2026年7月21日，华中农业大学食品科学技术学院李晶教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Carbohydrate Polymers（IF=13.2）上在线发表了题为“Alkali-heat treatment synergistic gelation of yeast protein and konjac glucomannan/xanthan gum: Molecular mechanism and its application in 3D-printed meat analogs” 的研究论文。研究提出 “碱热处理蛋白-多糖协同凝胶结构强化” 策略，以酵母蛋白为基质，复合魔芋葡甘聚糖与黄原胶，通过碳酸钠诱导碱热协同效应，构建出类蜂窝状三维凝胶网络，实现3D打印整块牛排模拟物的高逼真质构，推动3D打印食品从形态仿生向质构与功能仿生升级。
可持续食品体系转型推动微生物蛋白基肉类替代品快速发展，酵母蛋白因环境足迹低、生物相容性好、氨基酸组成均衡，成为极具潜力的优质替代蛋白源。但酵母蛋白天然凝胶性弱，挤出后空间稳定性差、易坍塌，且难以形成真实肌肉组织的定向纤维结构与弹性口感，严重限制了其在3D打印人造肉中的应用。
蛋白-多糖复合体系可通过协同相互作用构建兼具剪切变稀特性与机械稳定性的凝胶网络，其中魔芋葡甘聚糖与黄原胶的协同作用可通过氢键与范德华力形成刚性、热稳定的水凝胶骨架。但现有蛋白-多糖混合体系多停留在形态复刻层面，无法还原真实肉类的致密纤维质构与咀嚼口感。热处理与pH调控是调控蛋白构象、强化分子间相互作用的常用手段，二者结合有望进一步优化凝胶网络结构，提升质构逼真度。
基于此，本研究以酵母蛋白为基质，优化魔芋葡甘聚糖与黄原胶配比，引入碳酸钠构建碱热协同凝胶体系，系统探究其对墨水流变性能、3D打印适性与质构特性的调控作用，结合多尺度表征揭示分子作用机制，开发质构高度仿生的酵母蛋白基3D打印牛排模拟物。
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打印机作为核心成型实验设备，配置0.6 mm规格喷嘴，在喷嘴温度70 ℃、底板温度25 ℃的统一参数条件下，完成20 mm×20 mm×10 mm立方体模型的打印精度与稳定性测试，以及整块牛排模拟物的成型验证。设备凭借稳定的挤出流量控制、精准的层间堆叠能力，可精准量化不同配方墨水的打印适性差异，为质构仿生产品的配方优化提供可靠的硬件支撑。
核心研究结果
（1）优化酵母蛋白、魔芋葡甘聚糖与黄原胶的复配比例，当KGM与XG质量比为1:1时复合墨水打印性能最优，打印精度达98.75%，打印稳定性达99.26%，挤出均匀连续，成型结构完整无坍塌；单一酵母蛋白因凝胶性弱，无法实现有效3D打印。
（2）引入碳酸钠构建碱热协同凝胶体系，可精准调控模拟牛排的质构特性；0.15%添加量下，产品硬度、弹性、咀嚼性、内聚性等质构参数与真实菲力牛排高度吻合，感官评价接受度高，同时体系持水性达90.15%，与真实牛排持水能力相当，可保障产品多汁口感。
（3）复合墨水的流变特性精准适配3D打印全流程，体系呈典型剪切变稀特性，便于喷嘴挤出；0.15%碳酸钠组的结构恢复率达83.01%，挤出后可快速重建凝胶网络，保障层间粘结与整体结构稳定性。
（4）碱热协同作用可重构凝胶微观结构，促进酵母蛋白自组装形成球形聚集体，均匀嵌入多糖三维网络框架中，构建出致密稳定的类蜂窝状三维结构，成为凝胶强度与质构提升的核心结构基础。
（5）多尺度表征揭示了碱热协同凝胶化的分子机制：碱与热共同作用强化了体系内二硫键与氢键作用，降低静电斥力，促进蛋白二级结构向β-折叠转变，同时显著提升体系热稳定性，最优配方的凝胶熔化峰值温度达91.3 ℃。
（6）低场核磁共振分析显示，所有配方体系中均无自由水存在，水分以结合水与不易流动水形式存在；随碳酸钠添加量提升，结合水占比逐渐升高，水分与基质结合更紧密，进一步提升产品的质构与储存稳定性。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 不同配比酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水3D打印样品的宏观形貌。
图3. 不同配比酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水不同方向的打印精度与打印稳定性。
图4. 不同碳酸钠添加量的3D打印模拟牛排与真实牛排的质构剖面分析（TPA）指标与剪切质构指标。
图5. 不同碳酸钠添加量的酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水的流变表征。(A) 黏度曲线；(B) 频率扫描；(C) 升温扫描；(D) 降温扫描；(E) 触变曲线；(F) 蠕变恢复曲线。
图6. 不同碳酸钠添加量的3D打印样品的持水性（WHC）、T₂弛豫时间分布与水分组成。
图7. 不同碳酸钠添加量的3D打印样品的微观结构。(1-3) 扫描电子显微镜（SEM）图；(4) 激光共聚焦显微镜（CLSM）图，其中多糖用钙荧光白标记（红色），蛋白用异硫氰酸荧光素标记（绿色），重叠处呈橙色。
图8. 不同碳酸钠添加量的酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水挤出丝的扫描电子显微镜（SEM）图。
图9. 酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水的蛋白结构表征。(A) 蛋白粒径分布；(B) Zeta电位；(C) 蛋白溶解度；(D) X 射线衍射（XRD）图谱；(E) 蛋白二级结构含量；(F-K) 酰胺I带高斯分峰拟合图。
图10. 不同碳酸钠添加量的酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶复合墨水的化学与热表征。(A) 傅里叶变换红外光谱；(B) 差示扫描量热分析；(C) 分子间相互作用占比；(D) 酵母蛋白与魔芋葡甘聚糖、黄原胶的分子对接示意图。
图11. 碱热协同凝胶化下酵母蛋白-魔芋葡甘聚糖-黄原胶3D打印墨水凝胶体系的形成机制示意图。
研究总结
配方最优解：魔芋葡甘聚糖与黄原胶1:1复配、0.15%碳酸钠添加量为最优配方，兼具98.75%的高打印精度、90.15%的持水性与高度贴近真实牛排的质构特性，是蛋白基3D打印肉模拟物的理想方案。
分子机理明确：碱热协同效应通过强化二硫键与氢键、降低静电斥力，诱导酵母蛋白自组装为球形聚集体并均匀嵌入多糖网络，构建类蜂窝状三维结构，是体系质构全面提升的核心机制
设备价值凸显：杭州时印科技食品3D打印机凭借稳定的挤出控制与高精度成型能力，完成了多梯度配方优化与牛排模拟物的高精度成型验证，为质构仿生肉产品的开发提供专业硬件支撑。
应用前景广阔：酵母蛋白基碱热协同凝胶体系兼具高营养性、高逼真质构与优异加工稳定性，拓展了微生物蛋白在高端人造肉、个性化定制肉制品、营养强化食品领域的应用场景。
作者简介
李晶，华中农业大学食品科学技术学院教授、博士生导师，食品营养与健康系副主任。长期从事胶体物性与营养学、食品组分组装行为及机制、多糖基食品体系物性与营养健康特性调控研究。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划等科研项目10余项，以第一 / 通讯作者发表SCI论文40余篇，授权发明专利9项，获湖北省科技进步一等奖、教育部自然科学二等奖、湖北省自然科学二等奖等多项奖励，入选国家高层次人才支持计划（青年项目），湖北省“三区”科技人员专项计划和华中农业大学狮山硕彦计划。