冷冻处理后的蛋白质二级结构组成。
图13. 不同海藻酸钠添加比例的全配方真菌蛋白3D打印样品与非打印样品在加热与冷冻处理后的分子间相互作用力。
图14. 全配方真菌蛋白3D打印样品在不同海藻酸钠添加比例及处理条件下的质构特性、水分特征、分子间作用力和二级结构之间的相关性分析。
作者简介
周光宏，南京农业大学教授，博士生导师，肉品质量控制及新资源创制全国重点实验室和国家肉品质量安全控制工程技术研究中心主任，长期从事肉品加工与质量控制方面的教学与研究。主持完成的“冷却肉品质控制关键技术”、“传统肉制品品质形成机理及现代化生产”和“低温肉制品质量控制关键技术”分别获得国家科技进步二等和教育部科技进步一等奖；主编《畜产品加工学》、《肉品学》、《肉品加工学》等专著和教材；主持多项国际和国家肉品标准的制定，申请、授权发明专利 30 余项，发表论文 200 余篇，培养博士 50 余名。
叶可萍，南京农业大学教授，博士生导师，南京农业大学“钟山学术新秀”。近年来，聚焦于肉品品质及贮藏保鲜、肉品中病原菌预测与控制、真真菌蛋白仿制肉等方面开展科学研究。主持国家自然基金面上及青年项目3项、国家十四五重点研发项目课题、国家十四五解绑挂帅项目任务、江苏省自然科学基金面上项目、新疆重大科技专项任务、国家食品安全风险评估中心项目、企业重大产学研合作项目等项目20余项；发表论文50余篇，申请发明专利6项，授权新型实用专利2项，参与制定标准1项，参编教材与书籍2部；获得中国食品科学技术学会科技创新一等奖。