2026年7月22日，陕西师范大学食品工程与营养科学学院张帅副教授、王晓宇教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Hydrocolloids（IF=13.8）上在线发表了题为“Structurally biomimetic design of a high-methoxyl pectin-K⁺-chitosan dynamically hydrogen bonded crosslinked hydrogel ink with a starfish exoskeleton-like hierarchical microstructure for food 3D printing ”的研究论文。该研究借鉴海星外骨骼分层矿化结构，提出分步仿生组装策略，揭示钾离子介导下高甲氧基果胶‑壳聚糖无糖复合水凝胶的氢键交联机制，解决果胶‑壳聚糖在食品pH环境下直接复配絮凝难题，为开发无糖、适配吞咽障碍人群的多糖基3D打印特殊膳食提供全新策略。
食品3D打印可精准制备个性化复杂食品结构，其中挤出打印因操作简便、原料兼容性广，应用最为普遍。但现有商用打印墨水多以精制糖、油脂、基础浆料为主，普遍热量偏高、营养单一，多原料复配时成型稳定性差，开发高营养、高保形性食用墨水是行业亟待解决的关键问题。
果胶、壳聚糖作为膳食纤维，兼具调节血糖、优化肠道菌群的生理功效，同时可构筑可调流变三维凝胶网络，是打印水凝胶理想原料。高甲氧基果胶适合质构定制，但传统凝胶体系需要55%~60%蔗糖+强酸性环境才能成型，不符合低糖消费趋势；团队前期利用钾离子屏蔽电荷实现无糖果胶凝胶，却存在硬度仅120 g、力学支撑不足的缺陷。
壳聚糖可依靠氢键、静电作用提升凝胶强度，现有相关研究多集中于生物敷料领域，食品场景应用受限。二者稳定成型的pH区间不兼容：pH＜2 强酸环境虽能复合，但成品酸涩难以食用；食品常用pH≈3条件下，果胶与壳聚糖会快速静电络合絮凝，堵头且凝胶结构不均，难以直接复配使用。
针对上述瓶颈，本研究借鉴海星外骨骼 “先形成有机基质、再沉积矿物颗粒分层补强” 的生物结构，提出先构建模板、后分步补强仿生制备思路：先通过K⁺中和果胶链负电荷，搭建疏松多孔果胶模板；再分步加入预制备壳聚糖纳米颗粒，沿果胶骨架定点沉积，借助多重分子作用力补强网络，避免大规模絮凝。本体系可在pH≥3、无蔗糖条件下成型，结合多尺度表征与量子计算阐明分子作用机理，并完成挤出成型验证，为多组分营养打印墨水开发提供新方案。
研究亮点
研发了一种可应用于食品3D打印的高甲氧基果胶‑钾离子‑壳聚糖水凝胶墨水。
采用“先构建模板、后分步补强”仿生策略，有效提升水凝胶力学强度。
该水凝胶为无糖体系，具备优异的热响应性能与自支撑成型能力。
在食品适用pH环境下，水凝胶可显著提升打印适配性与结构稳定性。
该水凝胶可复配制备多组分食品打印墨水，适用于个性化餐食及吞咽障碍人群特殊膳食。
核心实验平台
本研究采用杭州时印科技有限公司FOODBOT-D1食品3D打印机开展全部成型测试，完成单一组分水凝胶、淀粉-蛋白-果蔬多组分墨水打印验证，确定最优工艺：45℃打印温度、0.41 mm喷嘴、15 mm/s打印速率，可稳定成型太极、立体宝塔、文字等平面及25 mm高度立体结构，打印成品无塌陷、表面连续均匀，为多糖基特膳墨水性能标准化测试提供硬件支撑。
核心研究结果
（1）仿生分步组装策略显著提升凝胶力学与持水性能，94 mM钾离子为最优配方：94 mM钾离子条件下复合水凝胶硬度达163.77 g，持水性达91.33%，较单一果胶体系力学性能大幅提升；钾离子浓度过高会因结合位点饱和导致性能下降，该配方有效解决果胶-壳聚糖直接混合易絮凝的问题。
