2026年9月14日，天津商业大学生物技术与食品科学学院陈金玉副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“Modified rice protein-polysaccharide complexes as stabilizers for high internal phase emulsions in application of 3D printing and β-carotene delivery” 的研究论文。研究以磷酸化改性大米蛋白为基础，复合不同电荷与结构特性的多糖构建高内相乳液，系统揭示多糖对乳液界面行为、流变特性与3D打印适性的调控机制，同时验证了体系在β-胡萝卜素包埋与精准递送中的应用潜力，为低致敏植物蛋白基3D打印食用墨水开发提供了理论支撑。
大米蛋白因低致敏性、高生物价、易消化性，是开发过敏人群、老人及儿童专属营养食品的优质蛋白原料。但天然大米蛋白中谷蛋白占比高，易通过二硫键形成致密聚集体，水溶性与乳化性能极差，难以直接用于稳定高内相乳液。
高内相乳液（HIPE）兼具优异可塑性与半固态流变特性，是理想的3D食品打印墨水。现有蛋白基HIPE普遍存在挤出性与保形性难以平衡、长期稳定性不足等问题。磷酸化改性可提升蛋白溶解性，但单一改性仍难以满足3D打印对墨水剪切变稀、触变恢复、自支撑性的多重要求。多糖可通过分子间相互作用调控蛋白网络结构，但其电荷特性与分子构象对磷酸化蛋白基HIPE的调控规律与作用机制仍缺乏系统研究。
基于此，本研究采用高压均质辅助磷酸化改性提升大米蛋白溶解性，进一步引入黄原胶（XG，阴离子刚性螺旋）、瓜尔胶（GG，中性无规线团）、海藻酸钠（SA，阴离子线性链）三种代表性多糖，构建蛋白-多糖复合物稳定的 HIPE体系，系统探究其界面行为、流变特性、3D打印适性与功能成分递送能力。
核心实验平台
本研究采用杭州时印科技有限公司FOODBOT-D2食品3D打印机作为核心成型实验设备，配置0.84 mm 规格喷嘴，在挤出速度24 mm/s、打印速度25 mm/s、层厚0.8 mm、填充密度80%的统一参数条件下，完成圆柱、圆环、十字空心等模型的打印精度与尺寸误差测试，以及枫叶、蝴蝶等复杂造型的成型验证。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，为高内相乳液墨水的配方优化提供可靠的硬件支撑。
核心研究结果
（1）高压均质辅助磷酸化可高效改性大米蛋白，蛋白磷含量显著提升，分子柔性增加26%，溶解度提升2.3倍；蛋白聚集体解离，粒径减小，热稳定性增强；共鉴定出20个磷酸化位点，主要分布在谷蛋白上，以丝氨酸、酪氨酸、苏氨酸残基的羟基磷酸化为主。
（2）三种多糖均可剂量依赖性提升HIPE的界面稳定性与乳化性能，效果排序为黄原胶>瓜尔胶>海藻酸钠；黄原胶与磷酸化蛋白的强静电斥力促进蛋白界面吸附（吸附率63%~70%），有效降低界面张力，乳液液滴更小更均匀，絮凝度降低73%，同时兼具优异的热稳定性与高离子强度耐受性。
（3）多糖复合显著优化HIPE的流变特性与3D打印适性，黄原胶组表现最优：体系呈典型剪切变稀特性，触变结构恢复率达74%~83%；大振幅振荡剪切（LAOS）下抗变形能力优异，能量耗散更强；0.2%黄原胶添加量下打印精度达98.75%，成型轮廓清晰、边缘锐利，自支撑性与结构稳定性优异。
（4）改性HIPE可作为脂溶性功能成分的高效递送载体，β-胡萝卜素包埋效率超95%，体外消化生物可及性达56.7%；3D打印成型产品经48 h紫外照射后，β-胡萝卜素保留率仍高于85%，功能稳定性显著提升。
