3D食品打印（3DFP）又被稱為食品增材制造，是最精確的食品制造加工技術(shù)之一，也是實(shí)現(xiàn)定制食品、精準(zhǔn)營養(yǎng)的一種加工方式。水凝膠是通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成的一種具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物體系，材質(zhì)接近生物體組織，具備定向遞送的生理?xiàng)l件，與細(xì)胞有良好的相溶性，可防止?fàn)I養(yǎng)成分物質(zhì)在有機(jī)溶劑中的轉(zhuǎn)性和溶解，利于親水性物質(zhì)的荷載。目前，3DFP水凝膠備受科研人員青睞。 綠原酸（CA）是一種多酚類物質(zhì)，具有抗菌、抗病毒、抗腫瘤、降血壓等作用，但對于CA的體內(nèi)遞送鮮有報(bào)道。甲基纖維素（MC）具有良好的生物相容性、成膠特性、水溶性、成膜性以及反向溫敏特性，可用作可食用膜以及水凝膠制備材料。目前MC在3DFP領(lǐng)域研究較少。透明質(zhì)酸（HA）具有潤化、抗氧化性、延緩衰老、抗炎等生理作用。但目前其在3DFP領(lǐng)域中的研究應(yīng)用也較少。 
山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院的南希駿，周泉城，盛桂華*等旨在探究3DFP加工荷載CA的MC/HA水凝膠遞送體系的適印性和適用性，揭示3DFP加工對水凝膠運(yùn)輸體系結(jié)構(gòu)、物理特性、包埋率以及CA控釋等影響規(guī)律，從而為3DFP加工技術(shù)和功能因子遞送體系方面提供理論參考。 探究水中MC添加量對打印體系可打印性的影響，結(jié)果如表1所示，6%和7%添加量的MC水凝膠可以打印成型，而當(dāng)MC添加量超過為7%時(shí)，體系因?yàn)榱鲃?dòng)性差等而無法打印。 
02 MC、HA和CA添加量對3D打印樣品的精度和成型性的影響
如表2、圖1所示，在只添加8%的MC時(shí)，體系因?yàn)樘頍o法打印。而在8% MC水凝膠中加入0.05% CA/HA或CA和HA同時(shí)加入時(shí)，均可打印成型。相較于其他配比的MC水凝膠，在添加8% MC、0.05% HA、0.05% CA（圖1D）時(shí)打印效果最好，無斷料、出料過多的現(xiàn)象，成型后模型與設(shè)計(jì)模型最接近，寬度偏差最小，為13.40%。這說明MC、CA、HA在3DFP中相互作用達(dá)到了最佳的效果，實(shí)現(xiàn)了理想的適印性和適用性。其中MC對打印的適印性起主要作用，而HA的潤濕作用以及CA和HA協(xié)同互作可以改善同添加量MC無法進(jìn)行3DFP的問題，而且提高了打印精度。而在8% MC、0.05% HA、0.05% CA基礎(chǔ)上增加MC的添加量會(huì)導(dǎo)致樣品太稠而斷料，成型效果很差（圖1F）。在8% MC、0.05% HA、0.05% CA基礎(chǔ)上提升HA的添加量會(huì)增加水凝膠的黏彈性而導(dǎo)致黏度過高，無法打印出目標(biāo)模型（圖1J）。如圖1H所示，樣品打印成球且出料過多，成型性較差，打印精度較低，可能是因?yàn)镠A比例較高導(dǎo)致水凝膠黏度較高，從而破壞了CA和HA的協(xié)同互作。綜上所述，添加8% MC、0.05% HA、0.05% CA的水凝膠體系打印效果最好。
03 MC、HA和CA添加量對3D打印材料和3D打印物質(zhì)構(gòu)特性的影響
