2026年7月23日，东北农业大学食品学院张华江教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Research International（IF=8.8）上在线发表了题为“Dehydration-induced 4D shape transformation in 3D printed egg yolk gels: Insights into the coupling between water redistribution and network restructuring”的研究论文。研究以盐诱导鸭蛋蛋黄凝胶为打印基材，引入钙离子调控凝胶流变与微观网络，探究脱水刺激下的4D形变行为，揭示水分迁移‑网络重构的耦合机理，为智能响应型4D食品打印提供蛋黄基全新方案。
3D打印依靠计算机模型逐层沉积物料，能够精准调控食品外形、质构与组分，契合个性化营养、按需定制的食品工业4.0发展方向。当前食品3D打印研究大多聚焦挤出成型，但打印后结构在外界刺激下的动态演变（即4D食品打印）仍有待深入挖掘。
4D打印在3D基础上增加时间维度，成品可在脱水、温度、pH 等外界刺激下发生可控理化形变。目前食品打印墨水多为大豆、豌豆等植物蛋白体系，虽原料易得，但感官、氨基酸组成存在短板；动物蛋白营养均衡、消化率高，却受限于本征流变性能差，很少被开发为打印墨水。
蛋黄具备脂蛋白多级结构，可实现离子响应聚集与脱水收缩，是开发营养型4D打印食品的优质基材。本研究选用鸭蛋蛋黄，相比鸡蛋蛋黄，其脂质、颗粒占比更高，凝胶本征强度更强，便于观察离子调控网络重构行为。但纯盐诱导蛋黄凝胶挤出性能差、打印保形能力弱。钙离子可以调控脂蛋白聚集与水分结合行为，然而离子调控‑水分重分布‑4D形变三者之间的内在机制尚不明确。
因此本文以盐诱导鸭蛋蛋黄凝胶为模型，系统探究钙离子浓度对流变、水分迁移、微观结构的影响，阐明打印性能与后处理形变背后 “结构‑水分‑功能” 耦合关系，为营养致密、可编程形变的4D打印食品提供理论支撑。
研究亮点
Ca²⁺增强了蛋黄凝胶的黏度和弹性，改善其3D打印性能。
脱水诱导凝胶内部水分重新分布，并促进了蛋白质聚集。
结合水含量的增加以及更加致密的网络结构促进了4D形状转变。
干燥过程中的不均匀收缩产生了应力，驱动了4D变形。
核心实验平台
本研究采用杭州时印科技FOODBOT‑S2PRO食品3D打印机，设置喷嘴直径0.84 mm、层厚0.8 mm、填充率95%、打印速度20 mm/s，完成不同钙离子梯度蛋黄凝胶的挤出成型，打印海豚、乌龟、花朵等多种模型，用于评估打印精度、成型稳定性以及后续脱水4D形变效果，为配方筛选提供硬件支撑。
核心研究结果
（1）钙离子显著优化盐诱导蛋黄凝胶的流变特性与3D打印性能，2.0%添加量下效果最优：凝胶黏度从对照组107.4 Pa⋅s提升至483.8 Pa⋅s（剪切速率 1 s⁻¹），线性黏弹区临界应变从7.5%提升至11.3%，打印精度较对照组提升32.0%，可实现多层复杂模型的精准稳定成型。
（2）钙离子调控凝胶内部水分赋存状态与微观网络结构：促进自由水向结合水、束缚水转化，缩短水分子弛豫时间，限制水分迁移；同时诱导蛋白构象重排与脂蛋白解离，构筑更致密的蛋白-脂蛋白凝胶网络。
（3）脱水引发的水分梯度与内应力驱动可控4D形状转变，形变程度受几何结构调控：边缘薄、中心厚的海豚模型弯曲角度最高可达24°，厚度均匀的猫爪模型形变微弱；干燥约0.5 h开始显现形变，3 h左右达到最大幅度并趋于稳定。
（4）脱水过程伴随凝胶微观网络的重构与致密化：3D打印态样品呈松散的胶束颗粒结构；4D形变后蛋白进一步聚集融合，孔隙缩小，网络更连续光滑；钙离子浓度越高，4D态凝胶微观结构越紧凑。
