使用壳聚糖调节肌原纤维蛋白稳定的高内相乳液以增强 3 D打印食品的性能

来源：国家肉品中心

南京农业大学Feiyu Zhang等在《Carbohydrate Polymers（IF=11.2）》期刊发表实验文章“Modulating the properties of myofibrillar proteins-stabilized high internal phase emulsions using chitosan for enhanced 3D-printed foods”（通讯作者：Xinglian Xu）。

高内相乳液（HIPEs）是内相体积大于74%的乳液凝胶，由不规则形状和互连液滴组成的凝胶状网络，从而赋予乳液半固体的质地特性。对于食品胶体的3D 打印，人们越来越倾向于使用生物相容性材料作为合成乳化剂的替代品。在这些选择中，肉类蛋白，特别是肌原纤维蛋白（MP），因其低过敏性和均衡的营养成分而受到关注。然而，仅仅依靠MP来稳定 HIPEs 可能不足以成功获得3D 打印食品所需的纹理特性。为解决这一限制，将多糖掺入HIPEs中可以实现多种功能，包括增稠、自支撑和增强网络结构。此外，应仔细考虑多糖种类的选择、引入方法、系统增强机制和应用范围，以有效 解决MP稳定的HIPEs的局限性。

本试验探究了壳聚糖 (CS) 浓度（0-1.5 wt.%）对MP基HIPEs 的理化性质、微观结构、流变性质和乳液稳定性的影响。结果表明，MP 和 CS 之间的相互作用通过改变界面张力和网络结构有效地调节 HIPEs 的形成。CS（≤0.9 wt.%，特别是0.6 wt.%）的添加起到了空间屏障的作用，填充了液滴之间的网络，引发了CS和MP颗粒之间的静电排斥，增强了MP的界面吸附能力，导致液滴尺寸减小，乳液稳定性增加，并且 HIPEs 在冻融循环、离心和热处理过程中变得更加稳定。流变分析进一步表明，MP基HIPEs的低储能模量（G'，330.7 Pa）在自支撑阶段表现出下垂和变形。然而，添加CS (0.6 wt.%) 显著增加了MP基HIPEs的 G' (1034 Pa)。相反，CS (> 0.9 wt.%) 导致的粘度和空间阻力的增加明显使乳液液滴尺寸变大，从而降低了MP基HIPEs 的可打印性。这些发现为使用 MP 稳定的 HIPEs 开发高性能和消费者满意的 3D 打印墨水提供了一种有前景的策略。

1.MP基HIPEs单因素实验设计

图1. MP浓度、匀浆转速和匀浆时间对HIPEs乳液粒径（D4,3）和储能模量（G’）的影响。(A) MP浓度（0-4 wt.%）；(B) 匀浆转速（4000-16000 rpm）；(C) 匀浆时间（60-240 s）

2.中性和酸性条件下MP的微观结构

图2. (A) MP电泳图；(B) pH 7.0 和 pH 3.5下MP 水溶液的外观以及 TEM 图；(C) 肌原纤维、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝和单体肌球蛋白的尺寸和结构示意图

3.MP/CS混合溶液的颗粒形貌

图3. MP/CS 混合溶液结构。(A) 视觉外观；(B) AFM 图

4.MP/CS混合溶液的颗粒表征

图4. MP/CS 混合溶液 (pH 3.5) 的表征。(A) FTIR 光谱；(B) 颗粒粒径；(C) zeta 电位；(D) 界面张力

5.MP/CS稳定的HIPEs表征

图5. (A) 视觉外观和 CLSM 图；(B) 液滴大小和分布；(C) Turbiscan 稳定性指数；(D) 背散射光变化

6.MP/CS稳定的HIPEs油墨的流变学表征

图6. MP/CS稳定HIPEs的流变性表征。（A）剪切速率扫描；（B）MP/CS稳定HIPEs在0.1 s-1时的粘度；（C）三间隔触变测试；（D）频率扫描；（E）应变扫描；（F）应变扫描的损耗因子（G''/G'）

7.MP/CS稳定的HIPEs油墨的物理稳定性

图7. MP/CS稳定HIPEs的物理稳定性。（A）新鲜HIPE和在80℃下加热30分钟的新鲜HIPEs的视觉外观；（B）光学显微照片（×20和×40）；（C）冻融处理前后HIPEs的视觉外观；（D） 以 8000 rpm 离心 15 分钟后 HIPEs 的视觉外观

8.MP/CS稳定的HIPEs油墨的打印性

图8. （A） 3D打印机及设计模型；（B） 3D打印的HIPEs对比图。分别由MP（1.5 wt.%）和MP/CS（1.5wt.%/0.6wt.%）稳定；（C）3D打印的“心形”、“长方体”、“五角星”和“月饼”外观图。

9.MP/CS溶液稳定HIPEs的机制假设

图 9. CS 添加对MP基HIPEs形成的机制假设。(A) 0 wt.% CS；(B) 0.6 wt.% CS；(C) 1.5 wt.% CS

结论
（1）提高均质速度和 MP 浓度可以形成稳定的 HIPEs。然而，仅通过 MP 稳定的 HIPEs 表现出较差的可打印性。
（2）CS 浓度显著影响MP基HIPEs的打印性和稳定性。增加CS浓度（≤0.9 wt.%）有利于形成致密的粘弹性界面膜，有效抵抗液滴团聚，从而提高HIPEs在离心、冻融循环和热处理在下的稳定性。特别是，含有 0.6 wt.% CS 的 MP 基 HIPEs 表现出优异的打印特性，例如触变恢复和自支撑行为。相反，过量的 CS 含量（> 0.9 wt.%）会导致液滴尺寸增大，并降低MP基HIPEs 的流变特性。

本文来源：
Zhang, F., Wang, P., Huang, M., & Xu, X. (2023). Modulating the properties of myofibrillar proteins-stabilized high internal phase emulsions using chitosan for enhanced 3D-printed foods. Carbohydrate Polymers, 121540.