3D打印是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。近年来，3D打印在组织软骨支架到特殊功能食品的设计等领域引起越来越广泛的研究兴趣。与3D打印传统食品不同，专业食品需要满足特定的微观结构和营养需求，这就要求制造出成分和流变性能得到精确控制的材料。创造可食用三维材料的一个途径是使用高浓度水包油乳液，滴界面和连续相中的结晶颗粒通过微弱的物理吸引力产生液滴-液滴相互作用，形成柔软的弹性材料，当受到足够大的剪切应力时，该材料可以流动。然而，为了在流动后提供自支撑性能，材料的化学交联和热处理通常是必要的。这一步骤连同用作稳定剂的结晶颗粒的生产步骤，通常会降低材料的生物相容性及其在食品中的潜在用途。豌豆蛋白因具有优异的乳化特性，可广泛用于食用应用。在pH 3时，豌豆蛋白质通过物理吸引力组装成粘性蛋白质颗粒，可以作为天然交联剂。
鉴于此，瓦格宁根大学C. V . Nikiforidis等研究了豌豆蛋白稳定的堵塞乳液的振荡流变特性，并将它们与3D打印联系起来。确定了由酸碱度触发的自组装形成的豌豆蛋白颗粒在创造可印刷的可食用乳剂中的作用。提出了一种简单的酸碱度驱动的方法，使用豌豆蛋白来创建具有3D打印特性的可食用材料，而无需额外的交联剂。相关工作于近期以题为“Jammed Emulsions with Adhesive Pea Protein Particles for Elastoplastic Edible 3D Printed Materials”发表在了《Advanced Functional Materials》上。
文章重点：
1. 由豌豆蛋白乳化得到的液滴尺寸分布在1-10 μm之间且表现为单峰。液滴尺寸的分布和油滴的可变形特性使得它们在这些乳液中的堆积高于理论随机紧密堆积分数(ϕ = 0.64)。表明豌豆蛋白能够稳定高于油滴堆积体积分数(ϕ = 0.64)的乳液，具有优异的乳化能力。为了表征所形成的乳液是否适合3D打印，对其流变性能进行了研究，材料表现得像粘弹性软固体。
豌豆蛋白分子稳定化乳化液的微观结构和流变性能
2. 为了增加乳液3D打印的液滴间相互作用，通常采用交联或热处理。对于可食用的应用，希望避免这种化学交联。而豌豆蛋白质在水相中的酸碱度变为3时，会自组装成大小在50至500纳米之间的蛋白质颗粒，基于此研究团队成功地设计了这种基于堵塞乳液的可食用3D打印材料。没有蛋白质颗粒(pH 7)形成的乳液是粘弹性软固体，只有弱的液滴-液滴相互作用。而在蛋白质颗粒(pH 3)存在下，具有相对强的粘附液滴-液滴相互作用，蛋白质颗粒通过疏水和范德华力将液滴“粘”在一起，形成的乳液表现得像弹塑性材料。在室温下使用3D打印机测试两种乳液的可印刷性，没有颗粒的乳液不能保留印刷结构，而挤出蛋白质颗粒的乳液能够保留印刷结构超过48小时。
乳液微观结构
3. 因为蛋白质形成了可食用系统的组成部分，使用自组装粘性豌豆蛋白质颗粒是形成可食用3D可印刷材料的一种有吸引力的方法。文中首次应用简单的酸碱度驱动技术来创建基于植物蛋白的3D可打印可食用乳液结构，消除了用于稳定印刷结构的额外的预处理和后处理，为利用豌豆蛋白(植物蛋白)等易接近的分子设计可食用的印刷乳液结构开辟了可能性。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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