2025年12月8日，南昌大学食品学院张鹏副教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Chemistry （IF:9.8）上在线发表了题为“Functional modification of β-lactoglobulin-based emulsion ink enables 4D printing and dysphagia diet applications: A proof-of-concept study”的研究型论文。
近年来，基于乳液的打印墨水因其两相特性受到关注，不仅能满足打印流变要求，还可作为亲水性和亲脂性活性成分（如维生素、多酚等）的共包载体，实现在pH、温度等触发条件下的可控释放，这对吞咽障碍膳食及靶向营养输送体系开发具有重要意义。然而，该类墨水在稳定性与和流变性能的平衡方面仍面临挑战，相关研究尚处于起步阶段。
随着消费者审美水平和饮食需求不断提升，对复杂动态模型的需求日益增长，这也对打印材料与打印精度提出了更高要求。因此，兼具营养功能与精准流变调控能力的天然材料成为突破技术瓶颈的关键。山药粉凭借其特有的多糖结构特性和对剪切作用的敏感性，能在营养强化与精密成型之间建立有效的技术协同关系。
先前研究已成功构建了由β-乳球蛋白-迷迭香酸-果胶（β-LG-RA-PC）三元共价复合物稳定的水包油（O/W）乳液体系。然而，该体系的环境稳定性（如对pH、离子、热处理及氧化的耐受性）及其在3D食品打印中的可打印性尚未得到系统评估。为此，本研究引入山药粉作为质构改良剂，以提升墨水体系的打印适应性。具体而言，将β-LG-RA与PC按1:1质量比溶解于纯水中，搅拌12 h后冻干。将所得β-LG-RA-PC复配物配制成10 mg/mL水溶液，与玉米油（油相占比66.6%）均质制备乳液。系统测定了乳液的环境稳定性（包括pH、贮存、盐离子、温度及氧化稳定性）和流变特性等关键理化性质。随后，在pH 3条件下向乳液中分别加入5%–25%（w/v）山药粉，混合均匀后作为打印墨水，评估其3D可打印性与吞咽适配性。最后，将NaHCO₃（0%–4% , w/v）溶解于β-LG-RA-PC水溶液中，同时将0.1%（w/v）姜黄素溶于玉米油，均质后加入15%（w/v）山药粉并混合均匀。基于该墨水打印“南昌”字样模型，并测定模型在不同加热温度、加热时间及NaHCO₃浓度下的颜色变化。所开发的β-LG-RA-PC稳定乳液墨水体系，通过组成与工艺优化，实现了打印精度、环境响应性与吞咽适口性之间的协同提升。结合4D打印的时空可控特性，该体系有望拓展至个性化载药食品与胃肠道靶向递送系统等前沿应用领域。
研究亮点
• pH值对乳液的流变特性有显著影响。
• 山药粉改性后的乳液墨水验证了其用于3D打印的可行性。
• 根据IDDSI的分类标准，该类打印墨水可归类为4级食物质地。
• 含有姜黄素的乳液墨水为pH响应型4D打印提供了概念验证。
研究结论
（1）在pH 3条件下，乳液液滴尺寸最小（24.99 μm），表现出高黏弹性（储能模量G′ > 损耗模量G″）和强抗形变能力（屈服应力σ₀ = 6.614 Pa）。
（2）乳液的稳定机制从以静电排斥为主导，转变为以空间位阻和三维网络结构为主。
（3）添加Na⁺可增强乳液的抗形变能力（σ₀可提升至11.320 Pa），但会降低体系黏度。加热处理在保持σ₀基本不变的同时，进一步降低黏度，并改善了乳液的恢复性能。
（4）添加15%–20%（w/v）山药粉后，乳液可实现复杂三维结构的精确打印，其屈服应力（σ₀ = 16.138 Pa）和稠度系数（k = 133.25 Pa·sⁿ）显著提高，且呈现典型的假塑性流体行为（流动指数 n = 0.26–0.42）。
（5）热刺激引发 NaHCO₃ 的热解离，驱动水相微环境中 pH 值发生梯度变化，促使姜黄素经历油‑水界面跨相迁移与去质子化重排，生成苯氧阴离子，诱导“南昌”字样模型外观由鲜黄色逐渐转变为红棕色。
（6）基于姜黄素-碳酸氢钠的pH响应体系，实现了颜色的可控变化与良好的吞咽适口性，从而为个性化营养与功能性4D打印食品的开发提供了概念验证策略。
图文赏析
