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使用壳聚糖调节肌原纤维蛋白稳定的高内相乳液以增强3D打印食品的性能

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      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.


关键词:3D打印食品

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