（2）多重分子协同作用调控凝胶组装，氢键为核心交联驱动力：钾离子主要通过静电屏蔽削弱果胶链间斥力，拉近分子间距促进网络模板形成；壳聚糖纳米颗粒通过氢键与弱静电作用锚定补强，尿素破坏氢键实验证实氢键是维系三维凝胶网络的主导作用力。
（3）温敏剪切变稀特性适配高精度挤出打印，工艺窗口清晰可控：最优打印参数为45℃挤出温度、0.41 mm喷嘴直径、15 mm/s打印速度，可实现太极图案、立体宝塔等复杂结构的高保真成型；四次冷热循环后凝胶仍保留70%以上初始硬度，热加工稳定性优异。
（4）多组分复配体系质构与IDDSI吞咽等级高度匹配：复配淀粉、蛋白与果蔬浆的复合墨水均达到IDDSI 5级标准，1.0%水凝胶添加量下打印精度与形状保持性最佳，质构参数符合中度吞咽障碍人群的食用安全要求。
（5）凝胶微观孔隙结构与打印性能、吞咽安全性存在显著关联：连续均匀的多孔网络对应更优的挤出流畅性与成型保形性，氢键密度与网络致密程度是平衡打印精度、质构特性与吞咽安全性的核心调控靶点。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 构建高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖水凝胶的仿生颗粒增强策略。(A) 海星外骨骼颗粒增强分层结构示意图；(B) 高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖水凝胶多级组装原理示意图，先制备果胶基模板，再依靠纳米颗粒与多重分子协同作用完成网络补强。
图3. 水凝胶性能表征与微观形貌。(A) 不同钾离子浓度下，高甲氧基‑钾溶胶 (1)、高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖水凝胶 (2) 实物照片；(B) 钾离子浓度 54、74、94、114 mM 对应的高甲氧基果胶‑钾溶胶、复合水凝胶的凝胶‑熔融流变曲线（1/5、2/6、3/7、4/8 依次对应四组浓度）；(C) 不同钾离子浓度水凝胶硬度；(D) 不同钾离子浓度水凝胶持水性；邓肯多重比较，标注不同字母组间差异显著 (p<0.05)，相同字母组无显著差异 (p>0.05)；(E) 高甲氧基果胶、高甲氧基果胶‑钾、壳聚糖纳米颗粒、复合水凝胶原子力显微镜 (AFM) 图；(F) 上述各组样品扫描电镜 (SEM) 微观形貌图。
图4. 高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖自组装分子机理分析。(A) 各组样品 Zeta 电位；(B) 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)；(C、D) 等温滴定量热 (ITC) 滴定基线曲线；(E) 94 mM 钾离子与高甲氧基果胶结合等温线；(F) 壳聚糖与高甲氧基果胶‑钾复合物结合等温线；(G) 尿素破坏水凝胶氢键的对照实验实物图；(H) 简化高甲氧基果胶、果胶‑钾、壳聚糖分子范德华表面静电势 (ESP) 分布图及对应表面积；(I) 高甲氧基果胶、果胶‑壳聚糖、果胶‑钾、三元复合体系约化密度梯度 (RDG) 模拟等值面图；(J) 钾‑壳聚糖依靠多重协同分子作用力介导水凝胶自组装机理示意图。
