《食品科学》：山东理工大学盛桂华高级实验师等：3D打印加工荷载绿原酸水凝胶体系的适印性和适用性

3D食品打印（3DFP）又被称为食品增材制造，是最精确的食品制造加工技术之一，也是实现定制食品、精准营养的一种加工方式。水凝胶是通过物理或化学交联形成的一种具有三维网络结构的聚合物体系，材质接近生物体组织，具备定向递送的生理条件，与细胞有良好的相溶性，可防止营养成分物质在有机溶剂中的转性和溶解，利于亲水性物质的荷载。目前，3DFP水凝胶备受科研人员青睐。

绿原酸（CA）是一种多酚类物质，具有抗菌、抗病毒、抗肿瘤、降血压等作用，但对于CA的体内递送鲜有报道。甲基纤维素（MC）具有良好的生物相容性、成胶特性、水溶性、成膜性以及反向温敏特性，可用作可食用膜以及水凝胶制备材料。目前MC在3DFP领域研究较少。透明质酸（HA）具有润化、抗氧化性、延缓衰老、抗炎等生理作用。但目前其在3DFP领域中的研究应用也较少。

山东理工大学农业工程与食品科学学院的南希骏，周泉城，盛桂华*等旨在探究3DFP加工荷载CA的MC/HA水凝胶递送体系的适印性和适用性，揭示3DFP加工对水凝胶运输体系结构、物理特性、包埋率以及CA控释等影响规律，从而为3DFP加工技术和功能因子递送体系方面提供理论参考。

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MC添加量对3D打印样品的可打印性的影响

探究水中MC添加量对打印体系可打印性的影响，结果如表1所示，6%和7%添加量的MC水凝胶可以打印成型，而当MC添加量超过为7%时，体系因为流动性差等而无法打印。

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MC、HA和CA添加量对3D打印样品的精度和成型性的影响

如表2、图1所示，在只添加8%的MC时，体系因为太稠无法打印。而在8% MC水凝胶中加入0.05% CA/HA或CA和HA同时加入时，均可打印成型。相较于其他配比的MC水凝胶，在添加8% MC、0.05% HA、0.05% CA（图1D）时打印效果最好，无断料、出料过多的现象，成型后模型与设计模型最接近，宽度偏差最小，为13.40%。这说明MC、CA、HA在3DFP中相互作用达到了最佳的效果，实现了理想的适印性和适用性。其中MC对打印的适印性起主要作用，而HA的润湿作用以及CA和HA协同互作可以改善同添加量MC无法进行3DFP的问题，而且提高了打印精度。而在8% MC、0.05% HA、0.05% CA基础上增加MC的添加量会导致样品太稠而断料，成型效果很差（图1F）。在8% MC、0.05% HA、0.05% CA基础上提升HA的添加量会增加水凝胶的黏弹性而导致黏度过高，无法打印出目标模型（图1J）。如图1H所示，样品打印成球且出料过多，成型性较差，打印精度较低，可能是因为HA比例较高导致水凝胶黏度较高，从而破坏了CA和HA的协同互作。综上所述，添加8% MC、0.05% HA、0.05% CA的水凝胶体系打印效果最好。

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MC、HA和CA添加量对3D打印材料和3D打印物质构特性的影响

如表3所示，CA和HA的分别加入使打印材料的硬度、弹性和咀嚼性总体降低，但提升了黏附性，这是由于HA原液有润滑保湿补水的功效，推测CA可能也具有一定的润滑保湿功效。 然而，CA和HA同时加入后打印材料的硬度、弹性、咀嚼度和黏附性显著升高，可能是因为CA与HA之间的相互作用使打印材料结构更紧密，并且两者的加入提高了打印材料的营养价值。 如表4所示，在同时添加CA和HA时，随着MC添加量的增加，打印样品的硬度、弹性、咀嚼性总体提升，但黏附性先升高后降低。 这说明样品的成型性得到改善，而且具备较好的弹性。 对比表3、4可知，打印后样品相比与打印前样品具有更高的硬度、弹性以及咀嚼度，而黏附性降低，表明打印后样品结构更加紧密。 综上所述，当样品MC、HA、CA质量比为8∶0.05∶0.05时，硬度、弹性最高，黏附性最低，打印效果最好。

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MC、HA和CA添加量对3D打印材料和3D打印物的流变特性的影响

