2026年2月23日，福建农林大学食品科学学院张龙涛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“Constructing a 3D printed composite gel using sodium carboxymethylcellulose and gelatin”的研究型论文。
3D打印作为一种基于粘弹性墨水的增材制造技术，以其免模具、高材料利用率和结构可定制的优势，在食品领域应用前景广阔，尤其适用于个性化营养和可持续制造。食品3D打印要求墨水的流动特性和力学强度直接决定打印精度、结构保真度和后期稳定性，其中剪切稀化、快速结构恢复和弹性是关键指标。然而，单组分体系常面临流动性与其结构强度难以兼顾的局限。因此，兼具剪切稀化和良好形状保持能力的水凝胶成为开发食品打印墨水的理想基材。
鱼明胶（FG）作为可持续的明胶来源，具备低致敏、高消化和营养均衡的优点，但其较低的熔点和较弱的凝胶强度限制了其在打印体系中的应用，通常需借助多糖复合以提升其流变稳定性。羧甲基纤维素钠（CMC-Na）是一种具备良好水溶性、生物相容性和剪切稀化特性的纤维素衍生物，在食品与生物墨水3D打印中常作为流变改良剂和结构剂使用，其与鱼明胶可通过分子间相互作用形成互补，从而协同提升凝胶体系的强度和打印精度。现有研究对FG-CMC-Na复合水凝胶的探讨多集中于配方可行性和基础表征，缺乏对成分-流变行为-挤出型打印性能间系统关联的深入分析，特别是FG/CMC-Na配比对凝胶动力学、非线性粘弹性和打印稳定性的影响尚未明确。
本研究旨在探究FG和CMC-Na复合是否能形成协同聚合物网络，以增强凝胶的稳定性和机械强度，进而提升其3D可打印性和结构完整性。具体而言，制备了具有不同FG（10%-30 wt%）/CMC-Na（3%-9 wt%）配比的复合凝胶，并采用流变仪表征其流变特性（包括剪切稀化、恢复性、热响应和力学性能）；通过核磁共振图谱分析水分分布状态；利用傅里叶变换红外光谱阐明分子间相互作用；结合扫描电子显微镜观察内部微观结构；并通过模型打印评估3D可打印性和结构保真度。该研究为面向挤出型3D食品打印的明胶基复合水凝胶的理性设计提供了新见解，对可持续和功能性食品的开发具有潜在意义。
研究亮点
• 利用挤出型3D打印技术开发出一种可打印的明胶-羧甲基纤维素钠复合凝胶。
• 羧甲基纤维素钠增强了明胶凝胶的流变稳定性和结构保真度。
• 协同聚合物相互作用改善了复合凝胶的黏弹性和网络均匀性。
• 复合凝胶展现出可调控的机械强度和形状保持能力。
• 此项研究为功能性多糖-蛋白质凝胶的开发提供了一种可持续的策略。
研究结论
（1）随着羧甲基纤维素钠（CMC-Na）含量的增加，凝胶温度上升，热稳定性提高，进而提升了打印成型尺寸的精确度。
（2）复合凝胶以弹性响应为主，中等CMC-Na含量可形成具有良好回弹性和缠结度的网络结构，而过高含量在应变作用下会出现暂时性结构弱化，但可通过分子链的重构恢复其弹性。
（3）在鱼明胶中引入CMC-Na可形成协同聚合物网络，从而增强凝胶化能力和力学强度。
（4）鱼明胶-羧甲基纤维素钠相互作用通过促进自由水转化为结合水，强化了氢键网络并限制了水分子迁移。同时，结构分析表明β-折叠含量增加，且微观孔道更为致密，共同提升了凝胶的力学强度和保水能力。
（5）在挤出流动性、打印精度和结构稳定性方面，鱼明胶（20 wt%）-羧甲基纤维素钠（9 wt%）配方表现出最优的综合性能。
（6）所开发的复合凝胶作为一种多功能食品级基质，在定制化形态食品领域展现出巨大应用潜力。未来研究可通过引入生物活性物质、营养补充剂等成分，进一步拓展其在个性化、高附加值3D打印食品中的应用。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 单一鱼明胶（FG）含量分别为（a）10 wt%、（b）20 wt%和（c）30 wt%的3D打印产品以及单一羧甲基纤维素钠（CMC-Na）含量分别为（d）3 wt%、（e）6 wt%和（f）9 wt%的3D打印产品。
图3. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的剪切稀化行为和粘度恢复性能：（A）表观粘度随剪切速率的变化、（B）三阶跃剪切测试显示的恢复行为以及（C）不同配方的恢复率对比。
图4. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的温度依赖性流变行为：（A）粘度随温度升高的变化、（B）凝胶点测定和（C）不同配方的凝胶温度。
图5. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的粘弹特性：（A）储能模量（G′）随角频率的变化、（B）损耗模量（G″）随角频率的变化和（C）各配方单点模量值比较。
图6. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的大振幅振荡剪切响应，以不同应变振幅（10-700%）下的弹性利萨茹曲线（应力-应变曲线）表示。
图7. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的大振幅振荡剪切响应，以不同应变振幅（10-700%）下的粘性利萨茹曲线（应力-应变率曲线）表示。
图8. 基于低场核磁共振的鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的水分状态分析：（A）T2弛豫时间分布、（B）自由水、固定水和结合水的比例分布。
图9. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的分子和结构相互作用：（A）FG、CMC-Na以及FG-CMC-Na的红外光谱、（B）分峰拟合光谱所得的二级结构含量。
图10. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的扫描电镜显微图像（放大倍数150×）。
图11. 鱼明胶-羧甲基纤维素钠（FG-CMC-Na）复合墨水的3D打印性能：（A）打印的圆柱体（1 × 1 × 1 cm）、（B）不同储存条件下的尺寸稳定性和（C）打印的复杂3D打印形状。
作者简介
张龙涛，教授、博士生导师，福建省百千万人才工程人选，福建省高层次人才。专注于水产、畜产食品，福建特色食品的加工技术优化和基础研究。近年来，主持国家、省部、横向各类科研项目10余项；获发明专利授权12件（第1发明人），以第一作者或通讯作者发表科技论文50余篇；科研成果获福建省科技进步二等奖5项。