一、研究背景
随着消费者对健康、可持续食品的关注日益增加，植物蛋白作为动物蛋白的替代品受到广泛关注。豌豆蛋白（Pea Protein, PP）因其高营养价值、低致敏性和良好的功能特性，成为植物基食品开发的重要原料。而高粱蛋白（Sorghum Protein, SP）作为一种未被充分利用的谷物蛋白，具有抗旱、无麸质等优点，但其赖氨酸含量低、消化率差，限制了其在食品中的应用。
传统挤压技术难以解决豌豆蛋白与高粱蛋白在亲水性和疏水性方面的不相容性，导致难以形成结构稳定、营养互补的蛋白凝胶。三维食品打印（3D Food Printing, 3DFOODP）技术的兴起为解决这一难题提供了新思路。该技术可精确控制食品结构，实现不同蛋白的空间分层组装，从而改善其功能性和营养特性。
研究动机：本研究首次尝试利用双喷头3D打印技术，将疏水性的高粱蛋白与亲水性的豌豆蛋白分层打印，构建结构稳定、氨基酸互补的植物蛋白凝胶，并系统评估其打印性能和体外消化性。
二、研究内容
1. 材料准备与蛋白提取
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高粱蛋白提取：采用脱脂、超声辅助碱提醇沉法，从白高粱粉中提取高纯度高粱蛋白（纯度达91.3%）。
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豌豆蛋白：直接使用市售豌豆蛋白浓缩粉（蛋白含量77.5%）。
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氨基酸分析：发现高粱蛋白富含谷氨酸、亮氨酸、蛋氨酸，但缺乏赖氨酸；豌豆蛋白富含赖氨酸、精氨酸，两者混合后氨基酸组成更均衡。
2. 凝胶制备与流变学特性
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凝胶配方优化：
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高粱蛋白凝胶（SPG）：25% w/w（SPG25）为最佳浓度。
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豌豆蛋白凝胶（PPG）：比较15%、20%、25% w/w，确定20% w/w（PPG20）打印性能最佳。
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流变学测试：
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所有凝胶均表现出明显的剪切稀化行为，利于挤出打印。
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SPG25具有最高的黏度、储能模量（G'）和损耗模量（G''），凝胶强度最大。
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PPG20在剪切后恢复能力良好，适合3D打印。
3. 3D打印参数优化
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打印设备：双喷头DIW直写生物3D打印机，喷头温度控制在23℃，避免高粱蛋白聚集。
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打印参数：
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喷嘴直径：0.52 mm（优于0.64 mm，精度更高）。
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打印速度：10 mm/s。
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结构设计：4层交替层叠（豌豆-高粱-豌豆-高粱）。
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打印精度评估：PPG20-SPG25组合在0.52 mm喷嘴下，尺寸精度达99.45%（宽度）和100%（高度）。
图3 不同豌豆蛋白浓度（15%、20%、25%）与高粱蛋白（25%）组合的双喷头3D打印样品图（喷嘴直径0.52 mm与0.64 mm对比）
4. 微观结构分析（SEM）
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豌豆蛋白呈不规则球形颗粒，表面有凹陷；高粱蛋白呈均匀球形。
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3D打印后，蛋白颗粒转变为多孔网状结构，界面处无明显裂缝，表明凝胶结构稳定。
图4 冷冻干燥后的高粱蛋白、豌豆蛋白及3D打印PPG20-SPG25凝胶的扫描电镜图（界面结构清晰，呈多孔网络）
5. 体外消化性评估
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消化率结果：
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豌豆蛋白粉：83.13%；豌豆凝胶（PPG20）：89.40%。
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高粱蛋白粉：50.29%；高粱凝胶（SPG25）：51.49%。
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3D打印PPG20-SPG25复合凝胶：77.53%，显著高于简单混合凝胶（70.62%）。
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机制分析：3D打印诱导的界面相分离、蛋白质二级结构变化（α-螺旋/β-折叠比例升高）及表面疏水性增加，可能促进了酶解位点暴露，从而提高消化率。
图5 (a) 蛋白质水解度（%）与 (b) 消化液中蛋白浓度（干基，%）对比图（3D打印复合凝胶消化率显著高于混合凝胶）
6. 二级结构分析（FTIR）
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3D打印复合凝胶的α-螺旋/β-折叠比例为1.82，高于简单混合凝胶（0.87）。
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β-聚集体的增加有助于凝胶网络稳定，而α-螺旋和随机卷曲的增加则有利于提高消化率。
图7 (a) 酰胺I带（1600–1700 cm⁻¹）拟合图谱；(b) 二级结构组成（α-螺旋、β-折叠、β-聚集体、无规卷曲）比例对比
三、研究结论
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首次成功实现豌豆蛋白与高粱蛋白的双喷头3D打印分层结构，最佳打印参数为：豌豆蛋白20% w/w、高粱蛋白25% w/w、喷嘴直径0.52 mm、打印速度10 mm/s。
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3D打印显著提升了疏水性高粱蛋白的体外消化率（从50.3%提升至77.5%），克服了其天然消化性差的缺陷。
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打印诱导的微观结构变化（多孔网络、界面相分离、二级结构重组）是消化率提升的关键因素。
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构建的3D打印植物蛋白凝胶实现了氨基酸营养互补（赖氨酸含量提升17.85倍），为开发高营养、无麸质、植物基功能食品提供了新策略。
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未来应用前景：可用于个性化营养食品、老年人或特殊人群营养支持、以及功能因子递送载体的开发。
四、论文信息
论文标题：Evaluating the printability and digestibility of 3D-printed pea-sorghum protein gels
发表期刊：Food Hydrocolloids (2026, Vol.172, 112155)
作者：Sorour Barekat, Ali Ubeyitogullari
作者单位：美国阿肯色大学食品科学系、生物与农业工程系
DOI：10.1016/j.foodhyd.2025.112155