3D打印品的动态黏弹性与其实际应用性能直接相关。如图2所示，随着频率增大，CA水凝胶体系的G’和G”都呈现出不同程度的上升趋势。所有3D打印品的G’均高于G”，表明打印物在该频率扫描区域内以弹性为主导，是具备一定硬度的网状疑胶。

如图2所示，所有同一体系下3D打印样品打印后G’均比打印前高，G”均比打印前低，这是因为经过3D打印后，凝胶体系硬度、弹性均升高，而黏附性降低。添加HA或CA后，体系的G’降低，即体系弹性降低，G”升高，即黏附性升高，这是因为HA具有润滑和增大黏附性的作用。而在同时添加CA和HA且样品MC、HA、CA配比为8∶0.05∶0.05时，CA水凝胶体系的G’较高，并且该体系下G’与G”差值较大，说明打印的样品形成了稳定的凝胶结构，成型性较好，此时的凝胶材料更适合打印。tan δ＜1说明材料主要表现弹性为行为，意味着材料更类似于固体，流动性较差。随频率增加，各样品tan δ整体呈下降趋势，表明3D材料和打印物流动性较差，黏弹性较低，类固性较高。

综上所述，3D打印后的样品具有更好的支撑性。若要满足后续加工要求及产品特性，可以选择不同组成配比，以保证产品固液体状态，达到目标的产品型态。

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不同MC、HA和CA添加量的3D打印材料和3D打印物的SEM分析

水凝胶体系微观结构结果如图3所示。体系添加HA后（图3B），与原先的水-MC凝胶体系（图3A）对比，样品结构更为松散，叠加层数更为显著，可能是因为HA的润湿性造成的。从图3C可以看出，MC中添加CA后打印的样品具备大小不一的孔隙结构，且结构较为疏松，样品打印出后极易坍塌，因此打印精密度低。如图3E所示，随着HA和CA的添加，打印样品的孔隙结构逐渐均匀，截面更为光洁。由图3D可知，当CA与HA的质量比为1∶1时，打印后的样品展现出更为匀称的孔隙结构，可以维持样品长时间不产生塌陷形变，可能是因为HA和CA形成了共价键。而当HA与CA的质量比为其他配比时，打印样品的外表粗糙度提升（图3F），可能是打印过程中出料不均匀，出现断料的情况，样品变形严重，表面有裂纹造成。

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不同MC、HA和CA添加量的3D打印材料和3D打印物的傅里叶变换红外光谱分析

本实验选择具有代表性的4 组样品（MC、HA、CA质量比分别为8∶0∶0、8∶0.05∶0、8∶0∶0.05、8∶0.05∶0.05）用傅里叶变换红外光谱考察3DFP加工对水凝胶体系组分的影响以及打印过程中组分间相互作用。如图4所示，与只添加MC的水凝胶相比，添加CA后的水凝胶在3 600～3 400 cm-1处和2 960～2 940 cm-1处吸收峰强度略有增加，可能是因为CA中甲基—OH分子缔合和甲基—CH3伸缩振动引起的，但并没有新峰生成，表明CA与MC结合较差，没有形成新的共价键。HA和CA同时添加时，在1 400～1 000 cm-1处有很小的新峰生成，表明添加HA与CA形成了新的共价键。此外，与3D打印材料相比，打印后样品峰强度升高，没有新峰生成且没有影响吸收峰的位置，表明3D打印的挤压会使其结构更加紧密。

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不同MC、HA和CA添加量的3DFP材料和3D打印物的X射线衍射分析

本实验选择具有代表性的4 组样品（MC、HA、CA质量比为8∶0∶0、8∶0.05∶0、8∶0∶0.05、8∶0.05∶0.05）进行X射线衍射分析，由图5可知，所有3D打印材料和3D打印物在4.94°处均有较强的特征衍射峰，可能是多酚的特征峰。同时，各组样品在18.79°处有特征峰，并且在HA和CA加入后，特征峰均明显增强，可能是因为添加HA与CA产生了新的共价键，因此物质结合更加紧密。此外，对比打印前与打印后样品所得的结果，打印后样品峰强度略有升高，但没有新峰生成且没有影响吸收峰的位置，表明3D打印的挤压会使其结构更加紧密，与前文研究结果相印证。

综上所述，本实验构建了荷载CA的水凝胶体系并进行了3D打印，当MC∶HA∶CA配比为8∶0.05∶0.05时结构性能最好，实现了良好的3D打印适用性，在此基础上测定该体系下打印前后样品的CA包埋率以及胃肠消化模拟。