（5）阐明 “水分重分布-网络重构” 耦合的4D形变作用机制：钙离子负责构建初始可打印凝胶网络，脱水带来的不均匀失水积累内应力，带动凝胶网络收缩，共同驱动宏观形变；蛋黄基凝胶兼具可控形变能力与较小的体积收缩，具备高营养密度的独特开发优势。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. （A）盐诱导蛋黄凝胶的外观形态。（B）盐诱导蛋黄凝胶表观粘度随剪切速率（0.1 s⁻¹–100 s⁻¹）的变化。（C）角频率6.25 rad/s条件下，储能模量（G’）与损耗模量（G”）随应变（0.1%–100%）的变化。（D）盐诱导蛋黄凝胶的三区间触变性测试（3-ITT），剪切速率分别为0.1 s⁻¹（0–200 s）、100 s⁻¹（201–300 s）和0.1 s⁻¹（301–500 s）。
图3. 盐诱导蛋黄凝胶在应变振幅为5%、10%、50%、100%和500%（频率恒定为6.25 rad/s）条件下的弹性Lissajous曲线。黑色闭合曲线为总应力，红色曲线为弹性Lissajous曲线。
图4. 盐诱导蛋黄凝胶在应变振幅为5%、10%、50%、100%和500%（频率恒定为6.25 rad/s）条件下的粘性Lissajous曲线。黑色闭合曲线为总应力，红色曲线为粘性Lissajous曲线。
图5. 盐诱导蛋黄凝胶3D/4D打印产物的外观形态。
图6. （A-F）3D/4D打印产物的颜色参数。（G-H）3D/4D打印产物的总色差（ΔE）。（I）3D/4D打印产物颜色示意图。
图7. （A）水分含量，（B）水分损失率，（C和E）T₂弛豫时间分布，（D和F）T₂峰面积比例。
图8. 3D打印产物的打印精度与打印稳定性。（B）3D打印产物的干燥动力学曲线。（C）不同干燥时间下3D打印产物的代表性图像。
图9. 3D/4D打印产物的SEM显微图像。SEM图像比例尺分别为7 μm（3000×）和4 μm（5000×）。
图10. 3D打印盐诱导蛋黄凝胶4D变形机理的示意图。
研究总结
配方优化：钙离子改性盐诱导鸭蛋蛋黄凝胶，显著改善流变与挤出性能，解决纯蛋黄凝胶打印易坍塌的问题，实现高精度3D成型。
机理清晰：明确 “钙离子构建初始网络—脱水引发水分梯度—内应力驱动网络收缩—宏观4D形变” 的耦合机制，为脱水响应型4D食品提供理论参考。
设备支撑：时印科技食品3D打印机完成多配方、多模型的成型与形变制备，可直观对比打印精度与形变效果，为蛋黄基4D打印墨水评价提供标准化平台。
应用价值：蛋黄基墨水营养密度高、无需复杂改性，可应用于个性化营养食品、吞咽障碍质构食品、趣味儿童食品与智能响应型4D食品开发。
作者简介
张华江，教授，博士生导师，东北农业大学食品学院食品科学与工程系主任/专业负责人，农产品加工及贮藏工程学科带头人，食源基功能活性包装学科团队负责人，中国蛋品加工业“十大杰出青年”，东北农业大学校级教学名师。研究方向为蛋制品加工、食源基活性包装。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、中央支持地方改革人才发展项目、科技部科技人员服务企业行动项目、国家科技支撑计划子课题、黑龙江省自然科学基金等各级项目共32项，发表学术论文138篇，其中SCI/EI收录57篇（其中一区TOP期刊15篇，高被引1篇）；主编科学出版社著作和教材7部；获得省科技进步二等奖、三等奖、省高校科学技术一等奖等共12项；授权国家发明专利17项；与国内12家食品企业进行了科技项目合作，为企业开展技术咨询与服务70余次。