图5. 高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖水凝胶热加工性能与 3D 打印成型性能。(A) 水凝胶温敏特性及 3D 打印应用流程示意图；(B) 四次冷热循环处理后水凝胶硬度变化；(C) 35、45、55℃下水凝胶应力松弛曲线；(D) 水凝胶 3D 打印效果：(1) 不同挤出温度打印丝材、(2) 不同喷嘴直径成型图案、(3) 不同打印速度成型图案；(4) FOODBOT-D1 食品 3D 打印机实物，以及太极、罐体、宝塔立体打印成品。
图5. 高甲氧基果胶‑钾‑壳聚糖水凝胶用于多组分食品 3D打印墨水。(A) 6% 淀粉 + 6%蛋白体系复配不同添加量水凝胶后的 3D 打印圆柱样品（侧视图、俯视图）；(B) 淀粉‑蛋白‑复合墨水流变性能：(1) 振幅扫描、(2) 频率扫描、(3) 稳态剪切黏度曲线；(C) 不同水凝胶添加量、复配果蔬样品的国际吞咽膳食标准 (IDDSI) 三项测试结果；(D) 多组分食品3D打印成品展示：平面蝴蝶、文字图案，以及金字塔、圆柱立体模型。
研究总结
配方最优解：成功构建无糖型高甲氧基果胶-K⁺- 壳聚糖仿生水凝胶墨水，可在食品安全 pH≥3 环境下稳定成型，最优94 mM 钾离子配方凝胶硬度、持水性大幅提升；体系可与淀粉、乳清蛋白、果蔬浆料复配，全部样品达到 IDDSI 5级吞咽障碍膳食标准，是低糖高纤维个性化膳食3D打印的优质原料体系；
分子机理明确：采用 “先模板、后补强” 仿生组装策略，K⁺仅发挥静电电荷屏蔽作用，氢键为维系三维凝胶网络的核心作用力；分步制备模式规避果胶与壳聚糖直接混合的絮凝问题，将强静电团聚转化为多重分子协同弱交联，从分子层面阐明均相成型内在机制；
设备价值凸显：杭州时印科技食品3D打印机凭借稳定的运行性能、精准的挤出控制，完成了全参数梯度优化与复杂结构打印验证，为多糖基吞咽障碍特膳墨水的性能标准化测试提供专业硬件支撑；
应用前景广阔：温敏可逆水凝胶适配普通单通道挤出打印设备，无需同轴结构与后处理交联工序，原料天然可食用、全程零蔗糖添加，拓宽了果胶与壳聚糖天然膳食纤维在医用特殊膳食、老年吞咽营养餐、儿童定制功能食品中的产业化应用路径。
该研究基于海星外骨骼仿生结构设计了多级交联多糖水凝胶打印墨水，为无糖、高稳定性吞咽友好型食品3D打印基质的分子结构设计提供完整理论与实验支撑，也为天然植物基复合水凝胶在特殊医学用途配方食品领域的落地应用开辟了新思路。
作者简介
张帅，副教授，硕士生导师，兼任SCI期刊《Journal of Future Foods》青年编委，担任省部级科研项目评审专家。主要从事纳米纤维素材料制备、食品包装材料、木质素高值化利用、农林副产物资源化利用、果胶基功能水凝胶构建方向研究。主持国家自然科学基金青年项目、陕西省重点研发计划课题2 项，作为骨干参与国家级、省部级科研项目6项；以第一 / 通讯 / 共同第一作者发表SCI论文10余篇。
王晓宇，教授，研究生导师。国家苹果产业技术体系岗位专家、加工研究室主任，陕西省农业特聘专家、西安市农业特聘专家，农业农村部国家苹果加工技术研发专业中心副主任，中国食品科学技术学会果蔬加工技术分会常务理事。主要从事果品发酵工程及副产物综合利用、苹果营养化加工及副产物综合利用、果品功能因子挖掘及产品开发、食品智能加工技术及工程化领域研究。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、陕西省重点产业链等重大科研攻关项目12项、横向课题6项，参与国家及省部级项目15项；发表学术论文80多篇，参编著作2部，授权国家发明专利8项（已转化4项），荣获陕西省高校科技进步一等奖1项，指导研究生30余名，多名学生成长为果蔬加工及副产物利用领域行业技术骨干。