酵母中由自溶作用驱动的细胞壁重塑：可持续的生物墨水开发及其在挤出式3D打印中的性能表现

《Food Research International》：Autolysis-driven cell wall remodeling in yeast: Sustainable bioink development and extrusion 3D printing performance

　　啤酒废酵母自溶改性及其在3D食品打印中的应用研究。通过自溶处理改变酵母细胞壁结构，形成多孔网络，显著提升水分保持能力（356% vs 189%）和剪切稀化特性（n值0.12 vs 0.67），优化流变学参数（屈服应力1116.25 Pa），实现高精度打印（尺寸准确率99-101%）。

　　
该研究聚焦于利用工业副产物酿酒酵母糟粕（BSY）开发可持续的3D食品打印生物墨水。研究发现，通过自溶工艺对BSY进行结构改造，能够显著提升其作为生物墨水的性能，为食品制造领域提供创新解决方案。

研究团队首先通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察到，自溶处理使酵母细胞壁产生孔隙并形成紧密的细胞间连接结构。这种微观结构的改变伴随着多糖成分的重新分布，β-葡聚糖和甘露聚糖含量分别提升113%和82%，这直接导致材料表面粗糙度增加近85%（从1.14 nm升至2.09 nm）。更值得注意的是，经过自溶处理的BSY材料表面电势从-20.47 mV改善至-15.13 mV，静电排斥作用减弱，有利于分子间的物理化学相互作用。

在流变学特性方面，实验表明自溶后的BSY表现出更优异的剪切稀化特性。当固含量达到35%时，其流动行为指数（n值）从对照组的0.54降至0.12，剪切稀化效应增强约85倍。这种特性使得材料在挤出打印过程中能够保持稳定流动性，同时形成高强度凝胶网络。特别在40%固含量条件下，材料屈服应力达到1116.25 Pa，较未处理组提升183倍，这为多层结构的精准成型提供了力学支撑。

水合作用实验显示，经自溶处理的BSY持水能力从189%提升至356%，增幅达88%。红外光谱（FTIR）分析证实，自溶过程中多糖链的氢键网络重构，使材料在25℃环境下表现出更稳定的水合状态。通过差示扫描量热法（DSC）测定的自由水指数（FWI）进一步验证了这一结论，自溶组在30%固含量时FWI较对照组降低42%，表明材料内部结合水比例显著增加。

在3D打印性能测试中，优化后的自溶BSY材料在35%固含量时展现出最佳综合性能。打印构建物在层厚1.1 mm、打印速度35 mm/s的条件下，尺寸精度达到99-101%，表面粗糙度控制在±5 μm范围内。微观结构分析显示，自溶材料形成的连续多糖网络结构（图6C）能有效抵抗重力导致的层间位移，而对照组（图6A）因细胞壁完整性较好，在打印过程中易出现结构分层。

该研究创新性地将食品工业副产物转化为功能性生物材料，其技术路径包含三个关键突破：首先通过自溶处理（pH5.0，30℃培养24小时）实现细胞壁的定向松解，材料持水能力提升近两倍；其次发现自溶后材料表面电荷密度降低25%，显著改善材料分散性；最后通过流变学优化，在35-40%固含量区间形成最佳打印性能，为工业规模生产提供参数基准。

该成果在可持续性和功能性方面均具有突破意义。从原料利用角度看，将酒糟中β-葡聚糖含量提升至39.32%，使原料利用率提高至85%以上。在环保效益方面，每吨自溶处理的BSY副产物可减少传统合成材料使用量达3.2吨，符合循环经济理念。技术经济性分析显示，自溶工艺成本较化学改性降低60%，且不需要额外纯化步骤，更适合规模化生产。

研究同时揭示了食品3D打印材料的关键性能参数：在固含量20-40%范围内，材料需同时满足三个核心指标——持水能力＞300%、屈服应力＞500 Pa、n值＜0.3。自溶处理的BSY在35%固含量时同时达到这三项指标，为后续配方优化提供了理论依据。特别在材料弹性方面，发现自溶后形成的多糖-蛋白复合网络具有可逆性，这种特性在食品加工中尤为重要，可避免传统交联剂带来的化学残留问题。

未来研究可进一步探索自溶工艺参数与材料性能的定量关系，以及不同食品配方对自溶材料的适配性。该成果为开发基于天然多糖的食品打印材料开辟了新路径，特别是在医疗定制食品、功能性食品件制造等领域具有广阔应用前景。研究团队表示，下一步将进行中试生产验证，目标在12个月内实现工业化应用，预计可使食品加工中的废弃物再利用率提升至35%以上。