一、研究背景
隨著消費者對健康、可持續(xù)食品的關(guān)注日益增加，植物蛋白作為動物蛋白的替代品受到廣泛關(guān)注。豌豆蛋白（Pea Protein, PP）因其高營養(yǎng)價值、低致敏性和良好的功能特性，成為植物基食品開發(fā)的重要原料。而高粱蛋白（Sorghum Protein, SP）作為一種未被充分利用的谷物蛋白，具有抗旱、無麩質(zhì)等優(yōu)點，但其賴氨酸含量低、消化率差，限制了其在食品中的應(yīng)用。
傳統(tǒng)擠壓技術(shù)難以解決豌豆蛋白與高粱蛋白在親水性和疏水性方面的不相容性，導(dǎo)致難以形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、營養(yǎng)互補的蛋白凝膠。三維食品打?。?D Food Printing, 3DFOODP）技術(shù)的興起為解決這一難題提供了新思路。該技術(shù)可精確控制食品結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同蛋白的空間分層組裝，從而改善其功能性和營養(yǎng)特性。
研究動機：本研究首次嘗試?yán)秒p噴頭3D打印技術(shù)，將疏水性的高粱蛋白與親水性的豌豆蛋白分層打印，構(gòu)建結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、氨基酸互補的植物蛋白凝膠，并系統(tǒng)評估其打印性能和體外消化性。
二、研究內(nèi)容
1. 材料準(zhǔn)備與蛋白提取
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高粱蛋白提取：采用脫脂、超聲輔助堿提醇沉法，從白高粱粉中提取高純度高粱蛋白（純度達91.3%）。
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豌豆蛋白：直接使用市售豌豆蛋白濃縮粉（蛋白含量77.5%）。
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氨基酸分析：發(fā)現(xiàn)高粱蛋白富含谷氨酸、亮氨酸、蛋氨酸，但缺乏賴氨酸；豌豆蛋白富含賴氨酸、精氨酸，兩者混合后氨基酸組成更均衡。
2. 凝膠制備與流變學(xué)特性
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凝膠配方優(yōu)化：
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高粱蛋白凝膠（SPG）：25% w/w（SPG25）為最佳濃度。
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豌豆蛋白凝膠（PPG）：比較15%、20%、25% w/w，確定20% w/w（PPG20）打印性能最佳。
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流變學(xué)測試：
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所有凝膠均表現(xiàn)出明顯的剪切稀化行為，利于擠出打印。
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SPG25具有最高的黏度、儲能模量（G'）和損耗模量（G''），凝膠強度最大。
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PPG20在剪切后恢復(fù)能力良好，適合3D打印。
3. 3D打印參數(shù)優(yōu)化
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打印設(shè)備：雙噴頭DIW直寫生物3D打印機，噴頭溫度控制在23℃，避免高粱蛋白聚集。
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打印參數(shù)：
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噴嘴直徑：0.52 mm（優(yōu)于0.64 mm，精度更高）。
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打印速度：10 mm/s。
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結(jié)構(gòu)設(shè)計：4層交替層疊（豌豆-高粱-豌豆-高粱）。
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打印精度評估：PPG20-SPG25組合在0.52 mm噴嘴下，尺寸精度達99.45%（寬度）和100%（高度）。
圖3 不同豌豆蛋白濃度（15%、20%、25%）與高粱蛋白（25%）組合的雙噴頭3D打印樣品圖（噴嘴直徑0.52 mm與0.64 mm對比）
4. 微觀結(jié)構(gòu)分析（SEM）
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豌豆蛋白呈不規(guī)則球形顆粒，表面有凹陷；高粱蛋白呈均勻球形。
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3D打印后，蛋白顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗫拙W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，界面處無明顯裂縫，表明凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
圖4 冷凍干燥后的高粱蛋白、豌豆蛋白及3D打印PPG20-SPG25凝膠的掃描電鏡圖（界面結(jié)構(gòu)清晰，呈多孔網(wǎng)絡(luò)）
5. 體外消化性評估
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消化率結(jié)果：
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豌豆蛋白粉：83.13%；豌豆凝膠（PPG20）：89.40%。
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高粱蛋白粉：50.29%；高粱凝膠（SPG25）：51.49%。
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3D打印PPG20-SPG25復(fù)合凝膠：77.53%，顯著高于簡單混合凝膠（70.62%）。
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機制分析：3D打印誘導(dǎo)的界面相分離、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)變化（α-螺旋/β-折疊比例升高）及表面疏水性增加，可能促進了酶解位點暴露，從而提高消化率。
圖5 (a) 蛋白質(zhì)水解度（%）與 (b) 消化液中蛋白濃度（干基，%）對比圖（3D打印復(fù)合凝膠消化率顯著高于混合凝膠）
6. 二級結(jié)構(gòu)分析（FTIR）
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3D打印復(fù)合凝膠的α-螺旋/β-折疊比例為1.82，高于簡單混合凝膠（0.87）。
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β-聚集體的增加有助于凝膠網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，而α-螺旋和隨機卷曲的增加則有利于提高消化率。
圖7 (a) 酰胺I帶（1600–1700 cm?1）擬合圖譜；(b) 二級結(jié)構(gòu)組成（α-螺旋、β-折疊、β-聚集體、無規(guī)卷曲）比例對比
三、研究結(jié)論
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首次成功實現(xiàn)豌豆蛋白與高粱蛋白的雙噴頭3D打印分層結(jié)構(gòu)，最佳打印參數(shù)為：豌豆蛋白20% w/w、高粱蛋白25% w/w、噴嘴直徑0.52 mm、打印速度10 mm/s。
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3D打印顯著提升了疏水性高粱蛋白的體外消化率（從50.3%提升至77.5%），克服了其天然消化性差的缺陷。
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打印誘導(dǎo)的微觀結(jié)構(gòu)變化（多孔網(wǎng)絡(luò)、界面相分離、二級結(jié)構(gòu)重組）是消化率提升的關(guān)鍵因素。
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構(gòu)建的3D打印植物蛋白凝膠實現(xiàn)了氨基酸營養(yǎng)互補（賴氨酸含量提升17.85倍），為開發(fā)高營養(yǎng)、無麩質(zhì)、植物基功能食品提供了新策略。
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未來應(yīng)用前景：可用于個性化營養(yǎng)食品、老年人或特殊人群營養(yǎng)支持、以及功能因子遞送載體的開發(fā)。
四、論文信息
論文標(biāo)題：Evaluating the printability and digestibility of 3D-printed pea-sorghum protein gels
發(fā)表期刊：Food Hydrocolloids (2026, Vol.172, 112155)
作者：Sorour Barekat, Ali Ubeyitogullari
作者單位：美國阿肯色大學(xué)食品科學(xué)系、生物與農(nóng)業(yè)工程系
DOI：10.1016/j.foodhyd.2025.112155