如表3所示，CA和HA的分別加入使打印材料的硬度、彈性和咀嚼性總體降低，但提升了黏附性，這是由于HA原液有潤滑保濕補(bǔ)水的功效，推測CA可能也具有一定的潤滑保濕功效。然而，CA和HA同時(shí)加入后打印材料的硬度、彈性、咀嚼度和黏附性顯著升高，可能是因?yàn)镃A與HA之間的相互作用使打印材料結(jié)構(gòu)更緊密，并且兩者的加入提高了打印材料的營養(yǎng)價(jià)值。如表4所示，在同時(shí)添加CA和HA時(shí)，隨著MC添加量的增加，打印樣品的硬度、彈性、咀嚼性總體提升，但黏附性先升高后降低。這說明樣品的成型性得到改善，而且具備較好的彈性。對比表3、4可知，打印后樣品相比與打印前樣品具有更高的硬度、彈性以及咀嚼度，而黏附性降低，表明打印后樣品結(jié)構(gòu)更加緊密。綜上所述，當(dāng)樣品MC、HA、CA質(zhì)量比為8∶0.05∶0.05時(shí)，硬度、彈性最高，黏附性最低，打印效果最好。
04 MC、HA和CA添加量對3D打印材料和3D打印物的流變特性的影響
3D打印品的動(dòng)態(tài)黏彈性與其實(shí)際應(yīng)用性能直接相關(guān)。如圖2所示，隨著頻率增大，CA水凝膠體系的G’和G”都呈現(xiàn)出不同程度的上升趨勢。所有3D打印品的G’均高于G”，表明打印物在該頻率掃描區(qū)域內(nèi)以彈性為主導(dǎo)，是具備一定硬度的網(wǎng)狀疑膠。 如圖2所示，所有同一體系下3D打印樣品打印后G’均比打印前高，G”均比打印前低，這是因?yàn)榻?jīng)過3D打印后，凝膠體系硬度、彈性均升高，而黏附性降低。添加HA或CA后，體系的G’降低，即體系彈性降低，G”升高，即黏附性升高，這是因?yàn)镠A具有潤滑和增大黏附性的作用。而在同時(shí)添加CA和HA且樣品MC、HA、CA配比為8∶0.05∶0.05時(shí)，CA水凝膠體系的G’較高，并且該體系下G’與G”差值較大，說明打印的樣品形成了穩(wěn)定的凝膠結(jié)構(gòu)，成型性較好，此時(shí)的凝膠材料更適合打印。tan δ＜1說明材料主要表現(xiàn)彈性為行為，意味著材料更類似于固體，流動(dòng)性較差。隨頻率增加，各樣品tan δ整體呈下降趨勢，表明3D材料和打印物流動(dòng)性較差，黏彈性較低，類固性較高。 綜上所述，3D打印后的樣品具有更好的支撐性。若要滿足后續(xù)加工要求及產(chǎn)品特性，可以選擇不同組成配比，以保證產(chǎn)品固液體狀態(tài)，達(dá)到目標(biāo)的產(chǎn)品型態(tài)。05 不同MC、HA和CA添加量的3D打印材料和3D打印物的SEM分析
水凝膠體系微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果如圖3所示。體系添加HA后（圖3B），與原先的水-MC凝膠體系（圖3A）對比，樣品結(jié)構(gòu)更為松散，疊加層數(shù)更為顯著，可能是因?yàn)镠A的潤濕性造成的。從圖3C可以看出，MC中添加CA后打印的樣品具備大小不一的孔隙結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)較為疏松，樣品打印出后極易坍塌，因此打印精密度低。如圖3E所示，隨著HA和CA的添加，打印樣品的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸均勻，截面更為光潔。由圖3D可知，當(dāng)CA與HA的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，打印后的樣品展現(xiàn)出更為勻稱的孔隙結(jié)構(gòu)，可以維持樣品長時(shí)間不產(chǎn)生塌陷形變，可能是因?yàn)镠A和CA形成了共價(jià)鍵。而當(dāng)HA與CA的質(zhì)量比為其他配比時(shí)，打印樣品的外表粗糙度提升（圖3F），可能是打印過程中出料不均勻，出現(xiàn)斷料的情況，樣品變形嚴(yán)重，表面有裂紋造成。
