南京农业大学周光宏教授团队叶可萍教授课题组：海藻酸钠、3D 打印与冷冻耦合作用下真菌蛋白基仿制肉纤维结构的构建及机制研究

在全球人口增长、资源短缺及环境压力加剧的背景下，开发高效、低碳且可持续的蛋白质资源成为食品科学与工业创新的重要方向，而真菌蛋白凭借高蛋白质含量、均衡的氨基酸组成及固有的纤维结构，相比植物蛋白更易模拟肉类的纤维质地，在人造肉开发领域具备独特优势与巨大潜力。然而，工业条件下难以获得稳定且排列规整的类肌肉纤维结构及稳定质地，这限制了真菌蛋白的广泛应用。目前工业中常用的冷冻诱导结构化方法存在冰晶体可能破坏蛋白凝胶网络、微观纤维结构有序性不足等问题；3D 食品打印虽能通过挤出过程中的剪切力诱导丝状材料定向排列，在实现纤维有序性方面潜力更大，但仿制肉体系需添加多种凝胶剂和风味添加剂，复杂配方会显著影响墨水流变学特性和可打印性，且现有研究多聚焦于纯菌丝体作为打印墨水，对 “全配方真菌蛋白体系” 的打印行为和结构化机制缺乏系统研究。鉴于冷冻诱导结构化与 3D 打印在结构调控尺度和机制上存在差异且具有互补性，二者协同构建多尺度纤维结构的潜力尚未得到充分阐明，尤其在实际配方和加工条件下的相关研究较为匮乏，因此亟需开展针对性研究。

1. 海藻酸钠对打印墨水及打印性能的影响

0.6%-0.8% 的适度海藻酸钠添加可显著增强真菌蛋白打印墨水的粘弹性和结构恢复能力，优化其剪切变稀特性，使墨水具备更优的挤出 - 沉积平衡。这一浓度范围能有效提升打印精度与堆叠稳定性，让打印样品在 X、Y、Z 轴方向均能较好地贴合目标模型尺寸，避免坍塌和轮廓模糊，同时增强层间支撑力与自稳定性，为类肌肉纤维结构的构建奠定基础。

2. 3D 打印对纤维结构构建的作用

3D 打印过程中产生的剪切力可诱导真菌蛋白菌丝沿挤出方向定向排列，结合海藻酸钠的凝胶支撑作用，能够形成高度仿真的平行类肌肉纤维结构。采用的平行排列打印构型，不仅在宏观上呈现出类似天然肌肉束的纤维条带感，提升视觉真实性，还能在微观层面促进菌丝的有序规整，相比传统冷冻诱导结构化方法，更易实现纤维的定向有序排列。

3. 冷冻处理的差异化影响

冷冻处理对不同海藻酸钠含量的体系呈现浓度依赖性效应。在低海藻酸钠含量、结构支撑不足的体系中，冷冻通过冰晶诱导的物质重排，突出了纤维结构的宏观外观，使原本无序或模糊的结构呈现更明显的条带特征；而在高海藻酸钠含量的强化体系中，冷冻主要调控水分分布，同时保留预先形成的纤维连续性和质地特性，不会破坏结构的机械完整性，但会导致局部孔隙扩大和水分迁移加剧。

4. 水分特性与质地性能的变化

海藻酸钠的添加能通过增强静电作用和氢键结合，提升样品在热加工过程中的持水性，降低烹饪损失。但高海藻酸钠含量的样品在冷冻后，由于冰晶在有序纤维通道内集中生长，会导致凝胶破裂，持水性显著下降。质地方面，非冷冻状态下，高海藻酸钠含量样品因平行纤维构型缺乏层间交联增强，硬度和咀嚼性低于低含量组和非打印组；冷冻后，低支撑体系的硬度和咀嚼性因结构压缩有所提升，高支撑体系则基本维持原有质地特性，弹性略有增加。

5. 分子作用机制与相关性

分子层面上，海藻酸钠通过增强氢键、疏水作用及重构离子键，稳定了蛋白质网络结构，且其对蛋白质二级结构的调控更多通过分子间聚集和协同网络形成实现，而非直接改变特定二级结构的转化比例。相关性分析证实，分子作用力、水分状态与质地特性之间存在紧密关联，如离子键强度与持水性呈正相关，自由水与固定水比例呈负相关，硬度与咀嚼性高度正相关。

6. 应用价值与优化方向

0.6%-0.8% 的海藻酸钠浓度是兼顾打印适性、纤维排列、质地性能及冻融稳定性的实用范围，为工业规模的挤出式 3D 打印真菌蛋白基人造肉提供了可行的配方窗口。该研究揭示了 “海藻酸钠添加 - 3D 打印 - 冷冻处理” 的协同作用机制，为冷链条件下真菌蛋白基人造肉的配方设计、工艺优化及结构稳定性提升提供了理论支撑和实践指导，后续需进一步探索抗冻交联机制和冷冻保护策略，以改善高支撑体系的冷冻持水性。