图1. β-LG-RA-PC乳液在不同pH条件下（A–F分别对应pH 3–8）的光学显微镜图像（比例尺为100 μm）、正置外观（G）、倒置外观（H），以及低温（4°C）储存不同时间后（a–e）的乳液外观照片。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图2. β-LG-RA-PC 乳液在不同 pH 条件下的流变特性：剪切速率-黏度曲线（A）、应变-模量曲线（B）、三间隔触变性测试曲线（C）、蠕变-恢复曲线（D）、角频率-模量曲线（E）和剪切速率-剪切应力曲线（F）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图3. β-LG-RA-PC乳液（pH 3）在不同离子浓度下的光学显微镜图像（A–F分别对应0、25、50、100、200和500 mM，比例尺为100 μm）、正置外观（G）和倒置外观（H）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图4. β-LG-RA-PC 乳液（pH 3）在不同离子浓度下的流变特性：剪切速率-黏度曲线（A）、应变-模量曲线（B）、三间隔触变性测试曲线（C）和蠕变-恢复曲线（D）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图5. β-LG-RA-PC乳液（pH 3）在不同加热温度下的光学显微镜图像（A–D分别对应25、37、65和90 °C，比例尺为100 μm）、正置外观（E）和倒置外观（F）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图6. β-LG-RA-PC 乳液（pH 3）在不同加热温度下的流变特性：剪切速率-黏度曲线（A）、应变-模量曲线（B）、三间隔触变性测试曲线（C）、蠕变-恢复曲线（D）、角频率-模量曲线（E）和剪切速率-剪切应力曲线（F）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图7. β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 稳定的乳液中未吸附蛋白 (a) (A) 与吸附蛋白 (a) (B) 的 SDS-PAGE 分析（泳道 M：蛋白 Marker；泳道 1、3、5：分别对应 β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 在 60°C 储存 0 天的样品；泳道 2、4、6：分别对应 β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 在 60°C 储存 7 天的样品）；β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 复合物的差示扫描量热分析曲线，插图为 PC 的差示扫描量热分析 (a) (C)；β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 乳液（pH 3）储存期间内源色氨酸荧光变化 (b) (A–C) 与希夫碱荧光变化 (b) (D–F)（A/D：β-LG；B/E：β-LG-RA；C/F：β-LG-RA-PC）；β-LG、β-LG-RA、β-LG-RA-PC 稳定乳液（pH 3）中脂质氢过氧化物 (c) (A)、硫代巴比妥酸反应物 (c) (B) 及游离巯基含量 (c) (C) 的变化。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图8. 加不同含量山药粉的β-LG-RA-PC乳液制备的3D打印样品外观图（A）以及不同山药粉添加量墨水的国际吞咽障碍饮食标准化倡议（IDDSI）测试结果（B）。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
图9. 不同时间、加热温度及碳酸氢钠添加量下，由姜黄素功能化β-LG-RA-PC乳液墨水（含15% w/v山药粉）制备的打印样品外观。β-LG：β-乳球蛋白、RA：迷迭香酸和PC：果胶。
作者简介
张鹏，南昌大学食品学院副教授，博士，硕士生导师，入选江西省“省部级青年人才”项目。主要从事食品发酵、酶生物技术和合成生物学相关领域研究。近年来，主持国家青年基金项目1项、江西省杰青项目1项、江西省自然科学青年基金项目1项、江西省自然基金面上项目1项；参与国家自然科学基金面上项目1项、地区项目1项、江西省农业支撑项目1项、企业横向项目5项。在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Scientific Reports、《微生物学报》等国内外学术期刊上发表论文20余篇；参编英文专著1部，中文专著1部。