06 不同MC、HA和CA添加量的3D打印材料和3D打印物的傅里葉變換紅外光譜分析
本實(shí)驗(yàn)選擇具有代表性的4 組樣品（MC、HA、CA質(zhì)量比分別為8∶0∶0、8∶0.05∶0、8∶0∶0.05、8∶0.05∶0.05）用傅里葉變換紅外光譜考察3DFP加工對水凝膠體系組分的影響以及打印過程中組分間相互作用。如圖4所示，與只添加MC的水凝膠相比，添加CA后的水凝膠在3 600～3 400 cm-1處和2 960～2 940 cm-1處吸收峰強(qiáng)度略有增加，可能是因?yàn)镃A中甲基—OH分子締合和甲基—CH3伸縮振動(dòng)引起的，但并沒有新峰生成，表明CA與MC結(jié)合較差，沒有形成新的共價(jià)鍵。HA和CA同時(shí)添加時(shí)，在1 400～1 000 cm-1處有很小的新峰生成，表明添加HA與CA形成了新的共價(jià)鍵。此外，與3D打印材料相比，打印后樣品峰強(qiáng)度升高，沒有新峰生成且沒有影響吸收峰的位置，表明3D打印的擠壓會(huì)使其結(jié)構(gòu)更加緊密。
07 不同MC、HA和CA添加量的3DFP材料和3D打印物的X射線衍射分析
本實(shí)驗(yàn)選擇具有代表性的4 組樣品（MC、HA、CA質(zhì)量比為8∶0∶0、8∶0.05∶0、8∶0∶0.05、8∶0.05∶0.05）進(jìn)行X射線衍射分析，由圖5可知，所有3D打印材料和3D打印物在4.94°處均有較強(qiáng)的特征衍射峰，可能是多酚的特征峰。同時(shí)，各組樣品在18.79°處有特征峰，并且在HA和CA加入后，特征峰均明顯增強(qiáng)，可能是因?yàn)樘砑親A與CA產(chǎn)生了新的共價(jià)鍵，因此物質(zhì)結(jié)合更加緊密。此外，對比打印前與打印后樣品所得的結(jié)果，打印后樣品峰強(qiáng)度略有升高，但沒有新峰生成且沒有影響吸收峰的位置，表明3D打印的擠壓會(huì)使其結(jié)構(gòu)更加緊密，與前文研究結(jié)果相印證。
綜上所述，本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了荷載CA的水凝膠體系并進(jìn)行了3D打印，當(dāng)MC∶HA∶CA配比為8∶0.05∶0.05時(shí)結(jié)構(gòu)性能最好，實(shí)現(xiàn)了良好的3D打印適用性，在此基礎(chǔ)上測定該體系下打印前后樣品的CA包埋率以及胃腸消化模擬。
08 最佳體系下3D打印材料和3D打印物的CA包埋率
對最佳配比的打印前和打印后樣品進(jìn)行CA包埋率測定，如表5所示，每個(gè)打印樣品的CA平均添加量為0.011 6 mg。打印后樣品的CA包埋率比打印前樣品的CA包埋率提高了22.09 個(gè)百分點(diǎn)，3D打印處理后提高了荷載CA水凝膠3D打印體系的包埋率，可能是因?yàn)镸C具有良好的成膜性，3D打印的擠壓剪切的作用力可能使樣品表面形成了一層具有良好水溶性的MC薄膜，使打印后樣品比打印前樣品能更好地留住CA，因此在利用溶解法測定包埋率時(shí)，打印后樣品包埋率大幅升高。但是具體組分間相互作用規(guī)律、機(jī)制等方面還需進(jìn)一步研究。綜上，打印后MC-HA-CA體系的包埋效果良好，包埋率大于70%，滿足了3D打印的適用性。 
