2026年1月2日，河南工业大学粮油食品学院刘翀教授和郑学玲教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Hydrocolloids （IF:12.4）上在线发表了题为“Insights into the structural evolution of wheat starch-soy protein isolate gel network during 3D printing based on nonlinear rheology”的研究型论文。
随着健康食品与组分相互作用研究的发展，食品3D打印—特别是热挤压打印—通过调控打印程序与组分作用，成为创制个性化食品的重要方向。打印墨水的可打印性依赖于其凝胶结构与流变特性，需兼具良好流动性以保障挤出顺畅，以及足够结构强度以维持产品形态。在打印过程中，剪切作用促使分子链运动增强、微观结构破坏与组分重排；挤出后，分子链运动减弱，相互作用增强，进而驱动结构重建。
淀粉和蛋白质作为食品主要组分，其微观结构及相互作用直接影响食品性质。研究表明，热加工中蛋白质变性与淀粉糊化可同时发生，但二者协同影响机制仍不明确；热力学不相容时则会形成“海-岛”或“蛋盒”结构等相分离结构。目前纯淀粉或纯蛋白的3D打印研究较成熟，而淀粉-蛋白复合体系的研究尚不充分，其相互作用与凝胶网络演变对打印适性的影响机制不清，成为制约3D打印食品发展的关键瓶颈。
目前对食品加工过程中分子链运动与微观结构演变的表征，多依赖光学、热力学等方法，这些方法基于稳态条件下的微观变化间接推断结构转变；而非线性流变学能直观反映分子链的渗透、扩散、吸附与物理缠结等行为，更适合表征如3D打印这类大应变条件下的食品流变特性。本研究以小麦淀粉（WS）-大豆分离蛋白（SP）体系为对象进行3D打印，提出以下假设：在3D打印条件下，WS与SP之间发生分子相互作用，可增强复合凝胶网络强度，进而改善其可打印性，且这一过程可通过非线性流变学进行捕捉。尤其值得注意的是，非线性流变学在淀粉-蛋白3D打印体系中的应用仍十分有限，非线性参数如何反映微观结构转变及关键组成阈值尚不明确。
本研究旨在结合热力学与光谱分析手段，利用非线性流变学方法，探究3D打印过程中WS-SP体系分子间相互作用及网络结构演变规律。本研究以淀粉干基为基准，按0 wt%-20 wt%的比例添加SP，配制成固含量20 wt%的悬浮液，经95℃水浴搅拌糊化30 min，糊化后物料装入预热至60℃的3D打印机，平衡5 min后进行打印，打印样品挤出后自然冷却至室温（25℃，2 min）。采用快速黏度分析仪、差示扫描量热仪、X-射线衍射仪和傅里叶变换红外光谱仪等仪器，系统评估打印墨水的黏度特性、热特性、晶体结构、氢键相互作用及蛋白质二级结构等理化性质；并利用流变仪测定了其大振幅振荡剪切行为、应力分解、特征函数拟合及稳态黏度等非线性流变特征；阐述了非线性参数反映凝胶微观结构转变和关键成分阈值的机制。本工作可为个性化淀粉-蛋白基3D打印食品的研发提供理论基础与技术支撑。
研究亮点
• 非线性流变学动态揭示了WS-SP的微观结构演化。
• 当SP添加量超过10 wt%时，其形态从离散颗粒转变为连续网络结构。
• SP以浓度依赖的方式抑制淀粉排序。
• SP的添加降低了体系的应变过冲现象，同时增加了体系的结构非均质性。
• SP的添加显著提升了复合凝胶的流动性与触变性。
研究结论
（1）大豆分离蛋白（SP）促进了其与小麦淀粉（WS）间的氢键形成，削弱了淀粉-淀粉相互作用，抑制了淀粉链的有序聚集。
（2）复合凝胶的相对结晶度从9.4%显著下降至4.9%，热转变焓ΔH₁和ΔH₂分别从1.75 J/g降至1.09 J/g和从1.71 J/g降至0.86 J/g，表明分子有序程度降低。
（3）复合凝胶的β-折叠和β-转角结构增加，蛋白质间相互作用逐渐增强，从而形成新的蛋白质凝胶网络结构。
（4）复合凝胶的结构弱化与体系粘度的显著下降相一致，具体表现为稠度指数K从153,323.95降低至96,272.00。
（5）SP的添加也调节了复合体系的非线性黏弹性行为：b值从0.03318下降至0.02123，表明结构规则性有所提高；而Q₀值则从0.01693显著增加至0.05629，暗示结构非均质性增强且应变硬化行为更为明显。
（6）当SP添加量超过10 wt%时，虽形成了新的蛋白质凝胶网络，但其结构强度相对较弱，这进一步加剧了复合凝胶的剪切稀化行为。
（7）在3D可打印性方面，SP的添加提高了打印材料的流动性和触变性，导致打印层数减少，打印精度呈现先升后降的趋势。
（8）这项研究为创建个性化3D打印淀粉蛋白食品提供了理论基础和技术支持。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. WS和SP-WS的糊化曲线（a）、X-射线衍射图谱（b）、傅里叶变换红外光谱（c）以及二阶导数红外光谱（d）。其中，WS：小麦淀粉，SP：大豆分离蛋白。
图3. WS和SP-WS的应变扫描曲线（a）、傅里叶变换流变学测试得出的归一化高阶奇次谐波幅值（b）、应力分解法测得的应力-时间曲线（c）以及特征函数拟合计算得到的贡献率（d）。其中，WS：小麦淀粉，SP：大豆分离蛋白。
图4. 采用剪切速率扫描法测得的稳态剪切粘度曲线（a）和通过触变性测试获得的交变应变扫描曲线（b）显示了WS和SP-WS的流变特性。稳态剪切数据采用幂律模型（η = Kγⁿ⁻¹）进行拟合。其中，WS：小麦淀粉，SP：大豆分离蛋白。
作者简介
刘翀，工学博士，硕士生导师，主要从事谷物化学与品质领域研究。以第一/通讯作者发表学术论文50余篇；作为副主编编写著作2部，参编著作1部；主持国家自然科学基金项目、公益性行业（农业）专项子课题、中原学者工作站专项经费、河南省科技攻关项目、河南省自然科学基金项目各1项，先后承担统一集团、鲁花集团、康师傅集团等委托的横向科研项目5项；申请/授权发明专利8项。获得河南省科技进步三等奖（主持）、中国食品工业协会科技奖一等奖（排名第二）、中国粮油学会科学技术奖一等奖、二等奖和三等奖各1项，河南省教育厅科技成果一等奖2项、二等奖2项，河南省高等教育教学成果奖特等奖、一等奖和二等奖各1项。
郑学玲，博士、二级教授、硕士及博士生导师、国家小麦产业技术体系加工岗位科学家及加工研究室主任。主要研究方向为粮食化学与品质调控以及粮食精深加工与利用。承担国家及省部级科技项目20余项，获得国家及省部级科技进步奖8项，授权发明专利9项，制修订国际标准1项、行业标准4项，编写著作5部，发表文章200余篇。曾荣获全国优秀科技工作者、全国粮油系统先进工作者、教育部新世纪优秀人才、河南省政府特殊津贴专家、郑州市十大科技女杰、河南省优秀教师等荣誉称号。