2026年6月2日，青岛农业大学食品科学与工程学院孙庆杰教授、姬娜教授团队在中科院农林科学一区Top期刊Food Research International（IF: 8.0）上在线发表了题为“Controlling the properties of 3D-printed sodium caseinate emulsion gels by tuning starch-induced network architecture”的研究论文。研究以酪蛋白酸钠乳液凝胶为核心基质，通过木薯淀粉梯度调控网络结构，从分子作用、微观形貌到宏观打印性能完成全维度解析，为蛋白基食品3D打印墨水的配方优化提供了系统的理论依据与数据支撑。
3D食品打印作为新兴的食品增材制造技术，可实现食品形态、内部结构与质构特性的精准定制，为个性化营养、特殊膳食、功能性食品设计提供了全新技术路径，其规模化落地的核心在于性能适配的食品生物墨水——需同时具备适配挤出工艺的流变特性，与沉积后维持成型精度的机械强度和结构稳定性。
乳液凝胶兼具乳液的界面稳定特性与凝胶的结构支撑能力，是极具应用潜力的3D打印基质。酪蛋白酸钠同时具备乳化与胶凝双重功能，原料易得、可完全生物降解，是构建蛋白基乳液凝胶的理想原料，但纯酪蛋白酸钠乳液凝胶普遍存在机械强度不足、结构稳定性有限的痛点，难以支撑3D打印的层叠成型需求。
目前行业常用亲水胶体改性方案存在成本偏高、体系黏度过大等局限，而木薯淀粉凭借成本低廉、安全无毒、糊化性能优异的优势，是食品质构调控的核心原料。现有研究已证实木薯淀粉可强化蛋白凝胶性能，但其对酪蛋白酸钠乳液凝胶的微观结构演化、性能调控规律，以及对3D打印适性的具体影响，仍缺乏系统的研究阐释。
基于此，本研究以酪蛋白酸钠为核心基质，梯度添加木薯淀粉，结合GDL酸诱导胶凝制备复合乳液凝胶，系统探究木薯淀粉对凝胶流变、质构、微观结构与3D打印性能的调控作用及分子作用机制，为淀粉增强型蛋白基3D打印墨水的配方设计与产业化应用提供理论依据与数据支撑。
研究亮点
• 木薯淀粉可提升酪蛋白酸钠乳液凝胶的综合性能与3D打印适性。
• 适宜的木薯淀粉添加量可促进凝胶形成更致密的网络结构。
• 12%木薯淀粉添加量下，凝胶的自支撑能力与打印精度达到最优水平。
• 物理交联与非共价相互作用是打印墨水性能强化的核心机制。
核心研究结果
（1）木薯淀粉含量显著影响酪蛋白酸钠乳液凝胶的3D打印效果，12%添加量综合表现最优，打印尺寸保真度达98.12%；无淀粉添加的纯蛋白凝胶挤出不连续、成型后严重扩散塌陷，同等固形物含量的纯蛋白组打印精度仅91.87%；添加量升至15%时因凝胶硬度过高导致挤出阻力过大，打印精度降至97.08%。
（2）分子间作用力可有效调控凝胶打印性能：木薯淀粉通过氢键与静电相互作用与酪蛋白酸钠形成物理交联，强化复合凝胶的网络结构；FTIR表征未出现新特征峰，证实性能提升源于非共价相互作用，全程无化学添加剂，符合清洁标签的食品开发方向。
（3）质构与持水性能实现梯度精准调控：12%木薯淀粉组凝胶硬度达200.28 g，较纯蛋白组提升超7倍；持水性从80.25%提升至99.20%；剪切后结构恢复率从 14.98%提升至36.93%，可同时满足喷嘴挤出流畅性与打印后结构保形的双重需求。
（4）流变与水分测试表明，所有复合凝胶均具备剪切稀化特性，12%木薯淀粉组的储能模量、线性黏弹区宽度、水分结合状态最为均衡，抗结构破坏能力与触变恢复能力最优，完美适配挤出式3D打印的工艺要求。
（5）淀粉诱导的网络结构演化、氢键作用强度与打印精度、凝胶稳定性存在显著关联，互穿网络结构的构建是平衡乳液凝胶打印成型性与结构稳定性的关键，为蛋白基3D打印墨水的配方优化提供了明确的理论依据与调控路径。
图文赏析
图1. 图文摘要。
图2. 不同木薯淀粉添加量下酪蛋白酸钠复合乳液凝胶的流变曲线。(A) 频率扫描曲线；(B) 应变扫描曲线；(C) 动态黏度曲线；(D) 触变恢复曲线，实线代表储能模量 G′，虚线代表损耗模量 G″。
图3. 大振幅振荡剪切应变（1%–1000%）下不同木薯淀粉含量酪蛋白酸钠乳液凝胶利萨茹曲线。(A) 弹性利萨如图；(B) 黏性利萨如图。
图4. (A) 不同木薯添加量复合乳液凝胶的持水性；(B) 酪蛋白酸钠复合乳液凝胶低场核磁 T₂弛豫时间分布图谱。
图5. 不同木薯淀粉含量酪蛋白酸钠复合乳液凝胶傅里叶变换红外光谱图。
图6. 酪蛋白酸钠复合乳液凝胶共聚焦激光扫描显微镜与光学显微镜图。(A) 水相（绿色）；(B) 油相（红色）；(C) 叠加图像；(D) 光学显微镜图像。
图7. 共聚焦显微镜图像，展示蛋白（酪蛋白酸钠，蓝色）与木薯淀粉（绿色）的空间分布。
图8. 酪蛋白酸钠复合乳液凝胶差示扫描量热曲线图。
图9. 酪蛋白酸钠复合乳液凝胶打印立方体（左侧）与U型实物图。(A) 同等酪蛋白酸钠浓度、不同木薯淀粉添加量打印样品；(B) 总固形物20%对照组打印样品，NaCas₂₀-CS₀为不含木薯淀粉、20%酪蛋白酸钠乳液凝胶。
作者简介
孙庆杰，青岛农业大学副校长、食品科学与工程学院院长，二级教授，获得国务院特殊津贴、中组部直接联系高级专家、山东省泰山学者特聘专家和有突出贡献中青年专家等荣誉称号。从事淀粉科学与技术、粮食深加工和特需营养主食等研究。主持省部级以上科研项目20余项，以第一完成人获国家科技进步二等奖等省部级奖励。以通讯作者发表SCI论文170余篇，其中ESI高被引论文17篇、热点论文2篇，累计被引超1.1万次；入选2024年度“全球前0.05% 顶尖科学家榜单”，连续多年入选全球前2% 顶尖科学家、爱思孙庆杰，青岛农业大学副校长、食品科学与工程学院院长，二级教授，获得国务院特殊津贴、中组部直接联系高级专家、山东省泰山学者特聘专家和有突出贡献中青年专家等荣誉称号。从事淀粉科学与技术、粮食深加工和特需营养主食等研究。主持省部级以上科研项目20余项，以第一完成人获国家科技进步二等奖等省部级奖励。以通讯作者发表SCI论文170余篇，其中ESI高被引论文17篇、热点论文2篇，累计被引超1.1万次；入选2024年度“全球前0.05% 顶尖科学家榜单”，连续多年入选全球前2% 顶尖科学家、爱思
姬娜，青岛农业大学食品科学与工程学院教授，中共党员。主持及参与国家自然科学基金、山东省重点研发计划等各级科研项目十余项，获山东省高等学校科学技术奖二等奖1项。主要研究方向为粮油精深加工。发表论文50余篇，其中SCI/EI收录15篇；授权国家发明专利5件，培养硕士研究生5名。