使用殼聚糖調節(jié)肌原纖維蛋白穩(wěn)定的高內相乳液以增強 3 D打印食品的性能

來源：國家肉品中心

南京農業(yè)大學Feiyu Zhang等在《Carbohydrate Polymers（IF=11.2）》期刊發(fā)表實驗文章“Modulating the properties of myofibrillar proteins-stabilized high internal phase emulsions using chitosan for enhanced 3D-printed foods”（通訊作者：Xinglian Xu）。

高內相乳液（HIPEs）是內相體積大于74%的乳液凝膠，由不規(guī)則形狀和互連液滴組成的凝膠狀網絡，從而賦予乳液半固體的質地特性。對于食品膠體的3D 打印，人們越來越傾向于使用生物相容性材料作為合成乳化劑的替代品。在這些選擇中，肉類蛋白，特別是肌原纖維蛋白（MP），因其低過敏性和均衡的營養(yǎng)成分而受到關注。然而，僅僅依靠MP來穩(wěn)定 HIPEs 可能不足以成功獲得3D 打印食品所需的紋理特性。為解決這一限制，將多糖摻入HIPEs中可以實現多種功能，包括增稠、自支撐和增強網絡結構。此外，應仔細考慮多糖種類的選擇、引入方法、系統增強機制和應用范圍，以有效 解決MP穩(wěn)定的HIPEs的局限性。

本試驗探究了殼聚糖 (CS) 濃度（0-1.5 wt.%）對MP基HIPEs 的理化性質、微觀結構、流變性質和乳液穩(wěn)定性的影響。結果表明，MP 和 CS 之間的相互作用通過改變界面張力和網絡結構有效地調節(jié) HIPEs 的形成。CS（≤0.9 wt.%，特別是0.6 wt.%）的添加起到了空間屏障的作用，填充了液滴之間的網絡，引發(fā)了CS和MP顆粒之間的靜電排斥，增強了MP的界面吸附能力，導致液滴尺寸減小，乳液穩(wěn)定性增加，并且 HIPEs 在凍融循環(huán)、離心和熱處理過程中變得更加穩(wěn)定。流變分析進一步表明，MP基HIPEs的低儲能模量（G'，330.7 Pa）在自支撐階段表現出下垂和變形。然而，添加CS (0.6 wt.%) 顯著增加了MP基HIPEs的 G' (1034 Pa)。相反，CS (> 0.9 wt.%) 導致的粘度和空間阻力的增加明顯使乳液液滴尺寸變大，從而降低了MP基HIPEs 的可打印性。這些發(fā)現為使用 MP 穩(wěn)定的 HIPEs 開發(fā)高性能和消費者滿意的 3D 打印墨水提供了一種有前景的策略。

1.MP基HIPEs單因素實驗設計

圖1. MP濃度、勻漿轉速和勻漿時間對HIPEs乳液粒徑（D4,3）和儲能模量（G’）的影響。(A) MP濃度（0-4 wt.%）；(B) 勻漿轉速（4000-16000 rpm）；(C) 勻漿時間（60-240 s）

2.中性和酸性條件下MP的微觀結構

圖2. (A) MP電泳圖；(B) pH 7.0 和 pH 3.5下MP 水溶液的外觀以及 TEM 圖；(C) 肌原纖維、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲和單體肌球蛋白的尺寸和結構示意圖

3.MP/CS混合溶液的顆粒形貌

圖3. MP/CS 混合溶液結構。(A) 視覺外觀；(B) AFM 圖

4.MP/CS混合溶液的顆粒表征

圖4. MP/CS 混合溶液 (pH 3.5) 的表征。(A) FTIR 光譜；(B) 顆粒粒徑；(C) zeta 電位；(D) 界面張力

5.MP/CS穩(wěn)定的HIPEs表征

圖5. (A) 視覺外觀和 CLSM 圖；(B) 液滴大小和分布；(C) Turbiscan 穩(wěn)定性指數；(D) 背散射光變化

6.MP/CS穩(wěn)定的HIPEs油墨的流變學表征

圖6. MP/CS穩(wěn)定HIPEs的流變性表征。（A）剪切速率掃描；（B）MP/CS穩(wěn)定HIPEs在0.1 s-1時的粘度；（C）三間隔觸變測試；（D）頻率掃描；（E）應變掃描；（F）應變掃描的損耗因子（G''/G'）

7.MP/CS穩(wěn)定的HIPEs油墨的物理穩(wěn)定性

圖7. MP/CS穩(wěn)定HIPEs的物理穩(wěn)定性。（A）新鮮HIPE和在80℃下加熱30分鐘的新鮮HIPEs的視覺外觀；（B）光學顯微照片（×20和×40）；（C）凍融處理前后HIPEs的視覺外觀；（D） 以 8000 rpm 離心 15 分鐘后 HIPEs 的視覺外觀

8.MP/CS穩(wěn)定的HIPEs油墨的打印性

圖8. （A） 3D打印機及設計模型；（B） 3D打印的HIPEs對比圖。分別由MP（1.5 wt.%）和MP/CS（1.5wt.%/0.6wt.%）穩(wěn)定；（C）3D打印的“心形”、“長方體”、“五角星”和“月餅”外觀圖。

9.MP/CS溶液穩(wěn)定HIPEs的機制假設

圖 9. CS 添加對MP基HIPEs形成的機制假設。(A) 0 wt.% CS；(B) 0.6 wt.% CS；(C) 1.5 wt.% CS

結論
（1）提高均質速度和 MP 濃度可以形成穩(wěn)定的 HIPEs。然而，僅通過 MP 穩(wěn)定的 HIPEs 表現出較差的可打印性。
（2）CS 濃度顯著影響MP基HIPEs的打印性和穩(wěn)定性。增加CS濃度（≤0.9 wt.%）有利于形成致密的粘彈性界面膜，有效抵抗液滴團聚，從而提高HIPEs在離心、凍融循環(huán)和熱處理在下的穩(wěn)定性。特別是，含有 0.6 wt.% CS 的 MP 基 HIPEs 表現出優(yōu)異的打印特性，例如觸變恢復和自支撐行為。相反，過量的 CS 含量（> 0.9 wt.%）會導致液滴尺寸增大，并降低MP基HIPEs 的流變特性。

本文來源：
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.