（5）揭示了不同多糖的差异化作用机制：黄原胶依靠刚性双螺旋结构形成连续弱凝胶网络，协同静电作用强化界面与整体结构；瓜尔胶通过分子链物理缠结提升体系黏度与结构强度；海藻酸钠因无阳离子辅助难以形成交联网络，界面活性较弱，因此整体性能最差。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 天然大米蛋白（RP）与磷酸化大米蛋白（PRP）的结构表征。(A) 磷含量与分子柔性；(B) 扫描电镜图；(C) X 射线衍射图谱；(D) 热重分析曲线。
图3. PRP-多糖复合物的结构与理化性质。(A) 还原型 SDS-PAGE 电泳图；(B) 傅里叶变换红外光谱；(C) Zeta电位；(D) 平均粒径；(E) 游离巯基含量；(F) 表面疏水性；(G) 紫外光谱；(H) 溶解度。
图4. PRP-多糖复合物稳定HIPE的界面与乳化性能。(A) 界面张力；(B) 界面蛋白吸附率；(C-E) 液滴尺寸分布；(F) 体积平均粒径；(G) 絮凝度。
图5. 不同HIPE样品的激光共聚焦显微镜（CLSM）微观形貌。
图6. HIPE的稳定性测试。(A) 热稳定性；(B) 冻融稳定性；(C) 离子强度稳定性。
图7. 不同HIPE的流变特性。(A) 流动扫描黏度曲线；(B) 三段触变恢复曲线（3ITT）；(C-E) 应变扫描曲线；(F-H) 频率扫描曲线。
图8. 不同HIPE的大振幅振荡剪切（LAOS）行为。(上排) 弹性Lissajous曲线；(下排) 黏性Lissajous曲线。不同凝胶的流变特性。(A) 应变扫描曲线；(B) 频率扫描曲线（储能模量 G′与损耗模量 G″）；(C) 频率扫描曲线（损耗角正切 tanδ）；(D) 稳态剪切黏度曲线；(E) 应力扫描曲线；(F) 交变应变结构恢复曲线。
图9. 不同配方HIPE的3D打印成型效果。(A) 圆柱模型；(B) 圆环模型；(C) 空心十字模型。
图10. β-胡萝卜素的包埋与递送。(A) 包埋效率；(B) 体外消化生物可及性；(C) 载β-胡萝卜素墨水打印的枫叶与蝴蝶造型。
图11. 机制示意图。(A) 三种多糖的构象变化；(B) 多糖增强PRP基HIPE稳定性与流变学性质的机制。
研究总结
改性策略创新：高压均质辅助磷酸化+多糖复合的两步改性策略，大幅提升大米蛋白的乳化能力与HIPE的打印适性，为低致敏植物蛋白的高值化应用提供了可行路径。
作用机制清晰：明确了三种不同电荷与构象多糖的差异化调控机制，静电作用、凝胶网络构建、分子缠结分别是黄原胶、瓜尔胶、海藻酸钠的核心作用路径。
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，完成了多梯度配方的打印适性量化与复杂造型验证，为高内相乳液墨水的成型性能测试提供专业硬件支撑。
应用前景广阔：改性HIPE墨水兼具高打印精度与功能成分递送能力，拓展了大米蛋白在个性化精准营养食品、低致敏功能食品、3D打印营养递送系统等领域的应用场景。
作者简介
陈金玉，副教授，硕士生导师。主要研究领域和方向为食品组分互作与品质形成机制、个性化功能食品设计与开发。主持国家自然科学基金项目1项、省部级项目3项。以第一/通讯作者发表SCI/EI论文20余篇，出版教材2部。指导学生荣获挑战杯、中国国际大学生创新大赛等教育部上榜竞赛国家级奖9项。已获得天津市优秀创新创业导师、天津商业大学优秀硕士学位论文指导教师、天津市优秀食品科技工作者、天津市“131”创新型人才等荣誉。