09 最佳體系的3D打印材料和3D打印物的體外胃腸消化模擬分析
如圖6所示，在120 min的胃消化和120 min的腸消化過程中，打印前后樣品的CA釋放率隨著時(shí)間延長均緩慢增加，表明樣品在模擬胃液和模擬腸液中均有一定的緩釋特性。打印前消化終點(diǎn)樣品胃、腸CA累計(jì)釋放率分別為8.82%、11.38%，打印后消化終點(diǎn)樣品胃、腸CA累計(jì)釋放率分別為14.62%、20.01%，表明樣品在腸模擬液中CA釋放特性更好，原因可能是腸消化模擬液中的胰液和膽汁可以水解MC與CA產(chǎn)生反應(yīng)的化學(xué)鍵，且其中部分偏中性的CA在pH 7的腸模擬液中更加穩(wěn)定，因此CA可以更好釋放并不易被分解，從而被吸收。同時(shí)，紅外光譜分析結(jié)果表明CA與MC結(jié)合較差，利于CA的釋放，因而CA釋放量較高，腸和胃的消化吸收效果較好。 對CA體外釋放情況通常用零級動(dòng)力學(xué)模型、一級動(dòng)力學(xué)模型、Niebergull平方根方程模型、Weibull方程模型和Ritger-Peppas方程模型擬合。本研究中利用Origin軟件對3D打印前后樣品CA體外釋放情況進(jìn)行5 種模型擬合，建立打印前后樣品CA含量在模擬胃液和模擬腸液中釋放動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)果如表6所示。根據(jù)決定系數(shù)R2可知，打印前后樣品CA的體外釋放情況利用Ritger-Peppas方程模型擬合效果最好，其中l(wèi)n Q＝nlnt＋k中系數(shù)n均大于0.89，釋放機(jī)制主要為骨架溶蝕作用。 此外，胃腸消化模擬中打印后樣品CA釋放率均大于打印前CA釋放率，首先可能如前文所述，打印后樣品CA包埋率高于打印前樣品的CA包埋率；其次，有研究表明高黏度MC凝膠的溶解度低于低黏度MC凝膠，質(zhì)構(gòu)特性和流變分析結(jié)果表明，3DFP前樣品黏度高于打印后樣品黏度，因此3DFP前樣品溶解度高于打印后樣品溶解度，同時(shí)由表6可知，MC/HA水凝膠釋放CA機(jī)制主要為骨架溶蝕作用，因此相比于打印前材料，打印后樣品因?yàn)槿芙舛容^高，從而更容易溶蝕，因而有利于CA的釋放，打印后樣品釋放率更高。
本研究構(gòu)建了一種可以荷載CA并且可以應(yīng)用于3D打印的水凝膠體系，確定最佳打印條件：MC、HA、CA配比為8∶0.05∶0.05。該體系相較于其他配比體系以及打印前樣品，打印精度較高，物理性能、流變性能較好，具有理想的3D打印適印性。該體系結(jié)構(gòu)緊密且孔隙均勻、支撐性較好，具有良好的CA包埋率，實(shí)現(xiàn)了良好的3D打印適用性。同時(shí)該體系在胃腸消化模擬中具有良好的CA釋放率以及良好的緩釋作用，體外釋放情況符合Ritger-Peppas方程模型。 MC作為形成水凝膠的增稠劑包埋其他功能性物質(zhì)還有待后續(xù)深入研究。此外，MC還可以加入到果漿中，制備果漿凝膠，應(yīng)用于3D打印等方面，其適印性和適用性在未來食品價(jià)值鏈應(yīng)用中還需進(jìn)一步的研究。 本文《3D打印加工荷載綠原酸水凝膠體系的適印性和適用性》來源于《食品科學(xué)》2023年44卷第14期95-102頁，作者：南希駿，周泉城，李婭婕，倪乙丹，郭婷婷，厲佳怡，王紅磊，韓欽碩，白海媚，盛桂華*。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220718-199。