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最佳体系下3D打印材料和3D打印物的CA包埋率

对最佳配比的打印前和打印后样品进行CA包埋率测定，如表5所示，每个打印样品的CA平均添加量为0.011 6 mg。打印后样品的CA包埋率比打印前样品的CA包埋率提高了22.09 个百分点，3D打印处理后提高了荷载CA水凝胶3D打印体系的包埋率，可能是因为MC具有良好的成膜性，3D打印的挤压剪切的作用力可能使样品表面形成了一层具有良好水溶性的MC薄膜，使打印后样品比打印前样品能更好地留住CA，因此在利用溶解法测定包埋率时，打印后样品包埋率大幅升高。但是具体组分间相互作用规律、机制等方面还需进一步研究。综上，打印后MC-HA-CA体系的包埋效果良好，包埋率大于70%，满足了3D打印的适用性。

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最佳体系的3D打印材料和3D打印物的体外胃肠消化模拟分析

如图6所示，在120 min的胃消化和120 min的肠消化过程中，打印前后样品的CA释放率随着时间延长均缓慢增加，表明样品在模拟胃液和模拟肠液中均有一定的缓释特性。打印前消化终点样品胃、肠CA累计释放率分别为8.82%、11.38%，打印后消化终点样品胃、肠CA累计释放率分别为14.62%、20.01%，表明样品在肠模拟液中CA释放特性更好，原因可能是肠消化模拟液中的胰液和胆汁可以水解MC与CA产生反应的化学键，且其中部分偏中性的CA在pH 7的肠模拟液中更加稳定，因此CA可以更好释放并不易被分解，从而被吸收。同时，红外光谱分析结果表明CA与MC结合较差，利于CA的释放，因而CA释放量较高，肠和胃的消化吸收效果较好。

对CA体外释放情况通常用零级动力学模型、一级动力学模型、Niebergull平方根方程模型、Weibull方程模型和Ritger-Peppas方程模型拟合。本研究中利用Origin软件对3D打印前后样品CA体外释放情况进行5 种模型拟合，建立打印前后样品CA含量在模拟胃液和模拟肠液中释放动力学方程，结果如表6所示。根据决定系数R 2 可知，打印前后样品CA的体外释放情况利用Ritger-Peppas方程模型拟合效果最好，其中ln Q＝nlnt＋k中系数n均大于0.89，释放机制主要为骨架溶蚀作用。

此外，胃肠消化模拟中打印后样品CA释放率均大于打印前CA释放率，首先可能如前文所述，打印后样品CA包埋率高于打印前样品的CA包埋率；其次，有研究表明高黏度MC凝胶的溶解度低于低黏度MC凝胶，质构特性和流变分析结果表明，3DFP前样品黏度高于打印后样品黏度，因此3DFP前样品溶解度高于打印后样品溶解度，同时由表6可知，MC/HA水凝胶释放CA机制主要为骨架溶蚀作用，因此相比于打印前材料，打印后样品因为溶解度较高，从而更容易溶蚀，因而有利于CA的释放，打印后样品释放率更高。

结 论

本研究构建了一种可以荷载CA并且可以应用于3D打印的水凝胶体系，确定最佳打印条件：MC、HA、CA配比为8∶0.05∶0.05。该体系相较于其他配比体系以及打印前样品，打印精度较高，物理性能、流变性能较好，具有理想的3D打印适印性。该体系结构紧密且孔隙均匀、支撑性较好，具有良好的CA包埋率，实现了良好的3D打印适用性。同时该体系在胃肠消化模拟中具有良好的CA释放率以及良好的缓释作用，体外释放情况符合Ritger-Peppas方程模型。

MC作为形成水凝胶的增稠剂包埋其他功能性物质还有待后续深入研究。此外，MC还可以加入到果浆中，制备果浆凝胶，应用于3D打印等方面，其适印性和适用性在未来食品价值链应用中还需进一步的研究。

本文《3D打印加工荷载绿原酸水凝胶体系的适印性和适用性》来源于《食品科学》2023年44卷第14期95-102页，作者：南希骏，周泉城，李娅婕，倪乙丹，郭婷婷，厉佳怡，王红磊，韩钦硕，白海媚，盛桂华*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220718-199。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑；中国农业大学食品科学与营养工程学院 崔芯文；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。